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2021年7月2日,上海交通大學醫學院與北京百邁客生物科技有限公司合作的文章發表在NEURO-ONCOLOGY(IF 12.3)上,研究團隊利用RNA-seq、ATAC-seq和Hi-C檢測技術,揭示了骨微環境在脊索瘤發生中的作用,并將CA2蛋白確定為脊索瘤的治療新靶點,此外,本研究還發現鹽酸多佐胺可能為脊索瘤治療提供新的選擇。以下是對該文章的詳細解讀。

導讀

脊索瘤是一種罕見的間充質惡性腫瘤,復發率高,致瘤機制不明確。遺傳物質的改變、表觀遺傳調節因子和染色質空間構象在脊索瘤的發生和發展中起關鍵作用。本研究利用RNA-seq、ATAC-seq和 Hi-C技術對脊索瘤和人髓核(HNP)進行多組學檢測,并結合影像學檢查和臨床信息,揭示了骨微環境在脊索瘤中的重要作用,并且發現CA2在脊索瘤中高表達,但在HNP中幾乎不表達。本研究還發現可通過敲除基因或使用鹽酸多佐胺等藥物抑制CA2的表達,從而抑制脊索瘤細胞生長和遷移,此外,鹽酸多佐胺還通過阻斷骨髓單核細胞向破骨細胞的分化來調節骨微環境。綜上,本研究通過結合多組學檢測技術,最終揭示了骨微環境在脊索瘤發生中的作用,并將CA2蛋白確定為脊索瘤的治療新靶點, 此外,本研究還發現鹽酸多佐胺可能為脊索瘤治療提供新的選擇。

研究背景

脊索瘤是一種罕見的間充質惡性腫瘤,主要發生在中軸骨,如顱底蝶枕部和骶尾部。在治療上,常規劑量的放療和化療對它沒有作用,因此手術是主要治療方法 ,但其復雜的解剖結構和相對較大的腫瘤體積使得腫瘤組織不能被切除干凈,導致局部復發率高。因此,迫切需要探索脊索瘤潛在的致瘤機制和治療新靶點。
在病理學上,脊索瘤起源于椎體內的脊索殘留物,由胚胎晚期不完全擠壓引起。脊索瘤的發生涉及到幾個基因的異常表達,例如TBXT、CDKN2A和LYST。除了基因表達改變外,染色質可及性的改變,以及染色體構象的改變,如通過染色質折疊將線性距離較遠的啟動子、增強子和其他順式調控區域聚集在一起等,這些改變對基因的調控也至關重要。
本研究利用RNA-seq、ATAC-seq和 Hi-C技術在脊索瘤和脊索來源的髓核中綜合分析了基因表達情況和染色質可及性,結果表明骨微環境和骨骼系統發育在脊索瘤發生中的潛在作用。此外,通過比較差異表達基因(DEG),發現CA2在脊索瘤中高表達,其抑制劑鹽酸多佐胺可靶向作用于CA2,從而抑制脊索瘤細胞增殖、遷移、致瘤性和破骨細胞分化。

實驗方法

材料:細胞系(原代HNP細胞來自24周胎齡的流產胎兒的原代培養細胞;脊索瘤細胞系CH22獲自脊索瘤基金會;骨髓單核細胞(BMM)來自C57/BL6小鼠股骨)
方法:RNA-seq、ATAC-seq和Hi-C

研究結果

1、HNP和CH22細胞的差異基因分析(DEG)

對CH22和HNP細胞的轉錄組數據進行比較分析,每種細胞類型內的重復間具有高度相關性(r2=0.9937 和 r2=0.9841)。與HNP相比,在CH22中鑒定了3,122個上調的基因和1,810個下調的基因,熱圖和火山圖顯示了幾個重要的DEG,例如GDA、TBXT、CDKN2A和CDKN2B(圖1A、B)。GO分析顯示DEG與軸突發育和骨骼系統發育相關(圖1C);KEGG富集分析發現,PI3K-AKT和MAPK信號通路在脊索瘤腫瘤發生中富集。


圖1 RNA-seq和ATAC-seq數據分析

2、HNP和CH22細胞的染色質差異可接近性區域分析(DAR)

與HNP相比,在CH22中確定了313個增加的DAR 和 1,749 個減少的DAR。DAR的motif分析顯示CTCF、Nkx2-2、Tcfe2a_2、MED-1 和 E2A motif在CH22中高度富集。還確定了DAR中的DEG,如GDA、TBXT和PAX1(圖 1D)。GO分析顯示DAR中的基因與骨骼系統發育有關(圖 1E);KEGG富集分析顯示這些基因富集在PI3K-AKT信號通路上。

3、HNP與CH22細胞間染色體相互作用差異

對CH22和HNP進行Hi-C染色體構象捕獲測序,共獲得1027和8.64億個有效相互作用對。相互作用類型分析顯示,HNP和CH22的平均順反比分別為1.815和0.69,表明CH22中的染色體間相互作用更強。
染色體相互作用頻率(IR)能夠反映基因組區域在細胞核中的相對位置,與轉錄活性相關。在HNP的IR熱圖中,觀察到在富含基因的短染色體(chr16、17、19-22)中IR較高,尤其是在chr21和chr22之間。在CH22中,chr3和chr15、chr5和chr20、chr2和chr4、chr9和chr13、chr12和chr16之間的IR更高,短染色體(chr16-22)之間的IR更低。IR強度和DEGs/DARs無顯著相關性(p = 1)。

4、HNP和CH22細胞之間的結構變異

與HNP 相比,在CH22中發現了一些大的染色體結構變異,表明脊索瘤發生中會出現的幾個染色體易位事件,例如chr2和chr4(圖 2A)。在CH22中鑒定了8個明顯的結構變異區域,如在Hi-C中觀察到兩個明顯的相互作用區域R5(在chr2 R1和Chr4 R3之間)和R6(在chr2 R2和chr4 R4之間)。H2信號表明chr2和chr4之間在P1(chr2:55,540,000)和P3(chr4:156,520,000)位置發生了相互易位。位置P1和P2 (chr2:160,550,000) 之間的強相互作用信號(H1)表明Chr2中的倒位區域與易位區域相鄰(圖 2B)。此外,還發現了chr12中更強的染色體內相互作用信號(CNV 區域)(18,040,000-90,120,000bp,圖 2C)和chr9中的缺失區域(21,640,000-25,360,000bp)。在 CNV 區域,有187個DEG,包括一些普遍報道的與脊索瘤相關基因,例如KRT8和KRT18(圖 2D),臨床樣本進一步證實了它們在脊索瘤中高表達。在缺失區域,鑒定了9個DEG,包括腫瘤抑制基因,如CDKN2A和CDKN2B(圖 2E)?;贕O和KEGG分析,發現CNV區域中的基因與骨骼系統發育和癌癥中的蛋白聚糖通路相關(圖 2F)。

圖2 HNP和CH22細胞的結構變異分析

5、HNP和CH22細胞之間的compartments分析

常染色質和異染色質可分為兩個區域,定義為compartments“A”和“B”。 脊索瘤A/B compartments的基因組和表觀遺傳特征表明,compartments A與較高的基因密度、轉錄活躍區域相關,而compartments B具有較差的基因密度、與轉錄非活躍區有關。

在腫瘤發生過程中,染色質compartments會進行轉換。與HNP相比,CH22的每條染色體中都發現了compartments轉換,尤其是在chr1、9、13-16和22(圖3A)。HNP中9.99%的compartments A在CH22中為compartments B,6.06%的compartments B在CH22中為compartments A,從A到B的轉換中基因的表達顯著下調(p=1.08 e-74 ),反之亦然(p=4.11 e- 47 )。
進一步標記了441個基因從compartments B切換到compartments A(376 個下調和 65 個上調)和341個基因從compartments A 轉換到compartments B(38 個下調和 303 個上調,圖3B、C)。GO和KEGG分析表明它們與骨骼系統發育和致癌途徑有關,如癌癥中的PI3K-AKT信號和蛋白聚糖通路。


圖3 細胞特異性compartments、TAD邊界和Loop分析

6、HNP和CH22細胞之間特異TAD邊界分析

compartments由TAD組成,它們在細胞類型和物種中是保守的。在腫瘤發生過程中,被破壞或新形成的TAD邊界可能導致增強子和啟動子之間的相互作用,并調節基因表達。本研究在HNP中檢測到6,677個TAD,在CH22中檢測到4,856個TAD。TAD 邊界處基因和染色體開放富集區域的富集程度大于TADs內部。
研究確定了1,617個HNP特異邊界和437個CH22特異邊界,同時確定了位于HNP和CH22特異邊界的588和62個DEG,包括CA3、RAB17和TRIB2(圖3D,E)。GO和KEGG分析表明這些DEG與細胞外基質和細胞因子-細胞因子受體相互作用有關。

7、HNP和CH22細胞之間的特異Loop分析

在基因調控中,增強子通過染色質Loop激活啟動子。本研究在HNP和CH22中分別檢測到10,048和12,170個Loop,中位數長度為100,000 bp。通常認為,與增強子相關的Loop可以增加基因表達。本研究在HNP和CH22中分別鑒定了3,515和4,187個啟動子-增強子loop(圖3F)。其中,ATAC-seq峰分別支持2,495 和1,732個。此外,在CH22中發現了比HNP更多的啟動子loop和增強子loop。
兩種細胞類型中的loop是高度保守的,分別鑒定了1,226個HNP特異性loop和3,348個CH22特異性loop(圖 3G)。在HNP特異性loop中,發現了45個在CH22中上調表達的基因和41個在CH22中下調的基因,以及CH22特異性loop中的75個CH22上調基因和129個CH22下調基因,例如 GDA、EEF1A2和ADAM12(圖3H)。GO 和 KEGG 分析表明這些DEGs 與軸突發育、癌癥中的蛋白聚糖通路和 PI3K-AKT 信號通路有關。

8、HNP與CH22細胞的多組學聯合分析

為了探索潛在的治療靶點,本研究結合了位于CH22和HNP細胞之間的compartments、細胞特異性TAD和loop中的重疊的DEG,鑒定到了兩個重疊的DEG(圖 3I),即CA2和THNSL2?;贕O和KEGG功能注釋,發現骨骼系統發育在脊索瘤發生中的重要作用。此外,根據427名脊索瘤患者的影像學數據,發現所有脊索瘤均在骨結構中被識別,但并非源自HNP。在四個外部數據庫中,骨骼是脊索瘤發生最常見的位置,比例分別為73.98%、79.18%、86.31% 和 86.06%??偟膩碚f,在3169例脊索瘤患者中,2439個脊索瘤位于骨內,410個位于腦脊髓神經系統,159個位于鼻咽和蝶竇,147個位于軟組織,6個位于胸腔,8個位于不明原發部位。

研究結論

本研究采用多組學技術,對脊索瘤和HNP中的基因表達、染色質可及性和染色質空間結構進行了綜合比較分析,并進行了大樣本量驗證。結果不僅證明了骨微環境與脊索瘤發生的相關性,而且還確定了一個新的治療靶點(CA2)。此外,研究結果還表明鹽酸多佐胺有望成為脊索瘤的一種潛在治療選擇。

參考文獻

Meng T, Huang R, Jin J, et al. The comparative integrated multi-omics analysis identifies CA2 as a novel target for chordoma. Neuro Oncol. 2021 Jul 2:noab156. doi: 10.1093/neuonc/noab156

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