液体活检循环肿瘤DNA（ctDNA）分析作为一种靶向检测突变和监测癌症复发的微创手段，在临床肿瘤学中获得了越来越多的关注。大多数临床ctDNA检测侧重于基因组改变，这限制了检测肿瘤组织其他临床重要特征的能力，例如识别调控癌症表型的转录程序及其在疾病过程中的动态变化的能力有限。
为了克服这一限制，Dana-Farber癌症研究所的研究团队开发了一种利用1mL血浆全面分析癌症患者表观基因组图谱的方法，该方法可提供基因表达关键调控因子的全方位评估：DNA甲基化、活性启动子和活性增强子。在一项对晚期癌症患者队列进行的概念验证研究中，证实该方法捕获了临床相关信息，例如组织学亚型、治疗耐药的表观遗传相关性和预后标志物的表达，可用于指导临床治疗选择。该研究发表在Nature Medicine上，文章题为“Liquid biopsy epigenomic profiling for cancer subtyping”。
文章发表在Nature Medicine
研究人员使用了基于免疫沉淀的靶向组蛋白修饰和DNA甲基化的方法，检测CpG岛、启动子和增强子。首先从带有特定表观遗传标记的调控元件（REs）富集DNA片段，并使用针对H3K4me3（一种与启动子活性相关的组蛋白修饰）和H3K27ac/panH3ac（存在于活性增强子和启动子上的组蛋白修饰）的抗体构建细胞游离染色质免疫沉淀（cfChIP）文库，再从血浆上清液中提取cfDNA，检测DNA甲基化信息（图1a）。
利用该检测策略，研究团队检测了15种晚期癌症类型433个癌症患者的血浆样本中，获得1268个血浆表观基因组图谱（图1b）。研究团队识别了与ctDNA含量相关的泛癌相关REs，将其称为ctDNA相关REs（CREs）。CREs附近的基因高度富集于与胚胎发育和细胞命运决定相关的功能注释，这与癌症重新激活发育调控程序的假设一致；与ctDNA负相关的CREs在与免疫功能相关的生物学过程中富集，反映了来自造血细胞的RE活性（图1c）。以上结果表明了癌症患者血浆来源的表观基因组谱的生物学相关性。
研究显示，血浆H3K4me3信号与细胞中检测到的基因表达水平以及癌症中诊断和预测性生物标志物的表达相关（图1d）。家族富集基因的启动子信号可区分癌症类型，并反映了免疫组化观察到的组织蛋白表达模式。例如，前列腺癌血浆信号升高与血清PSA测量显著相关。
值得注意的是，研究团队利用该方法还检测了编码药物靶点的基因的启动子活性，如ERBB2、ERBB3、NECTIN4和DLL3（图1f、g）。例如，一名结直肠癌患者的血浆样本显示ERBB2启动子信号升高，表明人类表皮生长因子受体2（HER2）的表达，这在随后脑转移样本的免疫组化活检结果中得到证实。HER2在结直肠癌中是一个经过验证的靶点，但由于其低流行率（约3%），尚没有得到一致评估。上述结果表明，HER2完全可以通过液体活检进行检测。
与启动子分析相比，用H3K27ac评估血浆中增强子活性的能力为基因调控提供了独特的、临床可操作的见解。来自癌症血浆的增强子分析捕获了肿瘤REs的活性，这些REs是通过转座酶可达的染色质测序（ATAC-seq）在肿瘤中独立定义的（图2a）。增强子CREs因与原癌基因的TFs结合位点重叠而富集，如MYC、ER、EZH2、SUZ12和BRD4。（图2）血浆增强子图谱使得研究人员可以推断治疗靶向TFs的活性，包括乳腺癌血浆中的雌激素受体（ER），前列腺癌中的雄激素受体（AR）和肾细胞癌中的HIF2α。
同时，血浆增强子图谱还鉴定了治疗耐药性的表观遗传驱动因素。例如，H3K27ac cfChIP检测到AR基因增强子的激活，该基因驱动前列腺癌的去势抗性。AR增强子的激活不能从DNA甲基化中检测到，因为该位点在良性和癌性前列腺组织中是低甲基化的，这突出了活性增强子分析的实用性。此外，在治疗诱导的前列腺癌神经内分泌分化（NE-diff）患者的血浆中，ASCL1结合位点（驱动NE-diff的主要TF）和NE-diff特异性结合位点FOXA1的H3K27ac信号升高，而基于遗传学的分析则无法检测这种组织学转化。
NE-diff越来越被认为是许多癌症获得性耐药的一种机制。NE-diff的检测在临床上非常重要，因为高级别神经内分泌肿瘤通常对以铂为基础的化疗有反应，但空间异质性和采样误差使病理诊断具有挑战性。因此，研究团队利用之前的工作，在不同组织起源的神经内分泌肿瘤中确定了一组共同的REs，创建了一种基于血浆的NE-diff多癌症分类器，可通过神经内分泌REs聚集的血浆H3K27ac信号区分有NE-diff和没有NE-diff的癌症。值得注意的是，该分类器是利用癌症组织中检测到的已发表REs训练的，支持其生物学上的合理性，并在前列腺癌、肺癌、膀胱癌和默克尔细胞癌患者的血浆中准确识别NE-diff。
图2. 血浆增强子图谱可以检测多种癌症的NE-diff
该研究结果表明，检测患者血浆中的基因调控因子可以识别临床相关的疾病表型。这项概念验证研究的重点是转移性癌症，因此还需要进一步评估这种方法在大型前瞻性队列中的效用，以及在早期疾病和非肿瘤性条件下的表现。
该检测方法只需要标准临床采集管中1mL血浆，因此可以回顾性地应用于带有临床信息的样本库。此外，组蛋白修饰的沉积和去除是动态的，可提供基因调控的实时信息，以补充DNA甲基化。因此，该方法将使表观遗传变化驱动的获得性治疗耐药性的体内研究成为可能，并允许对随疾病进展而改变的治疗靶点进行纵向评估。
论文原文：
Baca, S.C., Seo, JH., Davidsohn, M.P. et al. Liquid biopsy epigenomic profiling for cancer subtyping. Nat Med (2023).
https://www.nature.com/articles/s41591-023-02605-z
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