人類癌癥表觀基因組學很大程度上被重新制定，包括基因啟動子區(qū)CpG島的超甲基化和全基因組水平的低甲基化。CpG島甲基化與染色質重塑及基因表達的關系已被廣泛研究。H3K4組蛋白甲基化轉移酶（HMTs）對基因表達調控的方式多樣化。該家族包括6種主要成員，從KMT2A 到 KMT2G。H3K4me3已報道與活化基因啟動子區(qū)未甲基化CpG島的修飾及維持相關，DNA甲基化轉移酶DNMT3A/L未與H3K4me2/3結合，但與H3K4me0有高結合，與H3K4me1的結合降低了2倍(Noh et al., 2015; Ooi et al,2007)。因此這可能會引起H3K4單甲基化在調節(jié)調控元件DNA甲基化模式中發(fā)揮作用。

DNA Hypermethylation Encroachment at CpG Island?Borders in Cancer Is Predisposed by H3K4?Monomethylation Patterns

H3K4單甲基化模式預示著癌癥中CpG島邊界的DNA超甲基化堆積

正常細胞中啟動子區(qū)CpG島通常是低甲基化的，但在腫瘤細胞中，多為超甲基化。采用甲基化測序技術，作者鑒定了5’或3’CpG島邊界的部分甲基化堆積。其在前列腺癌和乳腺癌廣泛分布，與基因抑制相關。正常細胞中，在CpG島邊界H3K4me1模式預測癌癥CpG島高甲基化的不同模式。 值得注意的是，Kmt2d的基因操縱導致H3K4me1水平和CpG島邊界DNA甲基化堆積的共同變化。文章研究結果表明H3K4me1在正常細胞中的CpG島甲基化邊界的劃分中起作用，其在癌癥中被堆積。

樣本5mC和5hmC檢測

文章結果發(fā)現(xiàn)在5’或3’不對稱甲基化的CpG島邊界，正常細胞中具有高甲基化，但廣泛甲基化的或雙向甲基化堆積的CpG島在island shores具有高甲基化水平。正常組織中5hmC對DNA去甲基化及未甲基化CpG島的保護具有重要作用。此外癌組織中5hmC大范圍的減少可能會參與CpG島的超甲基化。文章采用3對前列腺癌樣本進行5hmC與5mC檢測，正常組織中表現(xiàn)出增強的CpG島shores 5hmC水平，且基因CpG島DNA甲基化堆積伴隨shores處5hmC的降低。

H3K4me1?在CpG島邊界的作用

采用chip-seq數(shù)據(jù)，分析H3K4me1在癌癥CpG島超甲基化中的富集方式。H3K4me1高富集于hESCs CpG島的body區(qū)，在癌癥中呈現(xiàn)廣泛超甲基化。相反，癌癥中未甲基化的CpG島，在hESCs中表現(xiàn)為邊界雙峰富集及島區(qū)域降低。并且，文章發(fā)現(xiàn)一種hESCs中不對稱的H3K4me1富集模式，在對應5’或3’內CpG島邊界，易于癌癥中DNA甲基化。通過可視化圖展現(xiàn)了候選的CpG島，顯示癌癥中5’和3’的甲基化堆積，可以由正常前列腺細胞中H3K4me1預先標記。

小結：

• 癌癥中，啟動子區(qū)CpG島展現(xiàn)出不對稱的邊界甲基化；
• 正常細胞中，5hmC富集在CpG island shores易于甲基化擴散；
• CpG島邊界的H3K4me1模式與其甲基化模式關聯(lián)；
• H3K4me1的破壞導致邊界DNA甲基化的改變。

 

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ONT測序是基于電信號識別堿基序列的三代測序技術，可直接讀取甲基化修飾信息5mC、5hmC、6mA等，無需經(jīng)過重硫酸鹽處理或者抗體免疫沉淀富集，可繪制單堿基分辨率的DNA甲基化圖譜。

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