11种常见实体肿瘤DNA甲基化单倍型图谱构建及其在癌症调控与诊断中的意义

研究人员针对肿瘤异质性中DNA甲基化单倍型块(MHBs)的泛癌动态特征不明问题，通过全基因组亚硫酸盐测序(WGBS)分析110例原发性肿瘤，鉴定出81,567个MHBs，揭示其作为独立于平均甲基化水平的基因表达调控元件功能，并证实其作为液体活检标志物的临床潜力，为癌症表观遗传治疗提供新靶点。

　　

在肿瘤发生发展过程中，DNA甲基化异常是重要的表观遗传特征，但传统研究多关注平均甲基化水平的变化，而忽略了单倍型水平的协同甲基化模式。肿瘤的高度异质性使得相邻CpG位点可能形成甲基化单倍型块(Methylation Haplotype Blocks, MHBs)，这些区域内的甲基化状态反映了局部表观遗传的一致性。尽管MHBs与基因失调有关，但其在泛癌中的动态变化和临床相关性仍不清楚。此外，现有肿瘤DNA甲基化数据主要来自欧美人群的甲基化芯片，中国患者群体的全基因组甲基化图谱亟待完善。

为填补这些空白，由Zhiqiang Zhang和Yuyang Hong共同第一作者、Jiantao Shi和Hai Fang通讯作者领导的研究团队在《Cell Reports》发表了突破性成果。该研究对11种常见实体肿瘤（包括头颈鳞癌、甲状腺癌、非小细胞肺癌等）的110例原发性肿瘤进行全基因组亚硫酸盐测序(WGBS)，平均测序深度达15×。通过创新的种子扩展算法，利用mHapSuite工具鉴定MHBs，并整合TCGA等多组学数据，结合单细胞甲基化测序(scBS-seq)验证，系统揭示了MHBs的调控机制和临床价值。

关键技术方法包括：1) 对11种癌症类型的110例中国患者肿瘤样本进行WGBS；2) 开发算法从bulk和单细胞数据中鉴定MHBs；3) 整合ATAC-seq、ChIA-PET等表观基因组数据解析调控功能；4) 采用rGREAT和CollecTRI数据库预测转录因子活性；5) 利用TCGA队列进行生存分析和机器学习模型构建。

主要研究结果：

Identification of MHBs in 11 common solid cancer types

研究鉴定出191,395个癌症特异性MHBs（非冗余81,567个），长度平均107bp，40.65%位于启动子区。胃肠道肿瘤如食管癌(ESCA)和结肠癌(COAD)显示出更高MHB频率。与正常组织比较表明多数MHBs具有癌症特异性。

Cancer MHBs are enriched in accessible chromatin regions

MHBs显著富集于开放染色质区域（p<0.001），且在低甲基化区域(LMRs)和部分甲基化域(PMDs)中特异性富集。乳腺癌ChIA-PET数据显示MHBs参与疾病状态特异性的长程染色质互作。

Cancer MHBs are associated with dysregulation of gene expression

在食管鳞癌(ESCC)中，153个无DMRs的差异表达基因中，含有MHBs的基因显著上调（p=2.56×10^-2）。KLF5等转录因子在MHBs中活性增强，激活G2/M检查点和WNT信号通路。

Validation of colon cancer MHBs with single-cell data

单细胞数据验证24,087个结肠癌MHBs，其中37.02%与bulk结果重叠。含有启动子MHBs的基因在各类甲基化水平下均表达更高（p<2.22×10^-16），42个MHB相关基因在转移灶中持续激活。

Cancer MHBs are associated with DEGs in pan-cancer

TCGA泛癌分析显示MHBs独立调控MYC、RRM2等癌基因，富集于G2/M检查点和E2F靶标通路。53个核心基因构成的网络显著富集生存相关标志物（如SLC2A1在肝癌中HR=1.7）。

Characterizing DNA methylation inter-tumor heterogeneity in cancers

IDH1突变肿瘤表现出更高的甲基化异质性（p=6.98×10^-14），高协调性MHBs的肿瘤上调免疫相关通路基因。

Cancer MHBs as biomarkers for non-invasive cancer detection from plasma DNA

基于甲基化单倍型负荷(MHL)的模型在结直肠癌检测中AUC达0.97，灵敏度91%（特异性98%），显著优于传统甲基化指标。

结论与意义：

该研究首次构建了11种实体瘤的DNA甲基化单倍型图谱，阐明MHBs作为新型表观遗传调控元件的多重功能：1) 通过协调性甲基化模式独立调控致癌通路；2) 与染色质开放状态和三维基因组结构耦合；3) 反映肿瘤异质性并与驱动突变关联；4) 作为高灵敏度液体活检标志物。研究提供的资源库（GSE212391）将推动表观遗传治疗靶点发现，其建立的MHL/MBS评分体系为癌症早诊提供了优于现有方法的技术路径。局限性在于缺乏配对正常组织数据，且单细胞分析中未区分亲本特异性单倍型，这些将为后续研究指明方向。