兒童和成人實體瘤共有微小差異甲基化區(qū)域(mDMR)的全面分析
癌癥是美國1~14歲兒童第二大常見死因，每年約有11000例新發(fā)病例和1200例死亡病例。與成人癌癥相比，兒童腫瘤通常突變負荷較低。然而兒童腫瘤的表觀基因組發(fā)生顯著變化，尤其具有廣泛的DNA甲基化變化。兒童腫瘤的罕見性對開發(fā)用于診斷、預(yù)后或治療監(jiān)測的癌癥特異性生物標志物帶來了重大挑戰(zhàn)。
美國南加州大學(xué)Keck醫(yī)學(xué)院轉(zhuǎn)化基因組系Bodour Salhia團隊研究了各種不同兒童腫瘤的共有DNA甲基化譜的潛力。研究在11種不同兒童癌癥類型的31個復(fù)發(fā)性兒童腫瘤組織、13個鄰近正常組織和20個血漿游離細胞(cell-free，cf)DNA樣本上進行全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS)，定義了多種癌癥類型樣本間差異甲基化的最小焦點區(qū)域，稱之為微小差異甲基化區(qū)域(minimally differentially methylated regions，mDMRs)。從公開數(shù)據(jù)庫獲取的 506 個兒童癌癥樣本和 5691 個成人癌癥樣本中也觀察到這些甲基化變化，使用靶向雜交探針捕獲法分析的44個兒童癌癥樣本中同樣觀察到這些甲基化變化。本研究最后表明了這些甲基化變化可在cfDNA中檢測到，并可能作為早期檢測或微小殘留疾病的潛在cfDNA甲基化生物標志物。相關(guān)研究成果于2024年6月1日以“A comprehensive analysis of minimally differentially methylated regions common to pediatric and adult solid tumors”為題發(fā)表在《npj Precision Oncology》（IF 6.8）期刊上。
研究思路設(shè)計
測序分析：對兒童癌癥進行WGBS測序分析（包括來自27名個體的31個腫瘤組織、13個正常組織和20個cfDNA樣本，涵蓋11種不同的兒童癌癥亞型）
數(shù)據(jù)整合：通過不同腫瘤類型的數(shù)據(jù)整合，鑒定在多種癌癥類型中樣本數(shù)量最多的微小差異甲基化區(qū)域（mDMRs）。
下游驗證：
（1）mDMRs 在TARGET公開數(shù)據(jù)庫中的506個兒童癌癥樣本中（涵蓋4種癌癥類型）、
TCGA數(shù)據(jù)中的5691個成人癌癥樣本（涵蓋14種癌癥類型）、Capper等人的幾種中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤類型中均觀察到。
（2）使用靶向雜交探針捕獲檢測法在一組獨立的44個兒童癌癥組織樣本中進行進一步驗證（來自6種腫瘤類型）。
結(jié)果圖形
（1）分析兒童癌癥的差異DNA甲基化模式
b) 基于183個最高變化DMRs樣本進行均勻流形近似投影（UMAP）分析，如c所示。
c) 506個TARGET項目樣本中166個區(qū)域和17個POETIC項目樣本中183個區(qū)域的beta值熱圖（A中的17個區(qū)域由于450K芯片限制而被排除）。
d) 根據(jù)診斷和來源，對C中的區(qū)域進行TARGET和POETIC樣本UMAP分析。
e) 分析TARGET和POETIC樣本來源。
（2）不同腫瘤類型共有的DNA甲基化變化
b) 低甲基化和高甲基化mDMRs的平均beta值箱線圖。
c) 根據(jù)所有POETIC樣本中所有低甲基化mDMR區(qū)域的beta值熱圖。
d) 基于所有POETIC樣本中所有低甲基化mDMR區(qū)域的beta值UMAP分析。
e) 根據(jù)所有POETIC樣本中所有高甲基化mDMR區(qū)域的beta值熱圖。
f) 基于所有POETIC樣本中所有高甲基化mDMR區(qū)域的beta值UMAP。
g) 使用mDMRs構(gòu)建的隨機森林分類器模型的接收者操作特征（ROC）曲線。
POETIC中的正常組織和ENCODE中的正常組織作為對照；所有比較均具有統(tǒng)計學(xué)意義（Wilcox p值≤0.0001），與POETIC樣本中觀察到的方向性一致。
（3）兒童癌癥的mDMR也可用于檢測成人癌癥
圖4：TCGA數(shù)據(jù)庫中多種成人癌癥中檢測到的mDMRs分析
a) WGBS來源的905個兒童癌癥mDMRs中的422個（由于450K芯片限制，只使用422個子集）訓(xùn)練的隨機森林模型，基于TCGA的450K DNA甲基化數(shù)據(jù)繪制的ROC曲線。
b) a中的AUC值圖形，并以誤差線的形式表示了95%置信區(qū)間（CI）。
c) 所有14種成人癌癥類型中，高甲基化（上半部分）和低甲基化（下半部分）mDMRs的每樣本腫瘤和正常組織的平均beta值箱線圖。
圖5：匹配的血漿和組織樣本之間重疊的DMR。
a. cfDNA的總DMR。
b. cfDNA中檢測到的DMRs與患者匹配的腫瘤組織樣本中檢測到的DMRs重疊的百分比。
c. 患者匹配的組織和cfDNA之間相交DMRs的差異甲基化的相關(guān)性圖。
（5）泛兒童癌癥（pan-pediatric）中共同存在且可檢測的mDMRs，且這些mDMRs可以在cfDNA中被檢測到
圖 7：在獨立的兒科癌癥組織隊列中對低甲基化 mDMR 進行靶向甲基化分析。
（6）在神經(jīng)母細胞瘤（兒童常見實體瘤）樣本中發(fā)現(xiàn)了廣泛的特異性低甲基化區(qū)域，稱為“DNA甲基化荒漠”
圖8：通過全基因組亞硫酸鹽測序（WGBS）技術(shù)揭示了神經(jīng)母細胞瘤中兩種顯著的甲基化模式：DNA甲基化荒漠和經(jīng)典的部分甲基化域（PMDs）
（7）WGBS在腫瘤組織gDNA中的拷貝數(shù)預(yù)估
圖9： WGBS在小兒癌癥組織中的拷貝數(shù)評估。
（8）cfDNA中CNV檢測的靈敏度低于cfDNA甲基化
圖10：cfDNA中CNVs的檢測。
最終研究結(jié)果揭示了兒童腫瘤和成人腫瘤中的甲基化變化在cfDNA中可檢測到，并可能作為潛在的cfDNA甲基化生物標志物。
兒童癌癥DNA甲基化panel的鑒定可能為早期檢測、治療反應(yīng)或微小殘留疾病（MRD）的cfDNA甲基化液體活檢提供基礎(chǔ)。本研究揭示的甲基化模式既具有科學(xué)價值，也具有臨床價值，旨在將這些分子見解轉(zhuǎn)化為兒童和成人癌癥的實際進展。
參考文獻：
Buckley DN, Tew BY, Gooden C, Salhia B. A comprehensive analysis of minimally differentially methylated regions common to pediatric and adult solid tumors. NPJ Precis Oncol. 2024 Jun 1;8(1):125. pii: 10.1038/s41698-024-00590-1. doi: 10.1038/s41698-024-00590-1. PubMed PMID: 38824198.
美國南加州大學(xué)Keck醫(yī)學(xué)院轉(zhuǎn)化基因組系Bodour Salhia團隊研究了各種不同兒童腫瘤的共有DNA甲基化譜的潛力。研究在11種不同兒童癌癥類型的31個復(fù)發(fā)性兒童腫瘤組織、13個鄰近正常組織和20個血漿游離細胞(cell-free，cf)DNA樣本上進行全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS)，定義了多種癌癥類型樣本間差異甲基化的最小焦點區(qū)域，稱之為微小差異甲基化區(qū)域(minimally differentially methylated regions，mDMRs)。從公開數(shù)據(jù)庫獲取的 506 個兒童癌癥樣本和 5691 個成人癌癥樣本中也觀察到這些甲基化變化，使用靶向雜交探針捕獲法分析的44個兒童癌癥樣本中同樣觀察到這些甲基化變化。本研究最后表明了這些甲基化變化可在cfDNA中檢測到，并可能作為早期檢測或微小殘留疾病的潛在cfDNA甲基化生物標志物。相關(guān)研究成果于2024年6月1日以“A comprehensive analysis of minimally differentially methylated regions common to pediatric and adult solid tumors”為題發(fā)表在《npj Precision Oncology》（IF 6.8）期刊上。
研究思路設(shè)計
測序分析：對兒童癌癥進行WGBS測序分析（包括來自27名個體的31個腫瘤組織、13個正常組織和20個cfDNA樣本，涵蓋11種不同的兒童癌癥亞型）
數(shù)據(jù)整合：通過不同腫瘤類型的數(shù)據(jù)整合，鑒定在多種癌癥類型中樣本數(shù)量最多的微小差異甲基化區(qū)域（mDMRs）。
下游驗證：
（1）mDMRs 在TARGET公開數(shù)據(jù)庫中的506個兒童癌癥樣本中（涵蓋4種癌癥類型）、
TCGA數(shù)據(jù)中的5691個成人癌癥樣本（涵蓋14種癌癥類型）、Capper等人的幾種中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤類型中均觀察到。
（2）使用靶向雜交探針捕獲檢測法在一組獨立的44個兒童癌癥組織樣本中進行進一步驗證（來自6種腫瘤類型）。
結(jié)果圖形
（1）分析兒童癌癥的差異DNA甲基化模式
圖1：兒童癌癥中差異DNA甲基化模式分析
a) 31個腫瘤樣本中183個高度變化的差異化甲基化區(qū)域（DMRs）的beta值分層聚類。行注釋條表示診斷結(jié)果；列注釋條表示通過k均值聚類確定的DMRs聚類。b) 基于183個最高變化DMRs樣本進行均勻流形近似投影（UMAP）分析，如c所示。
c) 506個TARGET項目樣本中166個區(qū)域和17個POETIC項目樣本中183個區(qū)域的beta值熱圖（A中的17個區(qū)域由于450K芯片限制而被排除）。
d) 根據(jù)診斷和來源，對C中的區(qū)域進行TARGET和POETIC樣本UMAP分析。
e) 分析TARGET和POETIC樣本來源。
（2）不同腫瘤類型共有的DNA甲基化變化
圖2：WGBS分析揭示兒童癌癥的共有DNA甲基化panel。
a) 不同數(shù)量樣本（x軸）中重疊mDMRs的數(shù)量（y軸）。根據(jù)方向性，淺藍色代表低甲基化區(qū)域，紅色代表高甲基化區(qū)域。紅色的虛線垂直線表示樣本數(shù)量的截斷點（22或更多樣本，即70%腫瘤樣本），由此產(chǎn)生402個低甲基化和503個高甲基化mDMRs。b) 低甲基化和高甲基化mDMRs的平均beta值箱線圖。
c) 根據(jù)所有POETIC樣本中所有低甲基化mDMR區(qū)域的beta值熱圖。
d) 基于所有POETIC樣本中所有低甲基化mDMR區(qū)域的beta值UMAP分析。
e) 根據(jù)所有POETIC樣本中所有高甲基化mDMR區(qū)域的beta值熱圖。
f) 基于所有POETIC樣本中所有高甲基化mDMR區(qū)域的beta值UMAP。
g) 使用mDMRs構(gòu)建的隨機森林分類器模型的接收者操作特征（ROC）曲線。
圖3：TARGET和ENCODE數(shù)據(jù)集中的mDMR。
方框圖顯示了TARGET數(shù)據(jù)中MRT、NBL OS和WT腫瘤樣本中高甲基化（左）和低甲基化（右）mDMR的每個樣本平均β值分布。每個點代表一個樣本，中位數(shù)β和四分位數(shù)間距由方框圖表示。POETIC中的正常組織和ENCODE中的正常組織作為對照；所有比較均具有統(tǒng)計學(xué)意義（Wilcox p值≤0.0001），與POETIC樣本中觀察到的方向性一致。
（3）兒童癌癥的mDMR也可用于檢測成人癌癥
圖4：TCGA數(shù)據(jù)庫中多種成人癌癥中檢測到的mDMRs分析
b) a中的AUC值圖形，并以誤差線的形式表示了95%置信區(qū)間（CI）。
c) 所有14種成人癌癥類型中，高甲基化（上半部分）和低甲基化（下半部分）mDMRs的每樣本腫瘤和正常組織的平均beta值箱線圖。
圖5：匹配的血漿和組織樣本之間重疊的DMR。
b. cfDNA中檢測到的DMRs與患者匹配的腫瘤組織樣本中檢測到的DMRs重疊的百分比。
c. 患者匹配的組織和cfDNA之間相交DMRs的差異甲基化的相關(guān)性圖。
（5）泛兒童癌癥（pan-pediatric）中共同存在且可檢測的mDMRs，且這些mDMRs可以在cfDNA中被檢測到
圖6：兒童癌癥樣本血漿mDMR的cfDNA甲基化分析。
a-b. 腫瘤樣本中鑒定的402個低甲基化和503個高甲基化mDMR的cfDNA平均β值。代表了所有健康和癌癥血漿樣本的所有區(qū)域。圖 7：在獨立的兒科癌癥組織隊列中對低甲基化 mDMR 進行靶向甲基化分析。
（6）在神經(jīng)母細胞瘤（兒童常見實體瘤）樣本中發(fā)現(xiàn)了廣泛的特異性低甲基化區(qū)域，稱為“DNA甲基化荒漠”
（7）WGBS在腫瘤組織gDNA中的拷貝數(shù)預(yù)估
圖9： WGBS在小兒癌癥組織中的拷貝數(shù)評估。
（8）cfDNA中CNV檢測的靈敏度低于cfDNA甲基化
圖10：cfDNA中CNVs的檢測。
最終研究結(jié)果揭示了兒童腫瘤和成人腫瘤中的甲基化變化在cfDNA中可檢測到，并可能作為潛在的cfDNA甲基化生物標志物。
兒童癌癥DNA甲基化panel的鑒定可能為早期檢測、治療反應(yīng)或微小殘留疾病（MRD）的cfDNA甲基化液體活檢提供基礎(chǔ)。本研究揭示的甲基化模式既具有科學(xué)價值，也具有臨床價值，旨在將這些分子見解轉(zhuǎn)化為兒童和成人癌癥的實際進展。
參考文獻：
Buckley DN, Tew BY, Gooden C, Salhia B. A comprehensive analysis of minimally differentially methylated regions common to pediatric and adult solid tumors. NPJ Precis Oncol. 2024 Jun 1;8(1):125. pii: 10.1038/s41698-024-00590-1. doi: 10.1038/s41698-024-00590-1. PubMed PMID: 38824198.
標簽：
DNA甲基化
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