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Nat Cancer | 缪小平/田剑波团队破译结直肠癌表观遗传动态演变模式，识别功能性调控位点助力肿瘤早筛

08月28日

来源：BioArt

近年来，随着GWAS的推进，研究者已识别出超过200个与结直肠癌相关的遗传易感位点，为结直肠癌高危人群的识别和个体化预防提供了重要依据和线索。然而，这些研究发现的遗传易感位点直接精准应用于医学转化实践仍面临一定的挑战。绝大多数易感位点分布于基因组非编码区域，其统计关联性背后的具体生物学作用机制亟待阐明。得益于基因组高通量技术发展，研究者揭示这些非编码区富集着诸如启动子、增强子、绝缘子、沉默子等多种顺式调控元件（Cis-Regulatory Element, CRE），它们在基因表达调控网络中扮演核心角色。位于CRE区域的遗传变异，能够干扰转录因子的正常结合，改变调控元件的活性状态及染色质空间构象，最终导致靶基因表达失调并影响疾病易感性。因此，如何从海量统计学关联信号中精准定位致病遗传变异并阐明其功能，成为当前肿瘤分子流行病学研究的核心挑战与机遇，也是推动其转化为有效生物标志物或预防干预靶点的关键前提。另一方面，结直肠癌的发生是一个“息肉-进展期腺瘤-癌”动态演变的过程，演变过程中早期表观遗传驱动因子的认识仍显不足，CREs功能的表观重塑在其中如何发挥作用也是一个值得深入探索的科学问题。

2025年8月25日，武汉大学公共卫生学院和泰康生命医学中心缪小平/田剑波教授团队，在Nature Cancer期刊在线发表题为“Characterization of cis-regulatory elements and functional variants in colorectal cancer using epigenomics and CRISPRi screenings”的研究论文，破译结直肠癌表观遗传动态演变模式，构建了中国人群结直肠癌动态演变全过程的表观遗传调控图谱。

值得注意的是，并非所有具有活性的CREs都会对肿瘤表型产生功能性影响。如何有效区分那些真正参与肿瘤发生过程的功能性调控元件与非功能性调控元件，仍然是当前面临的重要科学挑战。迄今为止，针对功能基因和功能性区域的筛选工具已在大量研究中广泛应用，常用技术包括RNA干扰（RNAi）筛选和CRISPR/Cas9基因编辑技术等。其中，CRISPRi功能筛选技术利用无酶活性的Cas9（dCas9）融合KRAB转录抑制结构域，可高效、精准地抑制特定基因组区域的转录活性，并因其较高的生物安全性，与RNAi和cDNA过表达文库等技术相比，CRISPRi在高通量筛选中表现出更低的脱靶效应和更稳定的抑制效果，因此正逐渐成为高通量鉴定功能性调控元件的有力工具。

为解决上述问题，研究团队收集了130例结直肠癌患者的533份多阶段组织样本（涵盖正常组织、进展期腺瘤及癌组织），综合运用ATAC-seq、H3K27ac ChIP-seq、Hi-C和RNA-seq等多组学技术，首次构建了结直肠癌动态演进过程的染色质遗传调控元件CREs图谱。结果发现：随着肿瘤进程的动态演变，染色质开放状态（ATAC）与组蛋白修饰（以H3K27ac为代表）呈现渐进性重编程趋势。为进一步识别参与结直肠癌恶性转化的关键调控元件，团队基于多阶段样本中CREs进行了驱动演变模式分析，最终鉴定出7492个肿瘤阶段变化的CREs，共分类为7种演变模式，对应不同的肿瘤生化过程。比如，其中一个模式是呈现685个 CREs在肿瘤演变过程中活性持续增强（Gain），其中结直肠癌经典癌基因MYC受这种模式调控；另外，318个CREs在肿瘤演变过程中活性逐渐丢失（Lost），其中结直肠癌经典抑癌基因SMAD4受这种模式调控。进一步对这些阶段差异CREs进行功能注释，明确了其参与基因调控的生物学机制，主要表现为转录因子结合位点和组蛋白修饰状态的改变。尤为重要的是，差异CREs区域内遗传变异位点显著富集于结直肠癌GWAS区域，提示这些非编码调控变异与结直肠癌易感性之间的潜在联系。此外，不同演进阶段特有的CREs调控的靶基因，在生物学功能上表现出显著差异，进一步体现了表观调控在肿瘤阶段转变过程中发挥独特的关键作用。

研究团队进一步采用CRISPRi高通量功能筛选技术，对肿瘤阶段变化的7492个活性调控元件进行系统性功能验证。通过高通量设计59697条sgRNA构建文库，在稳定表达dCas9-KRAB的SW480和HCT116细胞系中进行两轮独立筛选，包括185个促癌CREs和80个抑制癌细胞增殖的CREs，为影响结直肠癌发生的功能性调控元件提供了宝贵资源。值得注意的是，在两种结直肠癌细胞系的功能筛选中，研究团队识别出一批调控已知与结直肠癌发生和发展相关的基因的CREs，包括MYC、SMAD3、SMAD4和ABHD5等。这些CREs的功能验证不仅确认了其对关键基因的调控作用，也凸显了它们在结直肠癌发生中的潜在重要性，同时反映出本研究结果具有较高的可靠性和稳定性。进一步分析显示，这些功能性CREs中，49个特异性富集于癌阶段，55个在腺瘤与癌阶段共享，提示它们分别在癌变晚期和早期阶段分别扮演独特的调控角色。另外，对这些功能性CREs进行功能注释发现，功能评分越强的区域，其内部的遗传位点对结直肠癌的遗传易感性贡献越高，并且也更易在结直肠易感区域更易富集，其富集程度是非功能性CREs的3.5倍。

在过去十几年中，GWAS研究在识别结直肠癌风险相关位点方面取得显著进展。这些发现已被广泛应用于多基因风险评分（Polygenic Risk Score, PRS）,为结直肠癌高危人群的识别、精准预防和早期检测提供了重要工具。然而，基于传统GWAS变异构建的PRS在预测性能上仍存在局限，尤其难以全面涵盖与疾病功能密切相关的遗传变异。为此，本研究基于CRE功能性调控元件内的遗传变异构建了一种功能性PRS模型，该模型整合了323个功能性变异，并在多种族、大规模人群中评估其风险预测效能和高风险人群识别能力。首先，在约2万例中国病例对照人群中，功能PRS评分高的人群罹患结直肠癌的风险是低评分组的1.87倍，并在国际GECCO结直肠癌联盟中得到验证；进一步，该模型在癌前病变（进展期腺瘤）预测方面展现出价值，在中国筛查人群中，功能性PRS评分前20%人群罹患结直肠进展期肿瘤的风险是低评分组的1.59倍，该结果也得国际PLCO遗传联盟数据的独立验证；最后在前瞻性人群队列中，功能性PRS能够有效地前瞻性预测新发结直肠癌病例。与传统GWAS统计学关联位点衍生的PRS相比，本研究提出的功能性PRS在风险分层和新发病例预测方面均表现出更优的性能，体现了功能性PRS在提升结直肠癌风险预测准确性与稳健性方面的潜力，有望为结直肠癌镜检（金标准）前对普通人群进行高风险分层提供了一种更为便捷、可行的补充策略，也突显了其在个性化筛查和预防中的应用价值。

最后，研究团队对CRISPRi筛选中功能评分最强的CRE元件及其功能性遗传变异位点rs10871066进行了流行病学人群验证和生物学功能解析。经过全球多中心、跨种族人群病例对照研究揭示：该位点G等位基因突变显著增加了个体罹患癌前病变及结直肠癌（OR=1.27, P=1.03×10−13）风险；在功能机制层面，CRE调控位点-rs10871066具有双向功能调控作用，转录因子FOXP1和TCF7L2分别与rs10871066的A和G等位基因特异性结合，从而介导该元件从“沉默子”转变为“增强子”功能角色转换，其功能由抑制目标基因PIBF1的表达转换为促进目标基因KLF5的表达。进一步的肿瘤表型实验发现靶基因KLF5可作为转录调控因子，可激活Wnt、TGF-β等致癌通路促进肿瘤增殖；另一个靶基因PIBF1则通过抑制自然杀伤细胞（NK细胞）释放穿孔素，进而促进癌细胞的免疫逃逸。该基因编码的蛋白作为黄体酮免疫调节结合因子，之前发现可以抑制NK细胞攻击防止孕妇先兆流产的保护作用，而在肿瘤疾病中，因抑制NK细胞介导免疫逃逸促进肿瘤恶性增值，这也反映了在疾病的发生过程中，某些重要的基因的可能发挥类似“南橘北枳”的角色，需要综合评估其作用方式，才能正确理解其功能角色。

综上所述，本研究构建了中国人群结直肠癌动态演变全过程的表观遗传调控图谱，系统解析了从癌前病变到肿瘤演化的动态调控机制，深入揭示了该过程中关键分子事件与功能机制；研究采用高通量的CRISPRi功能筛选技术，系统性鉴定结直肠癌功能性调控元件，为探索结直肠癌发生机制提供了可靠方法与创新视角；基于上述功能元件构建的PRS模型，突破了传统遗传风险预测的瓶颈，为中国人群结直肠癌精准早筛提供了新工具。研究还揭示了“沉默子-增强子”转换这一新型表观遗传重编程新机制，为CRC靶向干预提供了潜在遗传分子靶点。这些成果深化了对结直肠癌遗传易感新机制的认识，为实现“健康中国2030”肿瘤早诊早治目标提供了关键技术支撑。

该研究还受到期刊编辑邀请，以“Epigenomics and CRISPRi Reveal Cis-Regulatory Elements in Colorectal Cancer”为题撰写Research Briefing，作为研究亮点进一步阐述了其在肿瘤研究领域中的科学价值与范式借鉴。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s43018-025-01031-z

责任编辑：肿瘤资讯-Skye
排版编辑：肿瘤资讯-as

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