高精准长读长 HiFi 多组学：基因组（含甲基化组）+ 全长转录本测序揭示复发性星形细胞瘤 DNA 至 RNA 的演化重塑轨迹

【字体：大中小】 时间：2026年08月12日 来源：基因有限公司

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　　研究依托 PacBio Revio 测序平台，利用配对长读长全基因组（含甲基化组）与全长转录本测序测序，证实复发星形细胞瘤的重塑过程并不仅仅是遗传层面或转录层面的改变，而是一条跨越多层调控的DNA→RNA→异构体→ORF 重塑轨迹。

近日，来自日本东北大学的研究团队发表了题为“Long-read multi-omics sequencing reveals DNA-to-RNA evolutionary remodeling trajectories of recurrent astrocytoma ”的预印本论文。该研究依托 PacBio Revio 测序平台，利用配对长读长全基因组（含甲基化组）与全长转录本测序测序，证实复发星形细胞瘤的重塑过程并不仅仅是遗传层面或转录层面的改变，而是一条跨越多层调控的DNA→RNA→异构体→ORF 重塑轨迹。

研究背景

胶质瘤是成人最常见恶性原发性脑肿瘤，也是神经肿瘤领域肿瘤相关发病率与死亡率的主要原因。复发性胶质瘤并非原发肿瘤的简单再生，而是通过遗传、表观遗传、转录、微环境及转录后调控多个层面的时序性重塑演化而来。

短读长 DNA 与 RNA 测序虽可鉴定胶质瘤 / 星形细胞瘤的驱动基因变异、拷贝数状态、突变过程、基因表达与甲基化类别，但针对肿瘤演化过程中的诸多核心分子特征仅能提供碎片化信息，包括复杂结构变异（SV）、定相甲基化状态、长距离单倍型、全长转录异构体、融合转录本及异构体特异性编码效应。因此，既往研究大多将基因组、表观组、转录组、预测蛋白产物变化作为相对独立的层面进行分析。这限制了对复发生物学中一个核心机制问题的探究：哪些基因组和表观遗传改变能够反应在患者匹配的 RNA、异构体、等位基因特异性与预测 ORF /蛋白质命运层面？

长读长测序可弥补短读长技术短板。长读长 DNA 测序能够精准解析短读长数据难以覆盖或判定模糊的结构变异、单倍型、甲基化图谱、重复元件插入与复杂重排；长读长 RNA 测序可捕获全长转录本，可直接表征异构体多样性、可变转录本使用、融合转录本及编码潜力变化，这些信息仅凭短读长测序的剪接位点计数很难推断。

尽管已有大量基于长读长单一组学的肿瘤相关研究，但基于配对长读长 DNA 和 RNA 测序联合分析的多组学体系尚未充分应用。一个尚未解决的关键问题不只是复发胶质瘤是否发生 DNA 与 RNA 层面的改变，更在于这些改变形成连贯 DNA→RNA→ORF 重塑链的发生频率如何。

主要研究内容

本研究对 6 例患者配对的原发与复发星形细胞瘤样本开展配对长读长 DNA 与 RNA 测序，同时采集配对血液样本作为 DNA 分析的生殖系对照。首先利用 HiFi 长读长全基因组测序获得基因组和甲基化组数据，绘制复发星形细胞瘤 DNA 分子图谱，涵盖体细胞变异、染色体重排、拷贝数改变、杂合性缺失以及 DNA 甲基化重塑。随后借助 HiFi 全长转录本测序，解析与复发相关的基因表达、异构体多样性、转录本利用、剪接位点结构以及预测 ORF / 蛋白命运变化。最后整合基因组与转录组数据，阐明基因组与表观基因组重塑如何在配对患者样本的 RNA、异构体、等位基因 / 单倍型特异性以及预测蛋白产物层面体现。分析结果表明：复发星形细胞瘤的重塑效应常常通过异构体与 ORF 层面的改变得以体现，仅依靠基因水平表达分析无法捕捉这类变化；同时本研究构建了一套分母感知（denominator-aware）整合分析框架，用于筛选个体患者中可信度高的 DNA-RNA-ORF 重塑链，该框架表明拷贝数变化提供了广泛的RNA剂量关联，而表达的体细胞变异、等位基因/单倍型特异性转录本使用、甲基化相关的异构体重塑和 SV 则产生了更集中的DNA-RNA-ORF链。

图1. 基于长读长 DNA 与 RNA 测序的纵向队列研究设计

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主要研究结果

1. 长读长全基因组测序揭示复发星形细胞瘤多层基因组重塑

基于PacBio HiFi WGS 绘制了配对原发和复发星形细胞瘤的体细胞 DNA 图谱，并从多个层面进行重塑分析。结果表明，复发性星形细胞瘤在保留核心驱动突变特征的同时，发生广泛的患者特异性重塑，涉及单核苷酸变异/插入缺失（SNV/indel）、拷贝数变异（CNV）、杂合性缺失（LOH）、单倍型失衡、启动子甲基化、SV、局域扩增子结构、重复序列 / 端粒相关基因组背景以及突变过程特征。基因组层面的核心结论并不指向一套通用的肿瘤复发机制，而是呈现高度异质性的重塑图谱。每一例复发肿瘤通过组合不同的基因组与表观基因组途径，形成重塑后的疾病状态。

图2. 长读长 DNA 测序揭示了星形细胞瘤复发过程中多层小变异、拷贝数、等位基因和甲基化重塑。

图3. 长读长 DNA 测序可识别星形细胞瘤复发期间的结构重排、局域扩增子和重复序列相关的基因组重塑。

2. 全长转录本测序揭示了广泛的异构体重塑，此类变化与明显的基因表达变化相独立

基于 PacBio Kinnex 全长转录本测序进一步探究复发肿瘤是否伴随对应的转录组状态改变。分别从基因的表达、差异异构体的表达、配对异构体获得/丢失分析，并采用两种独立统计方法对基因水平的异构体重塑进行全面解析。结果表明，复发星形细胞瘤在多个维度发生转录组重塑。传统基因水平分析仅能检测出与复发相关的基因表达及通路程序改变，而长读长 RNA 测序可揭示更深层次的异构体更替，包括主 / 次异构体重塑、转录本使用复杂度变化，以及具备统计学意义的差异转录本使用（DUT）。这些数据表明，复发相关的 RNA 重塑并非单纯的基因表达丰度波动，而是复发性肿瘤对表达转录本的结构和使用方式进行了重构。

图4. 长读长转录组测序揭示了星形细胞瘤复发过程中基因程序和亚型使用情况的重塑。

3. 异构体重塑与传统测序无法检测的独特的 ORF / 蛋白编码改变相关联

基于 Iso-Seq 全长转录本预测 ORF，通过全局 ORF 类型对比、复发新增 / 丢失的异构体与 ORF 状态的关联、发生主异构体转换的基因的 ORF 变化、DTU 与 ORF 改变的联合分析。结果表明，原发瘤与复发瘤的 ORF 类型组成大体相近，但特异性异构体的新增 / 丢失、主异构体转换以及 DTU 事件，均会造成预测 ORF 类型、无义介导降解（NMD）潜能、移码突变风险及蛋白产物分类的改变。因此，长读长 RNA 测序搭建起仅靠基因水平表达分析无法实现的转录本到ORF的关联桥梁。

图5. 异构体重塑与星形细胞瘤复发过程中预测的ORF及蛋白质输出后果相关联。

4. 分母感知整合框架将DNA重塑与RNA及预测的ORF编码效应联系起来

通过构建了一个分母感知框架（该框架将DNA事件全集与逐级引入转录组筛选条件的子集进行区分），绘制了基于分层统计基数的图谱，阐释复发胶质瘤的 DNA 重塑如何在长读长转录组中得以体现。结果显示：并非每一项 DNA 变异都会引发转录层面改变，也并非每一处转录本改变都能追溯到确切的 DNA 诱因。与之相反，借助长读长整合分析，我们可区分全局 DNA 重塑、可经转录组评估的 DNA 事件、具备广泛 DNA 背景的转录改变，以及由高特异性 DNA–RNA 连锁或 DNA–RNA–ORF连锁构成的严格筛选子集。

图6. 基于分母感知框架整合 DNA 重塑与 RNA 和预测 ORF 效应

5. 基于整合框架实现 DNA - RNA 联合分析

CNV 、表达的体细胞变异（SNV和indel）及突变特征层面分析表明：CNV是 RNA 重塑最广泛、最丰富的途径，但其影响通常与剂量相关，且有时表达变化方向存在不一致性。相比之下，表达的体细胞变异和特征背景突变虽然频率较低，但当突变RNA、异构体特异性ALT表达以及预测的 ORF /蛋白质输出后果能够被证实时，其机制特异性则更强。

图7. CNV 与表达型序列变异将 DNA 重塑与 RNA 及预测 ORF 效应相关联

等位基因特异性表达（ASE）、单倍型分辨的等位特异性转录本使用（ASTU）层面分析表明：复发相关转录本重塑包含等位基因特异性调控层面，仅依靠基因水平表达、总体异构体使用或 ORF 分析无法检出该层面信息。ASE 可识别单个等位基因总转录本占比更高的基因，该现象常伴随 LOH 或等位基因特异性拷贝数失衡发生。ASTU 能够检出等位基因或单倍型标记群组选用不同异构体的基因，这类基因往往不存在可检测的基因水平 ASE。

图8. 等位基因特异性表达与等位基因 / 单倍型特异性转录本使用揭示复发相关 RNA 重塑

差异甲基化区域（DMR）分析表明：复发性星形细胞瘤中的甲基化重塑不仅仅是一种“启动子-表达”现象。一部分 DMR 与异构体结构和预测的编码输出变化相关，尤其当DMR发生在基因体或转录本相关背景时。

SV 层面分析表明：SV 构成了最为明确的局域 DNA - RNA 结构关联之一，部分 SV 事件可进一步引发可预测的ORF / 蛋白命运改变。

图9. DMR 与 SV 将局域非拷贝数变异 DNA 重塑与转录本结构及预测 ORF 效应相关联

靶向生物基因集分析表明：这套 DNA-RNA-ORF 整合分析框架能够筛选出具备生物学解释价值的调控系统，而非仅得到随机的变异事件清单。剪接 / RBP 调控因子与异构体重塑表型直接相关；驱动 / 抑制基因将分析锚定在星形细胞瘤经典生物学通路；免疫 / 抗原 / 干扰素相关基因体现微环境与免疫状态重塑；干性 / 谱系相关基因则建立基因组重塑与细胞可塑性之间的联系。