综述：循环DNA去甲基化产生的胞嘧啶分析物作为新兴的生物标志物

《Gene》：Circulating DNA demethylation–derived cytosine analytes as emerging biomarkers

Jing Qu|Yi-Ming Liu

美国密西西比州杰克逊市杰克逊州立大学化学、物理与大气科学系

摘要

哺乳动物中的DNA甲基化和去甲基化是调控基因表达和细胞功能的关键表观遗传过程。最新研究表明，DNA去甲基化的产物（如5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）会被排入体液中，这突显了它们作为循环分子生物标志物的潜力。在这篇综述中，我们重点关注在DNA去甲基化过程中产生的胞嘧啶衍生物，统称为循环胞嘧啶分析物，无论它们是以与DNA结合的形式（例如在cfDNA上）还是以游离分子的形式存在于生物流体中。我们总结了这些分析物的生物学起源，并讨论了它们在疾病诊断和治疗评估中的潜在临床意义。具体来说，我们探讨了这些排出的去甲基化中间体在癌症检测、神经系统疾病和治疗监测中的新兴应用，以及当前的技术挑战和未来的研究方向。此外，该综述还涵盖了检测表观遗传修饰的现有方法，包括高通量测序和质谱技术，同时强调了它们的局限性和最近的技术进展。这一领域的进展有可能通过提供关于表观遗传调控及其临床意义的见解来推动精准医学的发展。图1展示了循环胞嘧啶修饰分析物及其在表观遗传调控和精准医学中的作用的示意图。

引言

表观遗传修饰，例如组蛋白修饰、DNA甲基化和非编码RNA调控，在基因表达控制和维持细胞身份与功能方面起着关键作用（Portela和Esteller，2010；Singh等人，2025）。这些修饰作为调节染色质结构以及DNA对转录机制可及性的关键机制，从而控制基因活性。首先，DNA甲基化通常发生在CpG二核苷酸的胞嘧啶残基上，是一种众所周知的抑制性修饰，它通过阻止转录因子的结合或招募抑制性蛋白复合物来抑制基因转录（Vega-Benedetti等人，2023；Yin等人，2024）。此外，组蛋白修饰（如乙酰化、甲基化和磷酸化）调节染色质的紧凑性，并与基因激活或抑制相关（Wu等人，2024；Chen等人，2024；Shi等人，2024；Zhao等人，2023）。此外，非编码RNA，特别是microRNA（miRNA）和长非编码RNA（lncRNA），通过多种机制（尤其是涉及mRNA降解或染色质重塑的转录后机制）对基因表达施加调控作用（Wang等人，2024）。总体而言，表观遗传修饰构成了一个协调且动态的调控网络，对于细胞分化、发育和对环境刺激的反应等过程至关重要。它们的失调已被证实与多种疾病有关，包括癌症、神经系统疾病和心血管疾病，这突显了阐明表观遗传调控在生理和病理背景下的复杂作用的重要性（Castro-Mu?oz等人，2023；Rastegar，2024；Gharipour等人，2021）。

尽管在理解表观遗传修饰方面取得了显著进展，但许多挑战阻碍了对其的全面研究和有效临床应用。表观基因组的动态性和依赖性是表观遗传学研究中的主要障碍之一，它在不同细胞类型、发育阶段和环境暴露下表现出显著差异（Oladipo等人，2024）。这种变异性使得建立诊断稳定且普遍适用的表观遗传标志物变得复杂。另一个问题是，现有的检测表观遗传修饰的技术（如高通量测序和亚硫酸氢盐测序）通常需要侵入性组织采样和大量的生物材料。另一种方法是从体液中分离DNA来获取表观遗传信息。传统上，血液被认为是方便且侵入性最小的遗传物质来源。然而，最近的研究表明，尽管血液具有稳定性和易于采集的特点，但它为某些表观遗传分析提供的高质量DNA产量相对有限。外周血液中唯一的有核细胞是白细胞和网织红细胞，这限制了可用的DNA量并降低了制备效率。此外，血液样本中的小凝块也可能进一步减少DNA产量，因为白细胞可能会被困在凝块中，从而减少可提取的DNA量（Leighl等人，2019；Han等人，2018；Siuta等人，2023）。这些限制使得检测微妙且低丰度的表观遗传变化变得具有挑战性，尤其是在疾病早期阶段。此外，基因组数据的解释本身就很复杂，需要先进的生物信息学工具和专业知识，而测序的高成本仍然是广泛应用的障碍（Field，2022）。尽管表观遗传修饰具有可逆性和动态性，但它们仍可能为实时监测疾病进展或治疗反应提供独特优势（Movilla Miangolarra等人，2024）。然而，关于特定表观遗传标记的功能意义的共识缺乏继续阻碍了其在临床实践中的解释和实用性（Haidar等人，2024）。这些问题凸显了持续研究以改进检测技术、深化对表观遗传修饰动态的理解以及建立稳健的临床生物标志物的迫切需求。

鉴于传统且常常具有侵入性的表观遗传检测方法的局限性，循环DNA表观遗传分析物已成为有前景的诊断生物标志物。从机制上看，这些标志物是由活跃的DNA去甲基化产生的中间体或副产品，主要由TET酶家族和随后的碱基切除修复（BER）途径介导。表1总结了主要的循环DNA去甲基化衍生中间体及其化学结构和来源。重要的是，一旦产生，这些分析物可以通过细胞更新和肾脏清除进入细胞外空间，尤其是在尿液和血浆中，而主动分泌（包括外泌体介导的途径）也是可能的，但尚未得到充分证实。因此，这些分析物可以在血液、唾液和尿液等可获取的生物流体中被检测到。由于这些循环分析物反映了甲基化状态的变化，而DNA去甲基化的改变通常在疾病进展的早期阶段就出现，它们有可能作为非侵入性指标，用于检测肝细胞癌（HCC）等病症，甚至在临床症状出现之前（Zhao等人，2024）。与基于RNA和蛋白质的生物标志物相比，基于DNA的标志物在临床样本中表现出更高的分子稳定性，有利于长期存储、回顾性分析和更高的疾病特异性（Rodrigues等人，2023；Chahwan等人，2011）。此外，它们在血液和唾液等可获取的生物流体中的可检测性允许进行非侵入性疾病监测和个性化治疗评估（Yazdi等人，2024；Duforestel等人，2020；Mollarasouli等人，2022）。最近的研究进一步支持了它们在多种应用中的实用性，包括早期诊断、治疗监测和进展评估——通过无细胞DNA标志物捕捉病变细胞的DNA表观遗传特征（Panchal等人，2024；Angulo等人，2021；Zavarykina等人，2023）。

在这篇综述中，我们探讨了目前对由DNA表观遗传修饰衍生的胞嘧啶分析物输出分子机制的理解，特别关注这些分析物在生物流体中的检测。我们进一步探讨了这些循环表观遗传分析物的潜在临床效用，强调了它们在非侵入性诊断和监测治疗结果方面的预测价值。通过整合最新进展并解决检测、生物学解释和临床应用中的持续挑战，这篇综述旨在全面概述排出的表观遗传标志物在推进精准医学和个性化疾病管理方面的潜在影响。

章节片段

DNA甲基化作为表观遗传分析物生成的调控基础

作为可遗传但可逆的分子特征，表观遗传修饰在不改变遗传代码的情况下精确控制基因表达模式。在表观遗传修饰中，DNA甲基化是最被广泛研究和机制上定义最清晰的修饰之一（Liu等人，2024；Balard等人，2024）。这种修饰涉及将甲基添加到胞嘧啶残基的5号碳位置，形成5-甲基胞嘧啶（5mC），主要针对

在疾病诊断和治疗评估中的应用

为了阐明循环DNA去甲基化衍生分析物的转化价值，相关研究根据样本来源被分为三类（表2、表3、表4），包括基于循环生物流体的研究、基于组织的机制研究以及细胞/实验模型系统。在这些研究中，从血浆和尿液等生物流体中检测到的循环分析物直接支持非侵入性生物标志物的应用，而组织和

技术障碍和转化限制

尽管DNA去甲基化衍生分析物在治疗评估中具有巨大潜力，但在它们能够广泛应用于临床之前，仍需解决几个关键挑战。

一个主要限制是需要进行纵向研究来验证表观遗传标志物在评估长期治疗结果方面的预测价值（Kumsta，2019）。例如，Guida团队进行了纵向研究，以监测癌症幸存者的衰老轨迹，探索

结论

来自活跃DNA去甲基化的循环分析物（如5hmC、5fC和5caC）越来越多地被认可为分子生物标志物，这增强了它们在精准医学发展中的潜在效用。这些动态标志物可能反映表观遗传活性，并具有非侵入性应用的潜力，包括早期疾病检测、预后评估和治疗监测。尽管兴趣日益增长，但目前关于这些分析物的排泄和循环的研究仍然有限

CRediT作者贡献声明

Jing Qu：撰写——原始草稿、资源准备、概念构思。Yi-Ming Liu：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。