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合作文章|解析三代结构变异与三维基因组在胰腺癌中的动态景观
2022-05-25 14:42

2022年5月15日,国家癌症中心、中国医学科学院肿瘤医院王成锋教授团队联合安诺优达在知名学术期刊Advanced Science(IF: 16.806)在线发表了题为“Dynamic Interplay between Structural Variations and 3D Genome Organization in Pancreatic Cancer”的研究文章。安诺优达为本研究提供三代SMRT长读长测序技术和Hi-C建库分析服务。安诺优达三维基因组大项目分析团队苑赞、赵玥以作者身份全程参与了本研究中三代结构变异与三维基因组动态变化分析方案的设计、生物信息学分析和稿件修改工作。


研究摘要

研究者对胰腺癌中通过三代技术鉴定到的染色质结构变异图谱进行了系统描述,重点研究了胰腺癌中的复杂染色质结构变异与高阶染色质构象变化之间的动态联系,发现了涉及两个胰腺癌关键驱动基因CDKN2A和SMAD4的大规模基因组结构重排,并从一维线性和三维互作角度阐明了它们对致癌基因MIR31HG、MYO5B等表达的影响。

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研究背景

染色体的结构和数量重排,统称为结构变异(Structural variation, SV),在很大程度上贡献了人类基因组的遗传多样性,与癌症遗传学、罕见病和进化遗传学有着高度的相关性。SVs不仅能影响基因的剂量,还能调节基因调控的基本机制。SVs可以改变调控元件的拷贝数,或通过破坏染色质的高阶组织(如拓扑关联结构域-TAD)来修改三维基因组。由于这些位置效应,SV可以影响远离SV断点的基因的表达,从而导致疾病。

 

胰腺癌是世界上最致命的恶性肿瘤之一,其中约90% 是起源于胰管上皮的胰腺导管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC)。在解读基因组结构变异对胰腺癌潜在致病进展的研究中考虑SVs对3D基因组和基因表达调控的影响很有必要。

 

研究结论

本研究选取了两株源自人胰腺导管上皮的胰腺癌细胞系(PANC1和 BxPC3)并选择永生化正常胰腺导管上皮细胞系(HPDE6C7)作为对照。


研究者在PDAC细胞系中鉴定到2万多SVs,其中多数SVs为插入和缺失突变(INS/DEL)。此外还对SVs在三维染色质结构Compartment、CDB(contact domain boundary)中的富集做了系统统计。

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因为TAD边界的存在,TAD内的SV一般会将扰动范围限制在所在TAD区域内,Cross-CDB SVs对染色质高级结构的扰动范围将会至少涉及CDB两端的TAD。染色质拓扑结构域边界需要CTCF结合在相应的染色质位置,再综合cohesin等染色质结构蛋白形成。TAD边界DNA的缺失一般会引起TAD边界的消失,进而使消失边界两端的TAD发生融合现象。


本研究在胰腺癌中观察到了这个规律,Cross-CDB SVs相对于其他区域的SVs更显著的和TAD融合现象相关。例如PANC1中的一个Cross-CDB Deletion不仅涉及CDKN2A(多重肿瘤抑制基因)的缺失,而且造成了所在区CDB的消失和两端TAD的融合。在胰腺癌的发生机制的研究中一般会强调CDKN2A的lost所造成的影响,进一步分析发现大约 90% PDAC中的CDKN2A失活与其附近的MIR31HG表达的上调相关,这可能涉及CDKN2A 纯合缺失造成的相邻基因组区域TAD融合异常表达调控有关。研究者还观测到有些非纯合Cross-CDB SVs所涉及的CDB并未消失,这显示了生物学样本内的异质性。

 

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近一半的胰腺导管癌有SMAD4蛋白表达缺失,研究者在BxPC3样本中发现了SMAD4所在基因组位置有一个大的缺失突变,反常的是缺失突变两端的DNA区的染色质交互几乎没有,按照常理缺失位置临近的两端区域之间的交互应该增强。作者对这个异常进行进一步研究发现,这里的Deletion还关联了chr18比较复杂的大规模染色结构质重排。这个染色质结构重排可能是由三处大的Deletion涉及的染色体碎裂引起。研究者利用Hi-C辅助基因组组装的相关原理模拟了chr18重排后的染色质排布。这提示了利用多种技术手段 (三代、Hi-C)综合分析染色质一维、三维结构的重要性。

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此研究项目应用了安诺优达自主开发的多组学可视化软件Annoroad-OMIC-Viz(https://github.com/Spartanzhao/Annoroad-OMIC-Viz)。文章的部分分析代码上传到了github(https://github.com/Spartanzhao/code_for_Advanced_Science_pancreatic_cell_Line_Hi-C)。点击原文链接即可直接跳转到文章页面。


国家癌症中心、中国医学科学院肿瘤医院王成锋教授和军事医学研究院陈河兵副研究员为论文的共同通讯作者,中国医学科学院肿瘤医院胰胃外科主治医师杜永星、博士生顾宗廷和李宗泽为论文的共同第一作者,安诺优达基因科技公司为本研究提供了相应的技术支持。北京大学李程研究员和中国医学科学院基础医学研究所陈阳研究员给予了重要的指导和帮助。该研究得到了国家自然科学基金和中国医学科学院医学与健康科技创新工程的支持。


安诺优达三维基因组

安诺优达作为国内早期提供三维基因组建库、分析和大项目服务的公司,积累了丰富的经验,2022年合作见刊的医学类三维基因组文章已有3篇。如有项目意向欢迎联系我们,期待我们的三维基因组大项目团队能够与更多的研究者深度合作,共同推动项目成果发表。


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