重磅揭示癌症的成因！DNA甲基化随着细胞分裂选择性缺失 | Nature Communications

DNA甲基化作为重要的表观修饰，在调控基因的时空特异性表达中起重要作用，参与X染色体失活、基因组印记和重复序列抑制等生命过程。

人体DNA甲基化在有丝分裂过程中保持稳定，这对细胞保持谱系特性有重要意义。

近日，来自美国密歇根大学的研究团队发现：随着细胞分裂次数的累积将导致特定区域甲基化的选择性丢失，其结果是产生非正常蛋白质，干扰正常细胞的构成，使细胞的功能和身份识别遭到大规模破坏，细胞变异并可能导致癌症。

所以，研究团队提出甲基化缺失是导致癌症的一个重要成因。

研究发表在《Nature Communications》上，原文题目为“Cell division drives DNA methylation loss in late-replicating domains in primary human cells。”

首先，研究团队使用原代人类细胞培养物来密切跟踪细胞群的体外复制，跟踪每次传代的累积细胞分裂（种群倍增，PD），在每次传代时，保留一部分细胞用于使用Infinium MethylationEPIC阵列(Illumina)进行DNA甲基化分析。

DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸对的C（胞嘧啶）上，研究团队测定单个DNA分子内新旧CpG的甲基化状态、甲基化的维持速率以及维持中可能伴随发生的从头甲基化事件。

研究发现，DNA甲基化可以在复制叉经过后数分钟内迅速恢复到较高的水平，说明存在一个复制偶联的快速维持阶段；即使复制叉经过后数小时，甲基化维持仍在进行，说明同时存在一个复制非偶联的缓慢维持阶段。

然后，研究团队分析细胞有丝分裂中DNA甲基化维持的动态过程和相关调控机制。

结果发现DNMT-PCNA以及UHRF1-LIG1的相互作用促进复制偶联阶段甲基化的快速维持，UHRF1-H3K9me2/3的相互作用促进复制非偶联阶段的甲基化维持速率，核小体的存在本质上会减缓复制非偶联阶段的甲基化维持速率。

下一步，研究团队想看看随着细胞分裂（种群倍增，PD）的增加会不会发生DNA甲基化丢失。

实验发现随着累积细胞分裂（种群倍增，PD）的不断增加，发现部分甲基化结构域 (PMD) 内的DNA甲基化开始缺失。

图1:部分甲基化结构域 (PMD) 内的DNA甲基化缺失由细胞分裂驱动

研究团队随后用丝裂霉素 C (MMC) 瞬时处理几个原代细胞 ( n  = 3) 3 小时，MMC是一种可以实现完全永久细胞周期停滞的DNA复制抑制剂，可以让细胞维持稳态数周，不发生有丝分裂。

结果发现原代细胞中的两个在通过MMC进行DNA合成停滞时没有发生显著的低密度CpG处 DNA甲基化的丢失（PMD单-WCGW低甲基化）。

这些提供了累积细胞分裂（种群倍增，PD）与PMD单-WCGW低甲基化之间直接因果关系的证据。

再下一步，研究团队使用携带端粒酶逆转录酶 (TERT) 的慢病毒构建体使原代成纤维细胞 (AG06561) 永生化，在选择永生化和对照载体细胞后，在多个传代中分析DNA甲基化。

永生化细胞比对照细胞实现了显着更高的细胞分裂（种群倍增，PD），研究团队在超过150次PD后终止了实验。

在第150次传代中，永生化细胞保持高度增殖。D相比之下，对照细胞只达到了40个PD，这时，大多数细胞CpG已降至低水平的甲基化。

接下来，研究团队发现甲基化缺失也是导致癌症的一个重要成因。

DNA甲基化作为基因启动“开关”（启动子），当基因体内的启动子出现甲基基团损失，基因就会出错。其结果是产生非正常蛋白质，干扰正常细胞的构成，使细胞的功能和身份识别遭到大规模破坏，细胞变异并可能导致癌症。

所以，结果表明衰老和肿瘤中甲基化丢失的CpG位点表现出较低的甲基化维持速率和从头甲基化频率，可能造成一些不易维持的CpG位点在不断的有丝分裂中逐渐丢失甲基化，这是衰老和肿瘤中甲基化丢失的重要的机制。

研究团队表示这将为治疗癌症提供新途径。如果我们找到一种方法，能使甲基基团转移到暴露的癌细胞DNA序列上，就有可能阻止癌细胞繁殖。

最后，研究团队提出了一个模型“RepliTali”来估计细胞分裂（种群倍增，PD）与DNA甲基化丢失间的关系。

图2:RepliTali 的构建和性能

部分甲基化结构域 (PMD) 内的DNA甲基化缺失，在正常组织中随着年龄的增长而进展，并且在癌症中进一步恶化。

研究发现通过这种模型也再次证实了DNA低甲基化是由增殖相关的DNA复制直接驱动的。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34268-8

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