关于组蛋白H3赖氨酸9位乙酰化（H3K9ac）特异性重编程在食管鳞状细胞癌（ESCC）进展与转移中的作用机制

背景介绍

食管癌是全球范围内最为普遍和侵袭性的恶性肿瘤之一，每年导致超过50万癌症相关死亡病例，位列癌症致死原因第六位。食管鳞状细胞癌（ESCC）占所有食管癌病例的近90%，主要影响东亚和非洲地区的人群。尽管近几十年在治疗上取得了显著进展，ESCC的总体5年生存率仍低于20%，这主要源于ESCC早期症状不明显、多数患者在确诊时已是局部晚期或存在区域性淋巴结转移，容易导致肿瘤病灶复发或远处转移，最终致病。

目前已知大多数人类癌症是由基因突变和表观遗传改变共同作用的结果，包括DNA甲基化和组蛋白翻译后修饰（PTMs）。ESCC的基因组异常已被广泛研究，但缺乏驱动突变，因此基因组指导的治疗策略尚未普及。相反，表观遗传修饰的可塑性和可逆性使其成为抗癌策略中理想的药物靶点。因此，精确评估ESCC进展和转移过程中的表观遗传重编程模式具有重要意义。

研究与发生

本文由温州医科大学生物医学工程学院、温州医科大学附属第一医院、上海交通大学医学院附属第九人民医院等机构的研究人员联合撰写，相关研究成果发表于《Cancer Gene Therapy》期刊。本文研究的主要目的是解析组蛋白H3K9ac在ESCC进展和转移中的影响机制，并探讨其作为潜在治疗靶点的价值。

本文研究聚焦于H3K9ac的基因组范围内分布特征，并与同样作为活性标志的H3K27ac进行比较。研究涉及三名ESCC患者，分别从其配对的邻近正常组织（nor）、原发癌组织（ec）和转移淋巴结组织（lnc）中提取样本，通过染色质免疫沉淀-高通量测序（ChIP-seq）的方法绘制其H3K9ac分布图谱，与此前研究生成的H3K27ac数据进行整合对比，结合全基因组转录组数据和单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，揭示了H3K9ac在ESCC进展和转移过程中的特征，并验证了其调控模式。

研究方法与流程

实验流程

本研究主要包括以下几个步骤：

1. 样本采集与处理：

   • 选择三名ESCC患者，提取其配对的邻近正常组织、原发癌组织和转移淋巴结组织。
   • 样本通过染色质免疫沉淀-高通量测序（ChIP-seq）的方法绘制H3K9ac和H3K27ac分布图谱。

2. 数据处理与分析：

   • 将H3K9ac和H3K27ac测序数据进行质量控制和比对。
   • 运用标准化方法进行批次效应消除，确保不同数据集之间的信号可比性。

3. 峰值分析与区域特异性研究：

   • 通过峰值重叠分析，发现H3K9ac与H3K27ac的特异性区域。
   • 进行DNA基序分析，预测H3K9ac或H3K27ac富集区域的转录因子。

4. 差异峰值鉴定：

   • 鉴定EC与LNC样本中H3K9ac和H3K27ac的差异峰值。
   • 通过无监督层次聚类分析，确定H3K9ac和H3K27ac信号的特异组。

5. 功能相关性分析：

   • 利用基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）分析，了解与H3K9ac相关的基因功能及其在癌症中的作用。
   • 通过基因集富集分析（GSEA），验证不同基因组组的功能差异。

6. 体外实验验证：

   • 使用基因敲除实验验证H3K9ac对代表性靶基因msi1的调控作用。
   • 通过CCK-8和Transwell迁移实验，评估H3K9ac敲除对ESCC细胞增殖和迁移的影响。

主要结果

1. H3K9ac与H3K27ac区域特异性占有：

   • 发现H3K9ac和H3K27ac在配对的正常组织中占据不同的区域，H3K9ac占有的独特区域显著多于H3K27ac。基序分析表明，H3K9ac特异区域富含调控细胞生长和分化的重要转录因子。

2. H3K9ac在ESCC中重编程的表观特性：

   • 通过ChIP-seq数据分析，揭示H3K9ac特异性区域在原发癌与转移淋巴结样本之间存在差异。特异性区域富含癌症驱动基因，如msi1等。

3. 转录组数据支持H3K9ac调控模式：

   • 结合转录组数据，显示H3K9ac富集区域内的基因表达上调，而H3K9ac缺失区域内的基因表达下调。
   • 各组分别进行基因表达水平分析，验证H3K9ac与基因转录活性的显著正相关性。

4. H3K9ac特异性重编程与肿瘤发生和转移的功能相关性：

   • 阐明H3K9ac特异性重编程在肿瘤信号通路中的作用，特别是细胞极性建立和维持、联合连接和阿米巴类细胞迁移等通路。
   • 借助单细胞RNA测序，揭示不同病程状态下ESCC细胞的异质性。尤其是g2和g5组基因在高迁移潜力的间充质细胞中富集。

实验结果验证

a) 体外实验：通过shRNA干扰手段下调H3K9ac在ESCC细胞中的表达，观察到靶基因msi1表达显著降低，从而抑制ESCC细胞的增殖和迁移能力。

b) 临床相关性：在癌症基因组图谱（TCGA）数据库中检测到msi1的高表达与ESCC患者的淋巴结转移和较差的生存预后显著相关。

研究结论与价值

本研究证明了H3K9ac特异性重编程在ESCC发生发展中的独特作用，揭示其与转录组异常之间的紧密相关性，突出其在肿瘤表观遗传调控中的潜在治疗价值。

科学价值： - 研究丰富了关于H3K9ac在癌症表观遗传调控中的角色认知，首次揭示其区别于另一个活性标志H3K27ac的特异性重编程模式。

应用价值： - 通过对H3K9ac的表观遗传调控深入研究，为ESCC的精准治疗和预后评估提供新的靶点和策略。

研究亮点： - 通过结合ChIP-seq、RNA-seq和scRNA-seq数据，全面揭示H3K9ac在ESCC进展与转移中的作用。 - 利用体外实验实验证实了H3K9ac对代表性靶基因msi1的调控作用，为未来研究提供了坚实基础。

尽管研究样本数量有限，但其结果为进一步探索H3K9ac在ESCC治疗中的可能性提供了重要启示，有望通过表观遗传调控开辟新的癌症治疗通路。