CpG岛的修饰与基因表达密切相关；CpG上的DNA甲基化与H3K4me3、H3K27me3修饰相关，并且H3K4/27me3又与染色体构象和折叠相关。正常细胞的CpG区域分布了H3K4me3和H3K27me3，并介导染色体正确折叠与结构。肿瘤细胞中表观遗传修饰紊乱，CpG区域则表现为失去H3K4/27me3修饰、以及相关染色体折叠，取而代之的是DNA的异常甲基化。
H3K4的甲基化由KMT2A-G多个蛋白催化，其中H3K4me1的主要催化蛋白是2C/D，但其他A/B/G等也能够催化，起到补充作用。本研究发现，正常细胞中CpG岛处的DNA不会甲基化，而在一些肿瘤细胞中，表观遗传修饰失调包括CpG岛出现DNA甲基化，与附近H3K4me1修饰相关。
DNA甲基化测序，采用亚硫酸盐测序，whole-genome bisulfite sequencing，WGBS
ChIP followed by bisulfite treatment and sequencing，BisChIP-seq
1肿瘤相关基因启动子上的CpG岛DNA甲基化水平变化
众所周知，肿瘤和肿瘤细胞的表观遗传组重编程，其中包括DNA甲基化水平在启动子CpG岛处异常提高，以及gene body上降低（Fig 1A）。测序分析发现，前列腺癌细胞中30%的CpG区域DNA甲基化水平升高（Fig 1B），这其中包括约7%CpG上整体DNA甲基化都提高（Fig 1C），同时也存在仅5‘或者3’端甲基化的CpG区域（Fig 1C-D）。
2临床样本中的DNA甲基化改变比较一致
进一步对临床样本进行测序，与前列腺癌细胞中的DNA甲基化变化相对一致（Fig 2A-C）。
3甲基化侵蚀的CpG区域附近，存在DNMT3B及催化的DNA羟甲基化
5hmC是5mC去甲基化过程的中间产物，在DNA维持非甲基化状态中起到重要作用，在正常前列腺组织中5hmC水平相对更高（Fig 3A），而且在癌变后获得不对称的高甲基化的CpG的5‘/3’区域，在正常细胞中5hmC是富集状态分布的（Fig 3B）。正常细胞中5hmC存在-DNA未甲基化，而在肿瘤细胞中DNA甲基化、伴随着5hmC消失（Fig 3C）。DNMT3B同样在此处富集，且在TET1/2/3突变体中水平更高（Fig 3D）；且这些CpG边缘上DNA甲基化水平同样在TKO中更高（Fig 3E）。
4CpG岛DNA甲基化侵袭与表达事件的关系
转录组测序发现，肿瘤细胞中CpG岛发生超甲基化的基因表达更低（Fig 4A），且相对于正常细胞显著下降（Fig 4B）。对于存在多个转录本的基因而言，TSS附近的CpG甲基化也导致其表达降低（Fig 4C-E）。
Figure 4
5CpG岛边缘上H3K4me1修饰的功能
ChIP分析H3K4me1/3及H3K27me3发现，H3K4me1在CpG区域的分布与肿瘤中异常的高甲基化相对应（Fig 5A-B）。正常细胞中，H3K4me3在未被甲基化的CpG岛上富集，而周边区域则没有分布（Fig 5C-D）；而在肿瘤细胞中这些CpG中一部分发生异常甲基化，导致其上H3K4me1消失（Fig5C-D）。如Figure 5E的区间为例，研究者认为H3K4me1和3在CpG的不同区域分布，作为介导DNA甲基化、以及功能的分界（Fig 5E）。
Figure 5
6H3K4me1标记CpG边界，成为肿瘤中甲基化增强的区域
H3K4me1/3的比例一定程度上预示了DNA甲基化及其侵袭水平。通过BisChIP-seq发现，H3K4me1标记的DNA在肿瘤中表现出更多的DNA甲基化（Fig 6A-C）。相对于H3K4me3和H3K27me3，H3K4me1标记的DNA在正常细胞中甲基化水平低，但一旦成为肿瘤细胞就带上高的甲基化水平（Fig 6D）。
Figure 6
7启动子CpG岛上，H3K4me1变化与DNA甲基化侵袭相伴随
Kmt2c/d是H3K4me1主要催化酶，其双突变细胞dCD或dKO中，H3K4me1在未甲基化的CpG岛边界分布反而增强（Fig 7A），可能来自其他催化酶的代偿效应。同样的DNA甲基化水平也增强（Fig 7B）。dCD或dKO中H3K4me1和DNA甲基化水平相符（Fig 7C）。而在小鼠生殖细胞就敲除Kmt2d后，发现HET和HOM中H3K4me1水平急剧降低（Fig 7D-E），导致DNA甲基化水平相应降低（Fig 7F-I）。
Figure 7
传统认为，H3K4上的修饰，包括H3K4me1和3，都起到转录激活的作用。近年来随着越来越多的研究报道，人们开始发现H3K4me1等修饰的新功能。CpG岛上H3K4me3和H3K4me1分布泾渭分明，暗示了其不同的功能。通过DNA甲基化测序、ChIP、以及ChIP联合甲基化测序，研究者发现了H3K4me1在CpG岛边界分布的新功能：正常细胞中分布在此处的H3K4me1在肿瘤形成时介导该CpG的DNA甲基化修饰，从而阻止该CpG上H3K4me3修饰，导致基因表达降低。这种独特的分布模式与H3K27me3等marker都截然不同，提示其在CpG区域DNA从头甲基化中特异性作用，研究者形象的称其为“播种-seeding”。
组蛋白甲基化与DNA甲基化，是表观遗传修饰重要的两大组成，已有部分研究分析了两者之间共存、相互影响的关系。本研究分析了组蛋白甲基化-H3K4me1促进肿瘤病理过程中DNA甲基化的机理，一方面揭示表观遗传不同修饰之间的关系，同时提示临床诊疗中两者联用的可能性。
本文来自：
1. Ksenia Skvortsova, Etienne Masle-Farquhar, Phuc-Loi Luu, ..., Christopher C. Goodnow, Clare Stirzaker, Susan J. Clark. DNA Hypermethylation Encroachment at CpG Island Borders in Cancer Is Predisposed by H3K4 Monomethylation Patterns. Cancer Cell 35, 297–314, February 11, 2019
Reference
1. Stirzaker, C., Song, J.Z., Ng, W., Du, Q., Armstrong, N.J., Locke, W.J., Statham, A.L., French, H., Pidsley, R., Valdes-Mora, F., et al. (2017). Methyl-CpG-binding protein MBD2 plays a key role in maintenance and spread of DNA methylation at CpG islands and shores in cancer. Oncogene 36, 1328–1338.
2. Widschwendter, M., Fiegl, H., Egle, D., Mueller-Holzner, E., Spizzo, G., Marth, C., Weisenberger, D.J., Campan, M., Young, J., Jacobs, I., et al. (2007). Epigenetic stem cell signature in cancer. Nat. Genet. 39, 157–158.
3. Sproul, D., Nestor, C., Culley, J., Dickson, J.H., Dixon, J.M., Harrison, D.J., Meehan, R.R., Sims, A.H., and Ramsahoye, B.H. (2011). Transcriptionally repressed genes become aberrantly methylated and distinguish tumors of different lineages in breast cancer. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 108, 4364–4369.
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