基于Pore-C技术解析肝细胞癌发生过程中染色质三维基因组结构的阶段性重塑

《Scientific Reports》：Large-scale chromatin topological remodeling accompanies hepatocellular carcinoma progression

　　

摘要

肝细胞癌（HCC）的多步骤肝 carcinogenesis 与染色质拓扑结构的动态变化密切相关。既往研究主要比较肿瘤组织与癌旁正常组织之间的三维（3D）基因组结构，在很大程度上忽视了肝硬化——这一HCC发病中的主要癌前病变和危险因素——的作用。本研究系统地分析了配对肿瘤、肝硬化及癌旁正常组织间的染色质构象变化，以识别肝 carcinogenesis 过程中具有阶段特异性的结构改变。我们利用孔测序染色质构象捕获（Pore-C）技术构建了高分辨率三维基因组图谱，并结合染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）、RNA测序（RNA-seq）和全基因组测序（WGS），探讨HCC发展过程中关键的染色质拓扑重塑事件。在不同组织类型和患者之间，A/B区室、拓扑关联结构域（TADs）和染色质环均发生了显著改变。正常肝脏与肝硬化组织的比较显示，以染色体间相互作用增强为主；肝硬化与HCC组织的比较则显示，以染色体内相互作用升高为主。在正常、肝硬化和HCC三种疾病状态中，我们观察到高度活跃的A区室发生压缩，同时沉默的B区室发生解压缩。总体而言，与癌旁正常组织相比，肝硬化和肿瘤均表现出更高的转录活性区室状态。同一患者内同一组织来源的TAD大小和数量比不同患者间相同组织类型更为保守。TAD边界的增减并不一致。整合H3K27ac分析鉴定出与染色质环形成和增强子激活共同出现的基因组区域。在癌旁正常组织中，CXCL12基因位点维持了明确的染色质环结构，而该结构在肿瘤组织中遭到破坏。相应的RNA-seq分析证实，肿瘤中CXCL12表达显著下调。通过整合Pore-C数据集和中国肝癌图谱（CLCA）中鉴定的结构变异（SVs），我们发现了SV诱导的新环结构，这些新环更易发生转录改变，并可通激活胆碱代谢和磷脂酶D信号通路来促进细胞增殖。比较三种疾病状态发现，肝硬化代表一种中间状态，其染色体相互作用模式相对于正常肝脏和HCC呈逆转特征。尽管经典的A/B区室转变所涉及的基因组区域有限，但我们一致观察到A区室的进行性压缩和B区室的进行性解压缩。与正常组织相比，HCC表现出CXCL12染色质环的破坏和增强子信号的显著减少，并伴随肿瘤组织中CXCL12表达的明显下调。SV诱导的新环是影响基因表达的关键事件，这些基因编码的蛋白高度参与同源重组，并通过特定信号通路驱动细胞增殖。本研究揭示了阶段特异性的染色质结构变化，为理解肝 carcinogenesis 中基因失调的机制提供了新的见解。