血漿ChIP-seq的cfDNA組蛋白修飾分析揭示晚期前列腺癌表型異質(zhì)性
近日，美國(guó)國(guó)家癌癥研究所David Y. Takeda和加拿大哥倫比亞大學(xué)Alexander W. Wyatt、Cameron Herberts團(tuán)隊(duì)合作，利用血漿游離細(xì)胞DNA（cell–free DNA，cfDNA）的染色質(zhì)免疫沉淀測(cè)序（cfChIP-seq）技術(shù)研究了晚期轉(zhuǎn)移性前列腺癌的表型和臨床異質(zhì)性。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析cfDNA中的組蛋白修飾，揭示了前列腺癌在不同轉(zhuǎn)移模式和臨床表現(xiàn)中的染色質(zhì)特征，并探討了其作為生物標(biāo)志物和生物發(fā)現(xiàn)工具的潛力。相關(guān)研究成果以《Plasma Cell–Free DNA Chromatin Immunoprecipitation Profiling Depicts Phenotypic and Clinical Heterogeneity in Advanced Prostate Cancer》為題發(fā)表于《Cancer Research》期刊。
標(biāo)題：Plasma Cell–Free DNA Chromatin Immunoprecipitation Profiling Depicts Phenotypic and Clinical Heterogeneity in Advanced Prostate Cancer（血漿cfDNA 染色質(zhì)免疫沉淀分析描述了轉(zhuǎn)移性前列腺癌的表型和臨床異質(zhì)性）
發(fā)表時(shí)間：2025年2月15日
發(fā)表期刊：Cancer Research（癌癥研究）
影響因子：IF16.6/Q1
技術(shù)平臺(tái)：cfChIP-seq
doi: 10.1158/0008-5472.CAN-24-2052
前列腺癌（prostate cancer，PCa）的細(xì)胞表型是臨床表現(xiàn)和治療抵抗的基礎(chǔ)，受表觀基因組特征調(diào)控。然而前列腺癌傾向于向骨骼轉(zhuǎn)移，進(jìn)而抑制獲取轉(zhuǎn)移組織通路，因此此前大多對(duì)前列腺癌染色質(zhì)生物學(xué)理解均來(lái)自無(wú)法完全代表疾病復(fù)雜性的臨床前模型。對(duì)人血漿cfDNA組蛋白修飾的非侵入性染色質(zhì)免疫沉淀或許能夠捕獲不同的前列腺癌表型。本研究分析了具有不同轉(zhuǎn)移模式和多樣的臨床表現(xiàn)的轉(zhuǎn)移性前列腺癌cfDNA中激活型啟動(dòng)子和增強(qiáng)子相關(guān)H3K4me2。分析結(jié)果揭示了前列腺癌基因、開(kāi)放染色質(zhì)以及譜系定義轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)上的H3K4me2密度與循環(huán)腫瘤DNA（circulating tumor DNA, ctDNA）比例高度相關(guān)，這表明捕獲了前列腺癌特異性生物學(xué)特征，并為調(diào)整ctDNA比例（ctDNA fraction，ctDNA%）的統(tǒng)計(jì)框架提供了信息。染色質(zhì)特征與同步檢測(cè)的臨床基因組學(xué)特征相呼應(yīng)：以骨骼為主與以肝臟為主的疾病、血清前列腺特異性抗原（PSA）、活檢確認(rèn)的組織病理學(xué)亞型以及RB1基因缺失共同表明表型沿雄激素受體活性差異和神經(jīng)內(nèi)分泌身份軸的分離。在部分患者中，在系統(tǒng)治療的連續(xù)進(jìn)展后檢測(cè)到譜系轉(zhuǎn)換，表明其可用于個(gè)體化的耐藥監(jiān)測(cè)。在兩名患者的bulk cfDNA中發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)的正常組織破壞的表觀基因組足跡（Epigenomic footprints）。研究最后利用一種尚未在前列腺癌中廣泛研究的特異性染色質(zhì)標(biāo)記，生成了一個(gè)公共表觀基因組資源。這些結(jié)果為侵襲性前列腺癌的適應(yīng)性分子譜提供了見(jiàn)解，并支持將血漿cfDNA染色質(zhì)分析作為生物標(biāo)志物來(lái)源和生物學(xué)發(fā)現(xiàn)工具。
易小結(jié)
先前已有研究開(kāi)發(fā)了一種基于cfDNA片段組學(xué)的分析方法，用于推斷組蛋白修飾水平（詳見(jiàn)→PNAS：cfChIP-seq揭示cfDNA片段化模式與組蛋白修飾的相關(guān)性 助力液體活檢新突破）。
本研究提供了一種非侵入性的方法來(lái)分析轉(zhuǎn)移性前列腺癌的表觀遺傳特征，能夠揭示不同轉(zhuǎn)移模式和臨床表現(xiàn)之間的生物學(xué)差異。這種方法不僅能夠?yàn)榍傲邢侔┑纳飿?biāo)志物發(fā)現(xiàn)提供新的工具，還可能幫助臨床醫(yī)生更好地理解前列腺癌的異質(zhì)性，從而優(yōu)化治療策略。此外，cfChIP-seq技術(shù)的應(yīng)用不僅限于前列腺癌，還可能擴(kuò)展到其他類(lèi)型的癌癥研究中，為癌癥的早期診斷和個(gè)性化治療提供支持。
研究方法
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)46名個(gè)體的71份血漿樣本和7份白細(xì)胞樣本進(jìn)行cfChIP-seq分析，結(jié)合影像學(xué)、臨床和基因組學(xué)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地研究了轉(zhuǎn)移性前列腺癌的表觀遺傳特征。
樣本收集與處理：34名轉(zhuǎn)移性前列腺癌（metastatic prostate cancer, mPCa）患者、5名轉(zhuǎn)移性膀胱癌患者和7名健康對(duì)照者。在治療前和治療過(guò)程中收集血漿樣本和白細(xì)胞樣本，分別提取白細(xì)胞DNA（WBC DNA）和cfDNA。
目標(biāo)捕獲和測(cè)序：進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域捕獲，覆蓋77個(gè)前列腺癌相關(guān)基因的編碼區(qū)域。使用Illumina平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序，分析cfDNA的基因組特征。
cfChIP-seq實(shí)驗(yàn)：使用H3K4me2抗體進(jìn)行cfChIP-seq實(shí)驗(yàn)，以捕獲激活的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子相關(guān)信號(hào)。
結(jié)果圖形
（1）晚期轉(zhuǎn)移性前列腺癌的cfDNA基因組和組蛋白修飾分析
研究團(tuán)隊(duì)分析了71份血漿樣本和7份白細(xì)胞樣本，涵蓋了34名轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者、5名轉(zhuǎn)移性膀胱癌患者和7名健康對(duì)照者。通過(guò)cfChIP-seq技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了cfDNA中與激活的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子相關(guān)的H3K4me2組蛋白修飾。cfChIP-seq分析結(jié)果表明，前列腺癌基因（如HOXB13、FOXA1、KLK3和FOLH1）在ctDNA陽(yáng)性樣本中的H3K4me2密度顯著高于ctDNA陰性樣本，而血液特異性基因（如CST7）則相反。研究還發(fā)現(xiàn)，ctDNA%與H3K4me2密度在前列腺癌基因中的相關(guān)性較強(qiáng)，表明cfChIP-seq能夠捕獲前列腺癌特異性的生物學(xué)特征。
圖 1：晚期前列腺癌患者的血漿 cfChIP-seq 及其全面的臨床基因組學(xué)注釋。
(A) 研究隊(duì)列特征（左側(cè)）和多組學(xué)測(cè)序策略（右側(cè)）。
(B) 前列腺癌的ctDNA基因型以及部分與時(shí)間匹配的臨床特征和既往治療暴露情況。
(C) 每個(gè)樣本（按行）的AR基因和增強(qiáng)子的分段拷貝數(shù)分析。對(duì)配體結(jié)合域（LBD）突變、結(jié)構(gòu)變異以及基因和增強(qiáng)子的拷貝數(shù)狀態(tài)進(jìn)行注釋。
(D) 通過(guò)多模式血漿cfChIP-seq檢測(cè)到的AR鄰域組蛋白修飾密度。與膀胱癌患者樣本和ctDNA陰性對(duì)照樣本相比，代表性的轉(zhuǎn)移性去勢(shì)抵抗性前列腺癌（mCRPC）患者和LNCaP（前列腺癌細(xì)胞系）樣本富含激活標(biāo)記物。
(E) 所有蛋白編碼基因體的cfChIP-seq片段數(shù)匯總，涵蓋了所有mCRPC cfDNA樣本（n=58）和分析的組蛋白后翻譯修飾標(biāo)記。
(F) 在ctDNA陰性樣本中，全血RNA表達(dá)與TSS組蛋白標(biāo)記計(jì)數(shù)（TSS周?chē)?plusmn;500bp區(qū)域內(nèi)）呈相關(guān)性。
（2）cfDNA組蛋白修飾提示前列腺癌特異性生物學(xué)特征
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討了cfChIP-seq是否能夠區(qū)分前列腺癌與其他癌癥類(lèi)型的生物學(xué)差異。通過(guò)分析18種不同癌癥類(lèi)型的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)ctDNA陽(yáng)性前列腺癌樣本在前列腺癌特異性開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域的H3K4me2強(qiáng)度顯著高于其他癌癥類(lèi)型。這一結(jié)果表明，cfChIP-seq能夠揭示前列腺癌的特異性表觀遺傳特征，即使在存在多種癌癥類(lèi)型信號(hào)的情況下，也能準(zhǔn)確識(shí)別前列腺癌信號(hào)。
(B-G) H3K4me2片段數(shù)與部分ctDNA%的個(gè)體線(xiàn)性模型示例（每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)cfDNA樣本）。相鄰的圖匯總了這些按因子劃分的線(xiàn)性模型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，17487個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）(C)、8071個(gè)genebodys（每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)基因）(E)以及458個(gè)轉(zhuǎn)錄因子（TF）的已發(fā)表結(jié)合位點(diǎn)（每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)TF）(G)；C、E、G中的x軸值表示從每個(gè)按因子劃分的線(xiàn)性模型擬合中推斷出的純ctDNA和純正常cfDNA片段數(shù)的對(duì)數(shù)比率。 (B) 在CST7 TSS ±2kb區(qū)域內(nèi)H3K4me2片段數(shù)。(D) HOXB13 genebody的H3K4me2片段數(shù)。(F) 在FOXA1 TF結(jié)合位點(diǎn)±2kb區(qū)域內(nèi)（n=37386）的平均H3K4me2片段數(shù)。在C和E中，使用顏色表示按mCRPC與全血表達(dá)比值排名的前20%和后20%的基因。G中不同的已發(fā)表TF ChIP-seq實(shí)驗(yàn)用顏色區(qū)分。
(H) 樣本ctDNA%與全基因組共有peaks的H3K4me2片段數(shù)的第一和第二主成分強(qiáng)相關(guān)。
(I) 在特定于不同癌癥的18組開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域中，平均空間H3K4me2富集分布，在mPCa患者和膀胱癌患者中可視化。在mPCa樣本中，最顯著富集出現(xiàn)在前列腺癌軌跡中，而在膀胱癌樣本中，主要富集出現(xiàn)在膀胱癌軌跡中。
(J) 與任何其他癌癥類(lèi)型相比，前列腺癌和膀胱癌cfDNA在前列腺和膀胱特異性開(kāi)放染色質(zhì)中具有更高的H3K4me2片段數(shù)。
(K) 特定18種癌癥譜系的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域中空間H3K4me2密度，結(jié)腸癌和前列腺癌中表現(xiàn)出顯著信號(hào)。
(L) CT成像顯示局部復(fù)發(fā)前列腺癌直接侵犯鄰近的直腸腔。
（3）血漿cfChIP-seq揭示臨床亞組之間的生物學(xué)差異
研究團(tuán)隊(duì)利用cfChIP-seq技術(shù)分析了不同臨床亞組之間的生物學(xué)差異，包括不同轉(zhuǎn)移模式（如骨轉(zhuǎn)移與肝轉(zhuǎn)移）、血清PSA水平、組織學(xué)亞型和RB1基因缺失等。結(jié)果顯示，具有高肝臟病變負(fù)荷的患者表現(xiàn)出與神經(jīng)內(nèi)分泌前列腺癌（NEPC）相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子（如EZH2、NANOG和POU5F1）的顯著富集，而具有高骨轉(zhuǎn)移負(fù)荷的患者則表現(xiàn)出與雄激素依賴(lài)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子（如KLK3、AR和FOXA1）的富集。這些發(fā)現(xiàn)表明，cfChIP-seq技術(shù)能夠揭示不同臨床亞組之間的生物學(xué)差異，為前列腺癌的個(gè)性化治療提供了潛在的生物標(biāo)志物。
(B) 比較cfDNA樣本中片段數(shù)的火山圖，這些樣本來(lái)自同時(shí)具有高負(fù)荷和低負(fù)荷肝臟（左側(cè)）或骨骼（右側(cè)）轉(zhuǎn)移的患者，重點(diǎn)關(guān)注458個(gè)TF的結(jié)合位點(diǎn)（每點(diǎn)代表一個(gè)TF，B和D顯著異常值已突出顯示）。
(C) 在6個(gè)分類(lèi)比較中展示8個(gè)差異富集程度最高的TF的對(duì)數(shù)比率和F檢驗(yàn)p值前5和后5的TF。左側(cè)顯示每個(gè)臨床基因組學(xué)類(lèi)別中的樣本數(shù)量以及類(lèi)別之間的重疊情況（僅包括ctDNA比例>10%的樣本）。
(D) KLK3轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）的H3K4me2片段數(shù)、局部ctDNA%以及時(shí)間匹配的血清PSA水平之間存在強(qiáng)相關(guān)性。
(E) 膀胱癌和前列腺癌genebody的H3K4me2片段數(shù)。火山圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)前列腺癌和膀胱癌之間基因表達(dá)比值的前20%和后20%進(jìn)行顏色編碼。
(F) 按臨床亞組和樣本ctDNA%分層的mPCa患者中，NEPC（神經(jīng)內(nèi)分泌前列腺癌）和AR（雄激素受體）相關(guān)motif的富集情況。
(G) AR特異性和NEPC特異性TF motif富集與PSA水平呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。
(H) 在ctDNA陽(yáng)性mPCa中，AR和NEPC-TF motif富集之間存在負(fù)相關(guān)。
(I) 在前列腺腺癌患者中，開(kāi)放的前列腺癌染色質(zhì)區(qū)域內(nèi)的平均H3K4me2信號(hào)高于NEPC。
A-I部分僅展示每名患者中ctDNA%最高的樣本。
(B) 左側(cè)：P14患者治療史、影像學(xué)檢查及組織病理學(xué)結(jié)果。多西他賽前的CT影像顯示廣泛的轉(zhuǎn)移性疾病，包括肺部（紅色箭頭）和盆腔（粉色）病灶。臨床惡化與多發(fā)新腦轉(zhuǎn)移（藍(lán)色）的出現(xiàn)同時(shí)發(fā)生。轉(zhuǎn)移性肩胛骨活檢的H&E染色顯示低分化惡性腫瘤，伴有廣泛腫瘤壞死，與55個(gè)月前取樣的原發(fā)性前列腺腺癌活檢無(wú)相似之處。右上角：比較多西他賽前和治療中cfDNA樣本的H3K4me2 cfChIP-seq和全基因組拷貝數(shù)圖。雷達(dá)圖顯示TF motif富集的-log(p)值。折線(xiàn)圖顯示特定于不同癌癥類(lèi)型的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域中H3K4me2的空間分布。右下角：P14的兩個(gè)cfDNA樣本的全基因組拷貝數(shù)圖譜。VAF散點(diǎn)圖比較第二份cfDNA樣本與黑色素瘤原位活檢和第一份cfDNA樣本。在三個(gè)樣本中檢出的所有突變均已顯示。
縮寫(xiě)：ADT，雄激素剝奪治療；NTD，（AR）N端結(jié)構(gòu)域；PSA，前列腺特異性抗原；CT，計(jì)算機(jī)斷層掃描；H&E，蘇木精-伊紅；lpWGS，低深度全基因組測(cè)序。
討論和啟示
本研究通過(guò)cfChIP-seq技術(shù)揭示了晚期前列腺癌的表觀遺傳特征，并展示了其在不同臨床亞組之間的差異。研究結(jié)果表明，cfChIP-seq技術(shù)能夠捕獲前列腺癌特異性的生物學(xué)特征，并可能用于監(jiān)測(cè)治療反應(yīng)和疾病進(jìn)展。此外，cfChIP-seq技術(shù)還能夠揭示其他潛在的病理信息，如并發(fā)的非前列腺癌惡性腫瘤。研究也存在一些局限性，例如樣本量較小，且主要關(guān)注高ctDNA%的樣本，可能限制對(duì)低ctDNA%樣本的分析能力。未來(lái)研究需要進(jìn)一步驗(yàn)證cfChIP-seq技術(shù)在更大樣本量和更多癌癥類(lèi)型中的應(yīng)用潛力。
本研究證明了cfChIP-seq技術(shù)作為一種非侵入性工具在晚期前列腺癌研究中的潛力。通過(guò)分析cfDNA中的組蛋白修飾，研究團(tuán)隊(duì)能夠揭示前列腺癌的表型和臨床異質(zhì)性，并為生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)和個(gè)性化治療提供了新的視角。cfChIP-seq技術(shù)的應(yīng)用不僅限于前列腺癌，還可能擴(kuò)展到其他類(lèi)型的癌癥研究中，為癌癥的早期診斷和治療監(jiān)測(cè)提供支持。
參考文獻(xiàn)：
Joonatan Sipola, et al; Plasma Cell–Free DNA Chromatin Immunoprecipitation Profiling Depicts Phenotypic and Clinical Heterogeneity in Advanced Prostate Cancer. Cancer Res 15 February 2025; 85 (4): 791–807. https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-24-2052
標(biāo)題：Plasma Cell–Free DNA Chromatin Immunoprecipitation Profiling Depicts Phenotypic and Clinical Heterogeneity in Advanced Prostate Cancer（血漿cfDNA 染色質(zhì)免疫沉淀分析描述了轉(zhuǎn)移性前列腺癌的表型和臨床異質(zhì)性）
發(fā)表時(shí)間：2025年2月15日
發(fā)表期刊：Cancer Research（癌癥研究）
影響因子：IF16.6/Q1
技術(shù)平臺(tái)：cfChIP-seq
doi: 10.1158/0008-5472.CAN-24-2052
前列腺癌（prostate cancer，PCa）的細(xì)胞表型是臨床表現(xiàn)和治療抵抗的基礎(chǔ)，受表觀基因組特征調(diào)控。然而前列腺癌傾向于向骨骼轉(zhuǎn)移，進(jìn)而抑制獲取轉(zhuǎn)移組織通路，因此此前大多對(duì)前列腺癌染色質(zhì)生物學(xué)理解均來(lái)自無(wú)法完全代表疾病復(fù)雜性的臨床前模型。對(duì)人血漿cfDNA組蛋白修飾的非侵入性染色質(zhì)免疫沉淀或許能夠捕獲不同的前列腺癌表型。本研究分析了具有不同轉(zhuǎn)移模式和多樣的臨床表現(xiàn)的轉(zhuǎn)移性前列腺癌cfDNA中激活型啟動(dòng)子和增強(qiáng)子相關(guān)H3K4me2。分析結(jié)果揭示了前列腺癌基因、開(kāi)放染色質(zhì)以及譜系定義轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)上的H3K4me2密度與循環(huán)腫瘤DNA（circulating tumor DNA, ctDNA）比例高度相關(guān)，這表明捕獲了前列腺癌特異性生物學(xué)特征，并為調(diào)整ctDNA比例（ctDNA fraction，ctDNA%）的統(tǒng)計(jì)框架提供了信息。染色質(zhì)特征與同步檢測(cè)的臨床基因組學(xué)特征相呼應(yīng)：以骨骼為主與以肝臟為主的疾病、血清前列腺特異性抗原（PSA）、活檢確認(rèn)的組織病理學(xué)亞型以及RB1基因缺失共同表明表型沿雄激素受體活性差異和神經(jīng)內(nèi)分泌身份軸的分離。在部分患者中，在系統(tǒng)治療的連續(xù)進(jìn)展后檢測(cè)到譜系轉(zhuǎn)換，表明其可用于個(gè)體化的耐藥監(jiān)測(cè)。在兩名患者的bulk cfDNA中發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)的正常組織破壞的表觀基因組足跡（Epigenomic footprints）。研究最后利用一種尚未在前列腺癌中廣泛研究的特異性染色質(zhì)標(biāo)記，生成了一個(gè)公共表觀基因組資源。這些結(jié)果為侵襲性前列腺癌的適應(yīng)性分子譜提供了見(jiàn)解，并支持將血漿cfDNA染色質(zhì)分析作為生物標(biāo)志物來(lái)源和生物學(xué)發(fā)現(xiàn)工具。
易小結(jié)
先前已有研究開(kāi)發(fā)了一種基于cfDNA片段組學(xué)的分析方法，用于推斷組蛋白修飾水平（詳見(jiàn)→PNAS：cfChIP-seq揭示cfDNA片段化模式與組蛋白修飾的相關(guān)性 助力液體活檢新突破）。
本研究提供了一種非侵入性的方法來(lái)分析轉(zhuǎn)移性前列腺癌的表觀遺傳特征，能夠揭示不同轉(zhuǎn)移模式和臨床表現(xiàn)之間的生物學(xué)差異。這種方法不僅能夠?yàn)榍傲邢侔┑纳飿?biāo)志物發(fā)現(xiàn)提供新的工具，還可能幫助臨床醫(yī)生更好地理解前列腺癌的異質(zhì)性，從而優(yōu)化治療策略。此外，cfChIP-seq技術(shù)的應(yīng)用不僅限于前列腺癌，還可能擴(kuò)展到其他類(lèi)型的癌癥研究中，為癌癥的早期診斷和個(gè)性化治療提供支持。
研究方法
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)46名個(gè)體的71份血漿樣本和7份白細(xì)胞樣本進(jìn)行cfChIP-seq分析，結(jié)合影像學(xué)、臨床和基因組學(xué)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地研究了轉(zhuǎn)移性前列腺癌的表觀遺傳特征。
樣本收集與處理：34名轉(zhuǎn)移性前列腺癌（metastatic prostate cancer, mPCa）患者、5名轉(zhuǎn)移性膀胱癌患者和7名健康對(duì)照者。在治療前和治療過(guò)程中收集血漿樣本和白細(xì)胞樣本，分別提取白細(xì)胞DNA（WBC DNA）和cfDNA。
目標(biāo)捕獲和測(cè)序：進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域捕獲，覆蓋77個(gè)前列腺癌相關(guān)基因的編碼區(qū)域。使用Illumina平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序，分析cfDNA的基因組特征。
cfChIP-seq實(shí)驗(yàn)：使用H3K4me2抗體進(jìn)行cfChIP-seq實(shí)驗(yàn)，以捕獲激活的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子相關(guān)信號(hào)。
結(jié)果圖形
（1）晚期轉(zhuǎn)移性前列腺癌的cfDNA基因組和組蛋白修飾分析
研究團(tuán)隊(duì)分析了71份血漿樣本和7份白細(xì)胞樣本，涵蓋了34名轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者、5名轉(zhuǎn)移性膀胱癌患者和7名健康對(duì)照者。通過(guò)cfChIP-seq技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了cfDNA中與激活的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子相關(guān)的H3K4me2組蛋白修飾。cfChIP-seq分析結(jié)果表明，前列腺癌基因（如HOXB13、FOXA1、KLK3和FOLH1）在ctDNA陽(yáng)性樣本中的H3K4me2密度顯著高于ctDNA陰性樣本，而血液特異性基因（如CST7）則相反。研究還發(fā)現(xiàn)，ctDNA%與H3K4me2密度在前列腺癌基因中的相關(guān)性較強(qiáng)，表明cfChIP-seq能夠捕獲前列腺癌特異性的生物學(xué)特征。
圖 1：晚期前列腺癌患者的血漿 cfChIP-seq 及其全面的臨床基因組學(xué)注釋。
(B) 前列腺癌的ctDNA基因型以及部分與時(shí)間匹配的臨床特征和既往治療暴露情況。
(C) 每個(gè)樣本（按行）的AR基因和增強(qiáng)子的分段拷貝數(shù)分析。對(duì)配體結(jié)合域（LBD）突變、結(jié)構(gòu)變異以及基因和增強(qiáng)子的拷貝數(shù)狀態(tài)進(jìn)行注釋。
(D) 通過(guò)多模式血漿cfChIP-seq檢測(cè)到的AR鄰域組蛋白修飾密度。與膀胱癌患者樣本和ctDNA陰性對(duì)照樣本相比，代表性的轉(zhuǎn)移性去勢(shì)抵抗性前列腺癌（mCRPC）患者和LNCaP（前列腺癌細(xì)胞系）樣本富含激活標(biāo)記物。
(E) 所有蛋白編碼基因體的cfChIP-seq片段數(shù)匯總，涵蓋了所有mCRPC cfDNA樣本（n=58）和分析的組蛋白后翻譯修飾標(biāo)記。
(F) 在ctDNA陰性樣本中，全血RNA表達(dá)與TSS組蛋白標(biāo)記計(jì)數(shù)（TSS周?chē)?plusmn;500bp區(qū)域內(nèi)）呈相關(guān)性。
（2）cfDNA組蛋白修飾提示前列腺癌特異性生物學(xué)特征
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討了cfChIP-seq是否能夠區(qū)分前列腺癌與其他癌癥類(lèi)型的生物學(xué)差異。通過(guò)分析18種不同癌癥類(lèi)型的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)ctDNA陽(yáng)性前列腺癌樣本在前列腺癌特異性開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域的H3K4me2強(qiáng)度顯著高于其他癌癥類(lèi)型。這一結(jié)果表明，cfChIP-seq能夠揭示前列腺癌的特異性表觀遺傳特征，即使在存在多種癌癥類(lèi)型信號(hào)的情況下，也能準(zhǔn)確識(shí)別前列腺癌信號(hào)。
圖 2：構(gòu)成bulk cfDNA的癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的表觀基因組足跡。
(A) 在cfDNA和白細(xì)胞（WBC）DNA樣本中，4個(gè)譜系特異性基因區(qū)域的H3K4me2片段數(shù)。樣本（按行排列）根據(jù)局部ctDNA%進(jìn)行排序。(B-G) H3K4me2片段數(shù)與部分ctDNA%的個(gè)體線(xiàn)性模型示例（每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)cfDNA樣本）。相鄰的圖匯總了這些按因子劃分的線(xiàn)性模型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，17487個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）(C)、8071個(gè)genebodys（每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)基因）(E)以及458個(gè)轉(zhuǎn)錄因子（TF）的已發(fā)表結(jié)合位點(diǎn)（每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)TF）(G)；C、E、G中的x軸值表示從每個(gè)按因子劃分的線(xiàn)性模型擬合中推斷出的純ctDNA和純正常cfDNA片段數(shù)的對(duì)數(shù)比率。 (B) 在CST7 TSS ±2kb區(qū)域內(nèi)H3K4me2片段數(shù)。(D) HOXB13 genebody的H3K4me2片段數(shù)。(F) 在FOXA1 TF結(jié)合位點(diǎn)±2kb區(qū)域內(nèi)（n=37386）的平均H3K4me2片段數(shù)。在C和E中，使用顏色表示按mCRPC與全血表達(dá)比值排名的前20%和后20%的基因。G中不同的已發(fā)表TF ChIP-seq實(shí)驗(yàn)用顏色區(qū)分。
(H) 樣本ctDNA%與全基因組共有peaks的H3K4me2片段數(shù)的第一和第二主成分強(qiáng)相關(guān)。
(I) 在特定于不同癌癥的18組開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域中，平均空間H3K4me2富集分布，在mPCa患者和膀胱癌患者中可視化。在mPCa樣本中，最顯著富集出現(xiàn)在前列腺癌軌跡中，而在膀胱癌樣本中，主要富集出現(xiàn)在膀胱癌軌跡中。
(J) 與任何其他癌癥類(lèi)型相比，前列腺癌和膀胱癌cfDNA在前列腺和膀胱特異性開(kāi)放染色質(zhì)中具有更高的H3K4me2片段數(shù)。
(K) 特定18種癌癥譜系的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域中空間H3K4me2密度，結(jié)腸癌和前列腺癌中表現(xiàn)出顯著信號(hào)。
(L) CT成像顯示局部復(fù)發(fā)前列腺癌直接侵犯鄰近的直腸腔。
（3）血漿cfChIP-seq揭示臨床亞組之間的生物學(xué)差異
研究團(tuán)隊(duì)利用cfChIP-seq技術(shù)分析了不同臨床亞組之間的生物學(xué)差異，包括不同轉(zhuǎn)移模式（如骨轉(zhuǎn)移與肝轉(zhuǎn)移）、血清PSA水平、組織學(xué)亞型和RB1基因缺失等。結(jié)果顯示，具有高肝臟病變負(fù)荷的患者表現(xiàn)出與神經(jīng)內(nèi)分泌前列腺癌（NEPC）相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子（如EZH2、NANOG和POU5F1）的顯著富集，而具有高骨轉(zhuǎn)移負(fù)荷的患者則表現(xiàn)出與雄激素依賴(lài)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子（如KLK3、AR和FOXA1）的富集。這些發(fā)現(xiàn)表明，cfChIP-seq技術(shù)能夠揭示不同臨床亞組之間的生物學(xué)差異，為前列腺癌的個(gè)性化治療提供了潛在的生物標(biāo)志物。
圖 3. 按臨床特征分層的轉(zhuǎn)移性前列腺癌的表觀基因組相關(guān)性。
(A) AR（n=3223）和NANOG（n=11611）轉(zhuǎn)錄因子（TF）結(jié)合位點(diǎn)的平均H3K4me2片段數(shù)與平均局部ctDNA%比較分析。(B) 比較cfDNA樣本中片段數(shù)的火山圖，這些樣本來(lái)自同時(shí)具有高負(fù)荷和低負(fù)荷肝臟（左側(cè)）或骨骼（右側(cè)）轉(zhuǎn)移的患者，重點(diǎn)關(guān)注458個(gè)TF的結(jié)合位點(diǎn)（每點(diǎn)代表一個(gè)TF，B和D顯著異常值已突出顯示）。
(C) 在6個(gè)分類(lèi)比較中展示8個(gè)差異富集程度最高的TF的對(duì)數(shù)比率和F檢驗(yàn)p值前5和后5的TF。左側(cè)顯示每個(gè)臨床基因組學(xué)類(lèi)別中的樣本數(shù)量以及類(lèi)別之間的重疊情況（僅包括ctDNA比例>10%的樣本）。
(D) KLK3轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）的H3K4me2片段數(shù)、局部ctDNA%以及時(shí)間匹配的血清PSA水平之間存在強(qiáng)相關(guān)性。
(E) 膀胱癌和前列腺癌genebody的H3K4me2片段數(shù)。火山圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)前列腺癌和膀胱癌之間基因表達(dá)比值的前20%和后20%進(jìn)行顏色編碼。
(F) 按臨床亞組和樣本ctDNA%分層的mPCa患者中，NEPC（神經(jīng)內(nèi)分泌前列腺癌）和AR（雄激素受體）相關(guān)motif的富集情況。
(G) AR特異性和NEPC特異性TF motif富集與PSA水平呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。
(H) 在ctDNA陽(yáng)性mPCa中，AR和NEPC-TF motif富集之間存在負(fù)相關(guān)。
(I) 在前列腺腺癌患者中，開(kāi)放的前列腺癌染色質(zhì)區(qū)域內(nèi)的平均H3K4me2信號(hào)高于NEPC。
A-I部分僅展示每名患者中ctDNA%最高的樣本。
圖 4：通過(guò)時(shí)序血漿 cfChIP-seq 推斷的時(shí)間譜系變異性。
(A) 左側(cè)：P20患者的治療史、PSA時(shí)間線(xiàn)及影像學(xué)檢查結(jié)果。P20是一位76歲的男性，患有對(duì)治療無(wú)效的mCRPC（轉(zhuǎn)移性去勢(shì)抵抗性前列腺癌），在首次采集血漿cfDNA時(shí)存在骨骼和淋巴結(jié)疾病，但無(wú)內(nèi)臟轉(zhuǎn)移。在初始血漿cfDNA采集后的約12-16個(gè)月，經(jīng)過(guò)對(duì)多西他賽和镥-PSMA放射性配體治療產(chǎn)生深度生化反應(yīng)后，他出現(xiàn)嚴(yán)重疾病進(jìn)展，表現(xiàn)為肝臟實(shí)質(zhì)幾乎完全被轉(zhuǎn)移性疾病浸潤(rùn)。隨后采集第二份血漿cfDNA樣本，且在采樣期間進(jìn)行的肝臟活檢證實(shí)出現(xiàn)治療誘導(dǎo)的小細(xì)胞癌（伴有腺癌），免疫組化染色顯示經(jīng)典的神經(jīng)內(nèi)分泌標(biāo)記物嗜鉻粒蛋白和突觸素呈陽(yáng)性，血清PSA水平較低（右側(cè)小提琴圖）。盡管接受了鉑類(lèi)藥物雙聯(lián)化療，但由于多器官功能衰竭，包括惡性梗阻性尿路疾病，他不久后去世。這與預(yù)后指標(biāo)LDH和ALP的異常升高（內(nèi)嵌小提琴圖；點(diǎn)表示患者P20在首次ctDNA采集時(shí)相對(duì)于整個(gè)隊(duì)列分布的臨床標(biāo)志物值）以及多個(gè)不同非前列腺組織譜系中顯著H3K4me2開(kāi)放染色質(zhì)富集相一致。連續(xù)血漿cfChIP-seq比較分析顯示，與NEPC（神經(jīng)內(nèi)分泌前列腺癌）轉(zhuǎn)分化相關(guān)的多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子motif出現(xiàn)富集，尤其在ASCL1中最為顯著，但NeuroD1信號(hào)也有所增加，這與暴發(fā)性肝轉(zhuǎn)移的發(fā)展相吻合。相比之下，在考慮樣本間ctDNA%差異后，cfDNA采集時(shí)間點(diǎn)之間在拷貝數(shù)結(jié)構(gòu)上并無(wú)明顯差異。(B) 左側(cè)：P14患者治療史、影像學(xué)檢查及組織病理學(xué)結(jié)果。多西他賽前的CT影像顯示廣泛的轉(zhuǎn)移性疾病，包括肺部（紅色箭頭）和盆腔（粉色）病灶。臨床惡化與多發(fā)新腦轉(zhuǎn)移（藍(lán)色）的出現(xiàn)同時(shí)發(fā)生。轉(zhuǎn)移性肩胛骨活檢的H&E染色顯示低分化惡性腫瘤，伴有廣泛腫瘤壞死，與55個(gè)月前取樣的原發(fā)性前列腺腺癌活檢無(wú)相似之處。右上角：比較多西他賽前和治療中cfDNA樣本的H3K4me2 cfChIP-seq和全基因組拷貝數(shù)圖。雷達(dá)圖顯示TF motif富集的-log(p)值。折線(xiàn)圖顯示特定于不同癌癥類(lèi)型的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域中H3K4me2的空間分布。右下角：P14的兩個(gè)cfDNA樣本的全基因組拷貝數(shù)圖譜。VAF散點(diǎn)圖比較第二份cfDNA樣本與黑色素瘤原位活檢和第一份cfDNA樣本。在三個(gè)樣本中檢出的所有突變均已顯示。
縮寫(xiě)：ADT，雄激素剝奪治療；NTD，（AR）N端結(jié)構(gòu)域；PSA，前列腺特異性抗原；CT，計(jì)算機(jī)斷層掃描；H&E，蘇木精-伊紅；lpWGS，低深度全基因組測(cè)序。
討論和啟示
本研究通過(guò)cfChIP-seq技術(shù)揭示了晚期前列腺癌的表觀遺傳特征，并展示了其在不同臨床亞組之間的差異。研究結(jié)果表明，cfChIP-seq技術(shù)能夠捕獲前列腺癌特異性的生物學(xué)特征，并可能用于監(jiān)測(cè)治療反應(yīng)和疾病進(jìn)展。此外，cfChIP-seq技術(shù)還能夠揭示其他潛在的病理信息，如并發(fā)的非前列腺癌惡性腫瘤。研究也存在一些局限性，例如樣本量較小，且主要關(guān)注高ctDNA%的樣本，可能限制對(duì)低ctDNA%樣本的分析能力。未來(lái)研究需要進(jìn)一步驗(yàn)證cfChIP-seq技術(shù)在更大樣本量和更多癌癥類(lèi)型中的應(yīng)用潛力。
本研究證明了cfChIP-seq技術(shù)作為一種非侵入性工具在晚期前列腺癌研究中的潛力。通過(guò)分析cfDNA中的組蛋白修飾，研究團(tuán)隊(duì)能夠揭示前列腺癌的表型和臨床異質(zhì)性，并為生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)和個(gè)性化治療提供了新的視角。cfChIP-seq技術(shù)的應(yīng)用不僅限于前列腺癌，還可能擴(kuò)展到其他類(lèi)型的癌癥研究中，為癌癥的早期診斷和治療監(jiān)測(cè)提供支持。
參考文獻(xiàn)：
Joonatan Sipola, et al; Plasma Cell–Free DNA Chromatin Immunoprecipitation Profiling Depicts Phenotypic and Clinical Heterogeneity in Advanced Prostate Cancer. Cancer Res 15 February 2025; 85 (4): 791–807. https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-24-2052
標(biāo)簽：
游離DNA甲基化
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