一文了解 WGD | 全基因组加倍的致癌性研究
时间：2024-04-09 阅读：247
全基因组加倍（WGD）是指细胞中整组染色体的复制，在各种组织的癌前病变中都能观察到 WGD 变化[1]。有研究预估约 30% 的人类癌症中会有 WGD 改变[2]。在有丝分裂间期，染色质是一个由 DNA 环、结构域以及不同区室多层组织紧密排布的 3D 结构，染色质结构的正确排布与染色质活性以及细胞状态密切相关[3]。在肿瘤易感性遗传背景下，例如 p53、 Rb 缺失，WGD 倾向于获得染色体的改变从而促进肿瘤的发生[2]。不同类型的肿瘤常常观察到有染色体结构的改变，这通常与 CTCF 或 cohesin 结合改变[4]，组蛋白修饰的异常有关[5]。然而，WGD 细胞中染色质的三维组织及其对致癌表型的贡献目前尚不清楚。
今年，一篇发表在 Nature 上名为“ Whole genome doubling drives oncogenic loss of chromatin segregation ”的研究报告中，来自瑞士洛桑联邦理工学院的 Elisa Oricchio 和洛桑大学的 Giovanni Ciriello 领导的研究人员发现了关于 WGD 如何导致癌症的新线索。研究人员通过高通量染色质构象捕获 （Hi-C） 分析来分析 WGD 诱导前后的染色质组织，证明了在 p53 缺陷细胞中，WGD 诱导染色质分离缺失 （LCS），如图1所示。
图1：WGD 诱导 LCS 产生
LCS 表现为短染色体和长染色体、不同区室以及相邻染色质域间的分离减少，如图2所示。研究人员发现 p53-/- WGD 细胞中 CTCF 和 H3K9me3 下调导致细胞逃逸四倍体检查点而驱动 LCS 发生。LCS 使原本顺利分离的染色体亚区室发生重新定位，导致发生与癌基因激活相关的染色质和表观遗传变化。
图2：WGD 诱导的染色质分离缺失和亚区室重新定位
文章指出，WGD 促使染色体不稳定性增加，从而导致促癌基因的激活，但是 WGD 介导的 LCS 导致的亚区室重定位不依赖于染色体的不稳定性，两者在促进肿瘤的发生与发展的机制上是互补的。
为了充分采集和选择表征染色体致瘤性的动态改变，文章进行高度多重化的单细胞 Hi-C （scHi-C） 实验，利用胞质分离阻断以及有丝分裂滑脱的方法将二倍体细胞通过 WGD 加倍成四倍体细胞，相应地，染色体加倍后细胞核的体积会变大，如图3所示。
图3：WGD 导致细胞核体积增大
文章中使用单细胞分离系统 DispenCell 分离单个细胞核用于进行 scHi-c 实验。DispenCell 原理与库尔特计数仪类似，细胞核经过分离器的尖l端时产生的阻抗信号与细胞核大小正相关[6]，如图4所示。
图4：DispenCell 根据阻抗信号选择和分离单细胞
通过控制 DispenCell 的分离阈值选择二倍体核池中 75Ω - 400Ω 的核，排除碎片以及结团。选择四倍体核池中 200Ω - 400Ω 的细胞核，以排除没有加倍成功以及成团的细胞核。利用 DispenCell 将不同核型的细胞核分离到 96 孔 PCR 板中，对细胞核进行脱交联，加标签以及 PCR 扩增处理后进行单细胞测序，结合条形码技术和计算方法来追踪和推断多个时间点的染色质结构。这种新的方式有助于进一步解释染色质的 3D 结构以及为研究 WGD 和染色质进化在肿瘤发生和肿瘤进展中的作用提供了新的视角。
参考文献：
1. Olaharski, A. J. et al. Tetraploidy and chromosomal instability are early events during cervical carcinogenesis. Carcinogenesis 27, 337–343 (2006).
2. Bielski, C. M. et al. Genome doubling shapes the evolution and prognosis of advanced cancers. Nat. Genet. 50, 1189 (2018).
3. Lieberman-Aiden, E. et al. Comprehensive mapping of long-range interactions reveals folding principles of the human genome. Science 326, 289–293 (2009).
4. Flavahan, W. A. et al. Altered chromosomal topology drives oncogenic programs in SD deficient GISTs. Nature 575, 229–233 (2019).
5. Weischenfeldt, J. et al. Pan-cancer analysis of somatic copy-number alterations implicates IRS4 and IGF2 in enhancer hijacking. Nat. Genet. 49, 65–74 (2017).
6. Miguel G. et al. Impedance based Pipetting of Rare Cells at Single Cell Resolution and Minimal Loss: From FACS to DispenCell. F.C.C.F