文献简述丨癌症的趋势—表观遗传学在癌症中的应用

Trends in Cancer：DNA甲基化在癌症早期检测中的诊断能力

基于DNA甲基化的表观遗传学特征已经成为具有价值的癌症生物标志物。 该文重点介绍了基于液体活检的DNA甲基化谱图对早期癌症进行非侵入性诊断的优势，并讨论了以商业和学术合作开发的高级分析方法。

早期对癌症诊断，增加了有效治疗和适当监测疾病的机会。 对于许多类型的实体恶性肿瘤，通常要等到原发肿瘤转移后才会出现症状。 因此，在开发可靠，无创且具有成本效益的常见癌症早期检测方法方面，人们付出了很多努力。随着人们对肿瘤所发生的分子机制的认识不断提高，以及新分子技术的迅速发展，通过液体活检及体液中的肿瘤衍生分子，极大地扩展了早期非侵入性癌症检测的范围。从血液（血浆/血清），尿液，支气管肺灌洗液，乳腺抽吸液，唾液或痰等各种生物体液中分离出来的cfDNA（Circulating cell-free DNA）受到了广泛关注。特别是ctDNA（circulating tumor DNA），即来自肿瘤细胞的cfDNA的一部分，可用于早期诊断以检测癌症。在肿瘤发生发展过程中，ctDNA从凋亡或坏死的肿瘤细胞中释放出来，或通过活细胞主动分泌释放出来，可为检测提供有关原发性和继发性肿瘤的基因组组成的信息[1]。

遗传学和表观遗传学的改变都参与了癌症的发生与发展[2]，通过液体活检检测基因组和表观遗传的改变正在从概念逐渐在临床上得以现实。目前检测ctDNA的方法通常是基于对cfDNA中的体细胞突变进行测序，这对于监测具有可操作突变的肿瘤细胞克隆是非常有价值的。然而，由于复发突变的数量有限，这些方法在早期癌症患者中的诊断敏感性可能较低[3,4]。肿瘤组织的克隆性和异质性同样降低了检测cfDNA中特定体细胞单核苷酸突变的敏感性，从而稀释了在循环中可检测的信号。而这通常需要极高的检测敏感度，好比大海捞针。相比之下，DNA甲基化的分子约束并不那么严格，并且甲基化检测具有更好的早期癌症检测能力，具体优势如下：（i）表观遗传学的改变，例如异常的DNA甲基化，通常发生在肿瘤早期，并具有组织和癌症类型特异性[2,5,6]； （ii）DNA甲基化模式遍布整个肿瘤组织和相同的肿瘤类型，而体细胞突变通常仅限于肿瘤细胞的亚群/克隆。 （iii）DNA甲基化在较大的基因组区域内是一致的，因此可以使用多个CpG二核苷酸进行检测[6,7]。

cfDNA可以容易地从血液或其他体液中的捕获，并用以研究感兴趣的基因的DNA甲基化的水平（见图1）。目前，表观遗传特征可以通过各种技术进行鉴定，包括通过使用限制酶、使用基于亲和力的方法、或者通过亚硫酸氢盐转化来富集甲基化或未甲基化的片段，从而可以区分甲基化和未甲基化的胞嘧啶。迄今为止，研究最广泛的表观遗传改变是CpG二核苷酸处的5mc，其高度集中在基因启动子区域内的CpG岛中，癌细胞中的启动子高甲基化与抑制肿瘤基因的沉默有关，并导致之后肿瘤的发生[5,6]。每种DNA甲基化分析技术都有其自身的优势和局限性，但是在这一快速发展的领域中，技术的进步使得对位点特异性DNA甲基化的敏感性和特异性评估变得越来越精准。目前基于对多种癌症类型的多种肿瘤基因的研究，已经揭示了可用于早筛和预后诊断的DNA甲基化模式[7-9]。基于一些cfDNA甲基化的表观遗传生物标记，例如结肠直肠癌中的VIM和SEPT9 、 肺癌中的 PTGER4 / SHOX2、前列腺癌中 GSTP1和GSTP1皆已在临床上得以应用，并且已生产出商业检测试剂盒（表1）。

最近，更为先进的全基因组捕获技术已应用于检测异常的DNA甲基化位点，以便从不同的肿瘤类型中鉴定出更全面的甲基化谱[4,10,11]。基于这些DNA甲基化图谱创建的分类器，可通过液体活检的手段成为无创且特异性地癌症早筛技术[7,11,12]，目前正在开发的早筛产品在癌症检测中已经体现了很高的临床应用价值。多家公司已经开发了专有的技术平台，可促进快速、准确地检测ctDNA上各种基因组改变。合作共赢是实现表观遗传学在临床中应用潜力的关键。学术专家为这些合作带来了独特而宝贵的见解，而商业合作伙伴可以提供必要的投资来打包和转化这些新技术。多家公司现在已经利用大量的组织和液体活检样品在癌症基因信息最丰富的区域中鉴定并验证了表观遗传标记，并且通过机器学习算法，开发了能够检测癌症类型并对肿瘤组织溯源的检测方法[4,10,11,13]。目前在表观遗传技术深耕探索，并在非侵入性诊断中的处于世界前列的公司包括：EpiGene，Epigenomics，Exact Sciences，Freenomeiv，Genomictreev，GRAILvi，Guadant Healthvii，Advanced Medicine（LAM），和MDxHealthix等（表1）。癌症特异性表观遗传标志物也可以阐明肿瘤发生的独特分子机制，因此或许可以作为新的治疗手段、辅助疗法或技术在个性化医疗中起到支持作用。

结束语和展望

基于cfDNA和ctDNA的甲基化分析为各种癌症的早筛提供了新途径，并且由于其敏感性，特异性和易分析性，DNA甲基化标记物在常规临床癌症筛查中具有巨大潜力。尽管cfDNA甲基化已经成功地证明了其单独用于癌症检测和监测的可行性，但将cfDNA突变标记与经典的生化癌症标记和/或成像技术相结合[14,15]可能才是液体活检的有效检测标准。基于表观遗传技术对癌症或其他复杂疾病的早期诊断，已经极大地提高了人们的生活质量，这种技术能够及早发现疾病，并在患者仍然健康，以及条件利于治疗时，为临床干预取得更大的成功机会。结合其他体细胞和遗传标志物，表观遗传标记物的高度特异性，1）可有效提高个性化疾病管理；2）可以监控治疗反应并更精确地调整药物治疗，从而有机会优化治疗方案并减少不良反应。此外，表观遗传疗法已显示出有效治疗血液和实体癌的潜力，其与免疫疗法相的结合可能极大地有益于癌症治疗[16]。

随着我们对表观基因组及其可改变性（尤其是对干预的反应）的理解不断地加深和发展，其在临床中的创新和应用机会正在广泛展开。未来，这些技术的进步会更加有助于我们打造一套长期管理人类整体健康的方法；可以持续监控流行病，并适当调整生活方式，或实施早期临床干预措施，从而避免癌症等重大健康问题。

图1.ctDNA的起源以及液体活检中所常见的基因组改变。如图所示，外周血是液体活检的最常见来源（也可以使用其他体液）。凋亡或坏死性肿瘤细胞释放的ctDNA可以从一次简单的抽血中分离出来，并且可以通过分析ctDNA以鉴定在肿瘤中观察到的多种常见的DNA改变，包括突变，拷贝数变异，基因融合和DNA甲基化改变。如底部所示，已开发的ctDNA甲基化检测方法包括：dPCR, digital PCR; Infinium, Infinium Human Methylation BeadChips; MBD, methyl-CpG-binding domain; MC-seq, methyl-capture sequencing; MeDIP, methylated DNA immunoprecipitation; MIRA-seq, methylated-CpG island recovery assay combined with sequencing; Pyro-seq, pyrosequencing; qMSP, quantitative methylation-specific PCR; RRBS, reduced-representation bisulfite-sequencing; SMART, single molecule, real-time sequencing; WGBS, whole-genome bisulfite sequencing。

表一：部分非侵入性癌症DNA甲基化检测

参考文献：Trends in Cancer