DNA甲基化通常是指5-甲基胞嘧啶（5mC），是在DNA甲基转移酶（DNMT）的作用下将甲基基团添加到胞嘧啶的5号炭位置上的表观遗传修饰。在哺乳动物中，DNA甲基化对于个体正常发育至关重要，与许多关键的生物学过程密切相关。在细胞癌变的过程中，普遍存在着全基因组范围内的DNA甲基化水平的下降，以及部分基因CpG岛区域的DNA甲基化水平的上升。全基因组范围内的DNA甲基化水平下降（DNA去甲基化）不仅能导致基因组稳定性降低（基因组重复序列异常活跃和基因组突变频率增加），还可能通过异常激活多种原癌基因的表达从而导致癌症的进一步恶化；而CpG岛区域DNA甲基化水平的上升往往会导致抑癌基因的表达下调，进一步诱导恶性肿瘤的演化。肿瘤细胞恶性增殖的另一个重要原因是因为能逃脱免疫细胞的“追杀”。肿瘤细胞能够通过改变自身的特性，或者释放一些物质，来“躲避”或者“迷惑”免疫系统的“监视”，使其很难被清除。肿瘤细胞中DNA甲基化水平的改变与肿瘤免疫逃逸的能力是否有内在关联，是领域内值得探索的热点之一。2023年6月15日，哈佛医学院/麻省总医院癌症研究中心Daniel A. Haber课题组，联合Shyamala Maheswaran和David Miyamoto课题组，在Cell发表了题为DNA hypomethylation silences anti-tumor immune genes in early prostate cancer and CTCs 的论文（第一作者郭红山博士，现为浙江大学良渚实验室“百人计划”研究员），本研究利用了单细胞多组学测序技术、少量细胞表观遗传学测序技术以及Nanopore三代测序技术等，结合小鼠肿瘤模型，揭示了DNA去甲基化在前列腺癌中的全新功能，即抑制前列腺癌抗原呈递基因的表达，从而诱导早期前列腺癌的免疫逃逸，为肿瘤的免疫治疗提供了全新的思路。本研究首先利用了Daniel A. Haber和Shyamala Maheswaran课题组自主研发的循环肿瘤细胞（circulating tumor cell, CTC）分离系统（CTC-ichip），对多名晚期前列腺癌病人外周血的CTC进行分离纯化，继而利用单细胞多组学测序技术（scTrio-seq2），对CTC进行了高精度的单细胞转录组和全基因组DNA甲基化测序，得到了首张单细胞分辨率的前列腺癌病人CTC 多组学图谱。随后，通过与正常前列腺上皮细胞比较，作者鉴定出了前列腺癌细胞中存在大片段的DNA去甲基化区域（partially methylated domain, PMD），同时也存在一定量的DNA甲基化保留区域（preserved methylation island, PMI）（图1）。通过分析TCGA 33种癌症的甲基化数据，发现PMD是肿瘤特异性的，可以作为潜在的肿瘤检测标志物。通过对前列腺癌PMD和PMI区域的基因表达分析，发现PMD区域的基因高度富集于免疫相关基因簇上，相关基因均呈现表达下调的现象（这些免疫相关基因簇均集中于同一个PMD，命名为CD1A-IFI16区域）；相反PMI区域的基因表达未出现下调，且集中于细胞增殖、DNA修复等维持细胞活性的重要基因上。后续作者比较了多株正常前列腺上皮细胞系和前列腺癌细胞系的染色质修饰差异，发现前列腺癌细胞在DNA去甲基化区域，会特异性诱导形成抑制型染色质H3K27me3修饰，从而降低区域内的基因表达。更有意思的是，通过对多例早期（临床上Gleason评分为6）、晚期（临床上Gleason评分为8）局限期前列腺癌病人组织以及正常的前列腺癌旁对照组织进行同样的单细胞DNA甲基化测序，作者发现在前列腺癌变的最早期，肿瘤细胞会优先在CD1A-IFI16等免疫相关基因簇上发生大片段DNA去甲基化，同时这些区域的染色质也会发生H3K27me3的富集，并抑制相应的免疫基因的表达。这些数据表明在前列腺癌起始阶段，癌细胞会通过特异性DNA去甲基化诱导形成抑制性染色质，进而下调相关免疫应答基因。图1 前列腺癌CTC中大片段DNA去甲基化（图中黄色区域为PMD，而两个相邻PMD之间的蓝色区域为PMI）
为了验证前列腺癌免疫基因的下调参与了肿瘤的免疫逃逸，作者进一步利用小鼠前列腺癌模型（Myc-CaP细胞），在Myc-CaP细胞中表达相关的免疫基因，小鼠体内的免疫细胞便能重新识别并杀伤肿瘤；而这一现象并未在免疫功能缺陷的NSG小鼠中观察到。这些数据证实了在体内DNA去甲基化抑制免疫相关基因的表达，能促使肿瘤细胞发生免疫逃逸。最后，为了证实大片段DNA去甲基化是可靠的肿瘤检测标志物，作者通过Nanopore三代测序（Nanopore native sequencing），在不经过亚硫酸盐处理的情况下，直接读取DNA分子上的甲基化修饰，成功实现了在肿瘤病人外周血的CTC富集产物中检测到DNA去甲基化信号。这一检测技术在前列腺癌病人和乳腺癌病人中均取得了较好的准确性和灵敏度，为肿瘤病人的早期诊断和用药检测等提供了新的策略。综上所述，作者通过单细胞多组学测序，对正常前列腺上皮细胞、早期局限期前列腺癌、晚期局限期前列腺癌以及正在转移期的前列腺CTC进行了高精度的DNA甲基化和转录组分析，鉴定了在早期前列腺癌形成过程中的重要表观遗传事件—大片段DNA去甲基化，揭示了大片段DNA去甲基化参与了早期前列腺癌免疫逃逸这一全新生物学功能，为理解癌症的发生和癌症免疫治疗等提供了新的视角（图2）。图2 模式图展示DNA去甲基化在前列腺癌早期阶段参与肿瘤免疫逃逸的新功能文章的第一作者郭红山博士，于2022年10月回国加入浙江大学良渚实验室建立自己的独立课题组，任“百人计划”研究员和博士生导师，同时双聘于浙江大学医学院附属第一医院。现诚聘2-4名博士后，专业背景不限（分子生物学和生物信息学专业优先考虑），期待你的加盟。详情参见浙江大学教师主页：https://person.zju.edu.cn/guohs。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.028
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