值得借鉴！癌症的基因组三维结构变化

Cancer Is Associated with Alterations in the Three-Dimensional Organization of the Genome

癌症与基因组三维结构的变化有关
一、研究背景

人类基因组在三维结构上呈现为拓扑关联结构域（TAD），具有高度保守性。TAD 通过限制其调控元素之间的相互作用来促进基因表达调节，而 TAD 的破坏与癌症有关。

大规模的结构变异（SV），如拷贝数变异（CNV），可通过剂量效应驱动肿瘤的发生，因此许多频繁突变的基因可作为有效的生物标记用于癌症诊断，预后和临床管理。CNV可破坏TADs，阻止其相互作用，从而导致基因失调。

目前，临床基因组学分析主要集中在基因组的蛋白质编码区域，而对非编码变体的解释及其临床应用的研究相对匮乏。于是作者想要探讨基因组的三维组织的变化与癌症的关系，此外，作者还想探究TAD中CNV的存在与否与预测和解释患者预后的关系。

二、研究流程
三、结果解读
1、共有1467个拓扑关联域（TAD）构成人类基因组的Consensus TAD 图谱

不同组织间的TAD域含量不同，于是作者总结了24个由Hi-C数据构造出TAD图谱，计算出TAD图谱中TAD含量的中位数为1676 ，组织中TAD大小的中位数为1.12Mb。作者以热图的形式比较不同组织样品之间的TAD的重叠分数，发现不同人体组织的TAD图表现出高度相似性（图1A）。

接下来，作者想要构造代表人类基因组三维组织普遍特征的Consensus TAD图谱（图1B）。于是，作者计算出不同组织中核苷酸在 TAD 中组成的比例、包含一个或多个 TAD 边界的概率，经加权取平均值、筛选后共获得1467个Consensus TAD。

TADs之间的基因组区域根据大小分为拓扑边界区域 （TBRs） 或无组织染色质区域。TBRs的形成和稳定性与CCCTC结合因子（CTCF）的结合位点和管家（HK）基因转录启动位点（TSS）相关。于是，作者探究了CTCF/HK基因覆盖率与TADs/TBRs的关系，发现，与TAD相比，CTCF的结合位点与HK基因的转录起始位点在TBR处富集（图1C，D），这支持了作者对Consensus TAD的定义。

图1：TAD图谱

2、对于癌症相关CNV，6％的Consensus TAD富集或减少

基因组改变，如拷贝数变化（CNV）在癌症中很常见。为了研究Consensus TAD内频发突变的模式，作者从TCGA中获取经筛选后得到25种癌症类型的CNV数据。接下来，作者随机在每种癌症类型中选择100个患者样本，计算患者CNVs的中位数，发现不同癌症类型中CNVs数量不同（图2A）。

数据集中几乎所有（99.6%）的 CNVs（可能部分）与共识 TAD 重叠（图2B），并且TAD的大小仅与重叠的CNV的数量之间存在弱相关（ $\rho$= 0.32），这表明与异常CNV数量重叠的TAD可能参与了一般的癌症机制。

为了确定具有异常CNV的TAD，作者对于每个共识 TAD，从人类基因组中重复随机选择一个相同大小的区域，计算在该特定 TAD 中显示 CNV 的患者数量，并与随机对应方的患者进行比较。作者发现：对于癌症相关CNV，6％的Consensus TAD富集或减少（图2C）；显著富集的TAD主要与第一型干扰素反应和自然杀伤细胞活化有关，而减少的TAD与转录调节有关。

图2：共识TAD中不同组织CNVs的变化

3、富含CNV的TAD是癌症中有价值的预后生物标志物

为了评估CNV富集在癌症预后的作用，作者针对19种癌症类型进行LASSO Cox回归模型的训练，每种癌症类型中至少存在100名患者，并且至少10％的患者死亡。作者建立了两种模型预测癌症患者的预后，一种是基于泛癌基因（灰色）的模型，另一种为基于TAD（红色）的模型，根据C-指数对比知:

  • 红色的箱线图明显优于灰色的箱线图，即基于TAD的模型优于基于泛癌基因的模型（图3A）。

然后，作者运用TAD模型将癌症患者分为高风险组与低风险组，选取了BRCA、OV、SARC和UCES做K-M分析，并使用对数秩检验进行比较，显示P值均<0.05（图3B-E）。

根据一定的算法，作者获得了35个与预后相关的TAD。作者用热图显示了从LASSO Cox回归模型得出的每种预后TAD和癌症类型的危险比（HZ）；红色表示HZ> 1（较低的生存率），蓝色表示HZ <1（较高的生存率）。还将预后的TAD进一步分为三类：（1）不包含任何泛癌基因（橙色）的TAD。（2）仅包含非预后性泛癌基因（灰色）的TAD；（3）包含预后泛癌基因的TAD（黑色）（图3F）。发现：

  • 不同癌症类型之间具备结构变异的TAD不同，并且大多数预后相关的TAD不包含任何泛癌基因。

图3：某些TAD中CNV的存在/不存在预示着癌症患者的整体生存

接下来，作者想要说明泛癌基因与TAD预测能力的关系。SARC只在基于TAD的模型中才表现出可靠的性能，并且对SARC进行预后预测的5个TAD中都不包含任何泛癌基因。于是作者根据预后相关的TAD chr9：40000-2799999和chr12：125039000-128113999中是否存在CNV，将患者分为两组，分别做出K-M曲线（图4A、B），发现两组患者的生存率均低于该TAD中无CNV的患者。

因此，作者认为泛癌基因的存在不一定能解释TAD的预测能力。

然后，作者想要探讨TAD中CNV是否影响基因序列与LGG患者存活率的关系。于是作者根据预后TAD chr7：54760000-58079999和chr9:21240000-24400999中是否存在CNV（图4C、E），以及分别包含的预后泛癌基因EGFR和CDKN2A中是否存在CNV（图4D、F），将LGG患者分为两组，分别做出K-M曲线，发现发现四组患者的生存率均低于该TAD中无CNV的患者。

因此，作者认为预后TAD中的CNV无论是否影响基因序列，均与LGG患者的低存活率相关。

图4：SARC和LGG患者的Kaplan–Meier生存分析

4、34％的预后TAD倾向于经历癌症的大结构变化

为了进一步了解TAD模型与预后特征的关系，作者又构建了癌症Consensus TAD图。在Consensus TAD图中，癌症TAD图与正常TAD图相比，高度相似部分为44%，而显著差异部分高达34%，这可能与癌症中调控的相互作用改变有关。于是作者为TADs和1Mb长的上游和下游基因组区域的10 kb长的条带计算CNV密度。发现，本构和异构的TAD对CNV没有显示出任何差异性的富集，然而，CNV沿TAD的分布在TAD边界呈现出明显的差异（图5A）。

作者猜测是CNV破坏了TAD边界，从而导致基因表达程序的重新连接。作者观察到，在癌症基因组中受扰动的TAD存融合与分裂现象，并且，融合在癌症基因组中的TAD则在边界处富集CNV，而分裂的TAD在远离边界的地方富集CNV。因此，作者认为CNV不仅会导致边界的破坏，还能促进新边界的形成。

在35个预后相关TAD中，有43%是组成型的，34%为受干扰的，这表明TAD中至少三分之一的预测能力可能与基因组三维组织的变化直接相关，并且在不同的癌症类型中，预后TAD的本构与异构的比率相似。对于许多受干扰的预后TAD通过癌症基因组中的多次分裂和融合事件发生了转化，并与CNV的局部变化有关。因此在包含LGG的受扰动的预后TAD区域中：

  • 图5B：chr9：21240000-24400999 和 chr9：24431000-24564999中存在相对较高数量的CNVs，并且在CDKN2A位置出现峰值。

  • 图5C：chr1：8000000-10440999，CNV的数量朝3'端减少。

  • 图5D：chr3：196040000-198159999，CNV数量普遍增加。

在包含SARC的受扰动的预后TAD区域中：

  • 图5E：chr17:70680000-73360999中，TAD分裂为两个小TADs。

  • 图5F：chr12:125039000-128113999与相邻的TAD融合。

总之，除了CDKN2A（在考虑的数据集中明显是异常值）外，CNV局部数量的变化与位于这些区域（CAMTA1和MTOR，MUC4和TFRC）的全癌基因没有关系。

图5.TAD影响CNV
四、小结

作者首先总结24组Hi-C数据构造出TAD图谱，筛选后得到Consensus TAD图谱，并通过CTCF/HK基因覆盖率证实了Consensus TAD图谱的定义；接着，作者从TCGA中筛选获取CNV数据，探讨CNVs在Consensus TAD中的分布关系，研究Consensus TAD内频发突变模式；然后，作者通过LASSO Cox分别建立基于泛癌基因与基于TAD的模型，对比两模型的预测效果，并评估在TAD模型中CNV存在与否对癌症预后的作用；最后，作者对比了癌症TAD图与正常TAD图，探究两者之间CNV分布、基因组三维组织的变化的差异，论证了癌症与基因组三维结构的变化有关。

编辑：陈楚烽

校审：刘嘉颖

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