《Biochemistry and Cell Biology》：Meeting report: 10th Annual Canadian Conference on Epigenetics
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这是一篇对第十届加拿大表观遗传学、环境与健康研究联盟（CEEHRC）年会的最新研究进展进行的深度综述。文章涵盖了从DNA甲基化与组蛋白修饰等基础机制，到其在癌症（如胶质母细胞瘤、神经内分泌前列腺癌、滑膜肉瘤、急性髓系白血病等）发生、治疗抵抗及胚胎发育中的关键作用，并探讨了环境污染物对表观遗传的影响。报告强调，对表观遗传机制（如DNMTs、TETs、PRC2复合物、BAF复合物等）的基础研究，是理解疾病、开发靶向疗法和推动精准肿瘤学的基石，展现了基础科学与临床转化的紧密联系。
在2024年10月于加拿大安大略省蓝山度假村举行的第十届加拿大表观遗传学、环境与健康研究联盟年会上，来自加拿大及国际的研究人员汇聚一堂，分享了表观遗传学在健康与疾病领域的最新进展。会议聚焦于DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质可及性等表观遗传机制如何调控从胚胎发育到疾病进展乃至治疗抵抗的关键生物学过程，为理解表观遗传驱动的疾病奠定了转化研究的基础。
DNA甲基化与发育
DNA甲基化是一种关键的表观遗传机制，涉及在CpG位点添加甲基基团。这一过程由DNMT3A和DNMT3B从头建立，并由DNMT1与UHRF1协同维持，从而确保生物体一生的表观遗传稳定性。研究表明，缺失DNMT3A或DNMT3B会导致胚胎致死，凸显了其对于胚胎发育的极端重要性。与此同时，TET酶家族（TET1、TET2、TET3）通过氧化5-甲基胞嘧啶（5mC）实现主动去甲基化，防止重新甲基化。在哺乳动物胚胎发生过程中，DNA甲基化被动态调控，DNMT3A和DNMT3B在囊胚分化为外胚层时全局性地建立甲基化模式，随后由UHRF1和DNMT1终生维持这些模式。
哺乳动物生殖系中的DNA甲基化重编程
基因组印记在生长、记忆、学习等过程中扮演着关键角色，其由印记控制区（ICR）的等位基因特异性DNA甲基化调控。在生殖系重编程过程中，ICR在TET去甲基化酶的帮助下经历“晚期波”去甲基化。Marisa Bartolomei博士的研究揭示了TET1在生殖系重编程中的独特作用，表明TET1诱导的5-甲酰基胞嘧啶（5fC）/5-羧基胞嘧啶（5caC），而不仅仅是5-羟甲基胞嘧啶（5hmC），对于正确的ICR去甲基化至关重要。此外，TET1驱动的精子低甲基化区域富集了H3K4me3标记，暗示TET1在精子发生过程中调控了替代转录起始位点。重要的是，ICR的甲基化图谱在精子中持续存在并遗传给后代，这凸显了生殖系重编程紊乱可带来的可遗传影响。这项研究阐明了DNA甲基化调控因子通过建立甲基化标记来调节基因表达和基因组稳定性，保障发育的正常进行，其功能对于确保胚胎发生过程中的转录保真性和谱系定向至关重要。这些知识对于研究癌细胞如何利用类似机制驱动恶性肿瘤，并开发靶向这些通路的新型联合疗法具有重要启示。
DNA甲基化在哺乳动物中的非经典作用
除了在转录沉默中的作用，DNA甲基化还通过与组蛋白修饰和结构蛋白的相互作用来塑造染色质结构，从而调节如Polycomb抑制复合物2（PRC2）等复合物的活性，并影响由CTCF介导的染色质环的形成。高DNA甲基化会限制Polycomb的招募，从而调节PRC2的活性，这在胚胎干细胞中尤为关键。Maxim Greenberg博士的研究表明，利用CRISPR引导的TET1催化结构域可以实现位点特异性的去甲基化，并导致H3K27me3的积累，这凸显了DNA甲基化与Polycomb介导的抑制之间存在动态相互作用。他们的工作强调了DNA甲基化、PRC2和染色质动力学之间复杂的相互作用，为这些机制如何调控胚胎发育和分化提供了新的见解。由于这些表观遗传调控因子在多种癌症中频繁发生改变，理解DNA甲基化与PRC2复合物之间在癌症中是否存在相同的相互作用至关重要，这可能解释为何某些癌症对DNMT或PRC2单药治疗不敏感，并为克服治疗抵抗提供思路。
癌症表观遗传学
胶质母细胞瘤细胞利用正常的少突胶质细胞发育表观遗传调控因子进行脑部浸润
胶质母细胞瘤（GBM）是成人中最常见的原发性脑肿瘤，具有高度的肿瘤内和肿瘤间异质性。GBM细胞可呈现四种主要的转录状态：干细胞样神经祖细胞（NPC）样、少突胶质祖细胞（OPC）样、分化型星形胶质细胞（AC）样和间充质（MES）样状态。表观遗传失调是驱动GBM进展的关键因素。研究表明，GBM的不同细胞状态具有不同的DNA甲基化模式。例如，与OPC样细胞相比，NPC样细胞中的低甲基化差异甲基化区域（DMRs）富集了PRC2靶基因，暗示Polycomb介导的调控在维持干细胞样状态中起作用。研究还发现，侵袭性的瘤周恶性细胞与神经元之间存在直接相互作用，通过谷氨酸和轴突蛋白信号进行通讯。关键的转录因子如ASCL1、ZEB1和TCF家族成员是侵袭性细胞的关键调控因子，这些因子同样在指导未定向的OPC正常发育的转录网络中起作用。破坏这些转录因子可能促进细胞分化并降低侵袭性。针对瘤周恶性细胞或阻断肿瘤-神经元串扰，是潜在的干预GBM侵袭性的治疗策略。
FOXA2与ASCL1协同驱动前列腺癌中的神经元谱系定向
前列腺癌可表现为从雄激素受体（AR）依赖的腺癌到高度侵袭性的AR不依赖性神经内分泌前列腺癌（NEPC）的广泛临床行为。NEPC常作为对AR通路抑制剂的耐药机制出现，其特点是失去AR依赖性并获得神经元谱系标记。向NEPC的转变涉及显著的表观遗传和转录重编程，由关键转录因子驱动，其中神经元谱系决定因子ASCL1是主调控因子。研究揭示了ASCL1的阶段特异性作用：它直接调控包括先锋转录因子FOXA2在内的关键神经元基因的启动子。此外，在终末分化的NEPC中，ASCL1与FOXA2在高度乙酰化的H3K27区域内形成复合物，共同驱动神经元谱系定向并调控包括PROX1在内的一系列前神经元转录因子。在NEPC中敲低PROX1会导致细胞增殖下调、肿瘤生长减少并消除神经元表型，表明它是一个潜在的治疗靶点。这项研究强调了ASCL1-FOXA2-PROX1轴作为潜在治疗途径的重要性，并指出理解阶段特异性脆弱性对于设计精准有效的疗法至关重要。
通过表观基因组分析推进精准肿瘤学
滑膜肉瘤（SyS）是一种主要由SS18:SSX癌融合蛋白驱动的软组织恶性肿瘤。该融合蛋白整合到BAF复合物（即SWI/SNF染色质重塑复合物）中，改变了其亚基组成和功能，导致增强子激活异常，特别是可能异常激活Polycomb群基因，从而促进肿瘤发生。SyS细胞表现出独特的以H3K4me1和H3K27ac等活跃增强子相关组蛋白修饰为特征的表观基因组状态。这些增强子的激活驱动了促成SyS间充质表型的基因转录。在急性髓系白血病（AML）中，表观遗传修饰因子（如粘连蛋白、DNMT3A、PRC和MLL复合物）的突变频繁发生，表明AML是表观遗传驱动的。了解遗传突变与表观遗传修饰之间复杂的相互作用，对于开发更有效的个性化疗法至关重要。针对BAF复合物或活性增强子（如使用HDAC抑制剂）在SyS、白血病以及其他增强子驱动的恶性肿瘤中具有治疗潜力。
表观遗传调控
癌症中转座元件的表观遗传失调
AML的一个显著特征是某些转座元件（TEs）的激活，特别是长末端重复序列（LTRs）。TEs通常被DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传机制沉默，但在AML中，它们可以重新激活并作为致癌基因、肿瘤抑制因子或免疫原剂促进肿瘤发生。在AML中，TEs位于具有活性组蛋白修饰（如H3K27ac和H3K4me1）标记的可及性活跃增强子区域内。敲除LTR或沉默增强子会导致其相关基因表达和细胞增殖的下调。在AML中研究最深入的突变之一是DNMT3A-R882H，它导致特定基因座失去甲基化并激活TEs。这种表观遗传失调可导致涉及病毒样DNA或RNA检测的基因表达，激活免疫反应。值得注意的是，DNMT抑制剂和HDAC抑制剂的联合疗法在通过进一步激活TEs来增强这种免疫反应方面显示出前景，且DNMT3A突变型AML肿瘤比野生型对这种联合疗法更敏感。这项工作强调了表观遗传改变作为表观遗传驱动疾病（如AML）的潜在治疗途径。
胚胎发育过程中的染色体“特技”
染色体组织是一个复杂的过程，涉及染色质在细胞核内通过核小体、环、结构域、区室和疆域等不同尺度的动态重构。利用空间基因组学技术，特别是通过多重连续荧光原位杂交进行染色体追踪，可以在原位绘制染色体的三维轨迹，从而在单分子分辨率下可视化染色体疆域和结构域-结构域相互作用。特定构象与谱系定向和转录状态相关，表明染色质结构在调节细胞身份中具有重要作用。理解这些构象变化为研究染色质动力学如何促进发育以及它们的破坏如何驱动疾病提供了一个框架。
转录组生物监测：环境污染物对野生动物的表观遗传影响
研究探讨了环境污染物对淡水生态系统中野生动物的表观遗传影响，重点关注稀释沥青泄漏对加拿大湖泊中原生林蛙蝌蚪的影响。利用转录组生物监测追踪修复结果发现，暴露于稀释沥青并进行各种修复技术处理的变态期蝌蚪，其转录组发生了广泛紊乱，暗示存在表观遗传失调。这种紊乱的转录包括染色质调控相关基因的表达改变。由于变态高峰期类似于哺乳动物的围产期发育，这些发现表明，在关键发育窗口期暴露于污染物可能诱发具有长期后果的表观遗传失调。这项工作凸显了“一体化健康”框架的相关性，该框架强调人类、动物和生态系统健康之间的相互关联。
结论
会议报告和海报涵盖了DNA甲基化动力学、组蛋白修饰、染色质调控、癌症表观遗传学和TE再激活等多个主题。DNA甲基化在健康和疾病中的核心作用贯穿始终，DNMTs和TETs在调控胚胎发生和沉默TEs中的关键角色得到强调。DNA甲基化与PRC2在胚胎发生和癌症进展中的相互作用，反映了这些表观遗传改变在共同塑造表观基因组中的重要性。此外，研究揭示了胶质母细胞瘤和NEPC等疾病中肿瘤异质性背后的表观遗传可塑性，为了解这些复杂恶性肿瘤的驱动机制提供了关键见解。基因组改变如何导致染色质重塑和增强子活性，以及活性增强子在多种癌症中的作用也得到了充分展示。基础表观遗传学科学与疾病特异性应用之间的动态相互作用，突显了这些领域的相互关联性，共同推动我们对正常和异常过程的认识。
