多组学构建癌症m6A甲基化图谱并揭示肿瘤恶化关键机制的研究
2025-12-18 来源:本站 点击次数:492025年3月24日，加拿大玛格丽特公主癌症中心/多伦多大学何厚胜（Housheng Hansen He）团队在《Nature Genetics》（IF29/Q1）上发表了题为“The landscape of N6-methyladenosine in localized primary prostate cancer”的科研成果。研究对162例局限性原发前列腺癌样本的m6A甲基化修饰图谱进行系统性探索，并结合m6A表观转录组（meRIP-seq）、基因组（WGS）、转录组（RNA-seq）和蛋白组等多组学数据，揭示了m6A修饰在肿瘤发生发展中的多层级调控机制（包括种系遗传风险、微环境失调、体细胞突变和转移等），确立了整体和位点特异性m6A模式均具有潜在的生物标志物价值。
本研究发现m6A修饰在不同患者中具有显著性差异，其整体模式受种系遗传和体细胞协同调控，鉴定出的5种m6A患者亚型（P1-P5）和5种m6A修饰亚型（M1-M5），与肿瘤分级、肿瘤大小、侵袭性导管内癌和筛状结构（IDC/CA）分型、基因组不稳定性及术后复发密切相关。研究进一步鉴定出1,350个m6A数量性状位点（m6A-QTLs），揭示种系遗传变异对m6A水平的调控，并证实缺氧微环境可介导m6A谱系改变。此外，功能验证表明，VCAN等基因上的m6A位点通过IGF2BP蛋白家族调控mRNA稳定性和翻译效率，直接促进肿瘤增殖、侵袭和转移，且与患者不良预后显著相关。总体而言，本研究揭示了m6A修饰与遗传背景、微环境及肿瘤表型之间的复杂互作，为开发新型预后标志物和治疗靶点提供了重要理论依据。
英文标题：The landscape of N6-methyladenosine in localized primary prostate cancer
中文标题：局限性原发前列腺癌中的m6A甲基化图谱
发表时间：2025-3-24
发表期刊：Nature Genetics
影响因子：IF29/Q1
技术平台：MeRIP-seq、RNA-seq、H3K27ac ChIP、WGS、蛋白组等
作者单位：加拿大多伦多大学、美国加州大学洛杉矶分校等
DOI：10.1038/S41588-025-02128-y
图形摘要：m6A修饰通过IGF2BP蛋白稳定VCAN mRNA并促进其翻译，从而增强前列腺癌细胞侵袭
研究方法
队列与样本：
研究纳入了162例经根治性前列腺切除术治疗的、国家综合癌症网络（NCCN）中危局限性前列腺癌患者的治疗前肿瘤样本，并进行了严格的质控，最终148例样本进入最终分析队列。
多组学策略：
- m6A MeRIP-seq：绘制前列腺癌全转录组m6A修饰图谱，并基于peak水平的m6A丰度进行共识聚类分析，鉴定出5种m6A患者亚型（P1-P5）和5种m6A修饰亚型（M1-M5）。
- 多组学整合：每例样本均匹配全基因组测序（148例）、DNA甲基化（146例）、H3K27ac ChIP-seq（29例）、超深度RNA-seq（92例）和蛋白质组学数据（54例），评估m6A与其他分子特征（如RNA丰度、拷贝数变异、DNA甲基化）之间的复杂关联，并在全基因组范围内鉴定出m6A数量性状位点（m6A-QTLs），形成完整的中心法则调控链数据集。
临床相关性分析：
- 生存分析：Cox比例风险模型评估m6A特征与患者复发（BCR）风险之间的关联。随机效应Meta分析整合6个独立队列（1,239例）验证m6A调控基因的预后价值。
- 功能验证实验：在PC-3等前列腺癌细胞系中，通过shRNA/siRNA敲低、dCasRx-METTL3系统进行位点特异性m6A writer、RIP-qPCR验证IGF2BP蛋白结合、核糖体图谱分析翻译效率、鸡胚模型检测细胞外渗能力，验证了VCAN等关键基因的m6A修饰功能。
（1）局限性前列腺癌的m6A修饰图谱
研究首先通过MeRIP-seq技术对148例质量合格的前列腺癌样本进行深度测序，系统描绘了局限性前列腺癌的全转录组m6A修饰图谱。分析显示，前列腺癌中m6A Peak数量呈高度异质性，中位值为7,611±2,922个，部分肿瘤可检测超过12,000个Peaks（图1a）。同时，m6A分布具有异质性，约16%的Peaks（5,146个）仅在单个样本中被鉴定，约20%（6,467个）在至少一半样本中出现，仅0.5%（167个）在所有样本中均被检测到（图1f）。值得注意的是，关键前列腺促癌基因如AR、MYC、MALAT1和FOXA1频繁发生m6A甲基化，而抑癌基因TP53、PTEN和RB1则极少被修饰，这种"促癌基因偏好性"提示m6A可能参与转录后致癌程序。
此外，研究鉴定出32,051个高置信度联合Peak，这些Peak显著富集于终止密码子附近和3' UTR区，符合m6A调控mRNA稳定性的经典模式。互信息分析揭示m6A与RNA丰度在约20%基因（839个）中存在显著关联，且整体呈负相关，支持m6A介导mRNA降解的功能，但与蛋白质丰度、拷贝数变异、DNA甲基化等其他分子特征关联较少（图1g）。
图1：前列腺癌m6A修饰图谱
（2）前列腺癌的m6A亚型和临床相关性
通过对5,203个m6A Peak进行共识聚类，研究鉴定出具有不同m6A模式的5种患者亚型（P1-P5）和5种m6A亚型（M1-M5）（图2a）。这些m6A亚型与多个临床病理特征相关（图2b），包括肿瘤大小和范围（病理T分期，pT）（图2c）、侵袭性导管内癌和筛状结构（IDC/CA）阳性率（图2d）、基因组不稳定性以及术后复发率（图2e）。从分子机制角度来说，不同亚型携带特征性的m6A调控因子变异，P4亚型富集YTHDF1基因扩增（图2g），而P2亚型常见FANCA基因缺失（图2h），这些变异表现出m6A writer、eraser、reader基因的体细胞拷贝数变异特征模式。
此外，研究鉴定出与关键临床指标（年龄、病理分级、IDC/CA状态等）相关的m6A位点。发现了8个m6A Peaks与病理ISUP分级相关（图2i），13个Peaks与IDC/CA状态相关。其中，NSD1基因上的m6A Peak丰度在IDC/CA阳性肿瘤中显著升高（图2j），而NSD1已知可增强雄激素受体（AR）转录激活，提示m6A可能通过调控AR信号轴促进结构侵袭。
图2：m6A的分子分型与临床相关性
鉴于前列腺癌是最具遗传性的实体瘤之一，研究深入探讨了种系遗传对m6A甲基化的调控作用。在约600M的种系多态性（SNP）中，筛选出4,755个位于已注释m6A位点的SNP，其中35个与MeRIP-seq鉴定的Peak重叠且等位基因含有A碱基。等位基因频率分析显示，活性m6A位点中A等位基因频率显著高于非活性位点（中位值0.83 vs 0.45），提示非A等位基因与m6A丰度降低相关（图3a-f）。
通过m6A-QTL分析，在全基因组范围内鉴定出14,775个显著关联的m6A-QTL，涵盖1,350个特异性Peak（图3g）。其中11%的SNP直接位于Peak内，4%与Peak存在HiChIP验证的染色质环互作，揭示远端调控的可能。代表性案例是rs4951018与SLC45A3基因m6A、RNA和蛋白丰度的三重关联（图3h），该基因是前列腺癌常见融合基因SLC45A3-ELK4的组分。上述研究首次建立前列腺癌遗传风险与表观转录组的直接联系，提示m6A-QTL可作为中介机制解释GWAS信号的生物学功能。
图3：m6A在原发性前列腺癌中的种系相关性
缺氧是前列腺癌不良预后的独立预测因子，研究探究了其对m6A图谱的系统性影响。通过将m6A Peak丰度与先前计算的缺氧评分进行Spearman相关分析，鉴定出2,280个缺氧相关Peak。这些Peak在缺氧肿瘤中丰度普遍降低，且显著富集于转录调控和染色质组织相关基因（图4a），提示缺氧可能通过m6A介导基因表达变化。m6A患者亚型也与缺氧相关，其中突变较少的P5簇最常氧（图4b）。
进一步验证中，将前列腺癌细胞系V16A和PC-3暴露于缺氧环境中24小时后行MeRIP-seq，发现缺氧特异性Peak与患者样本中的缺氧响应Peak显著重叠（图4f-g）。HNRNPLL基因的Peak在三组数据中均显示一致的缺氧负相关（图4h），证实其作为缺氧响应表观转录标记的准确性。
图4：肿瘤缺氧与广泛的m6A调控相关
研究系统评估了m6A在预后预测中作为生物标志物的潜力。
首先，m6A调控基因本身频繁发生体细胞变异，大多数肿瘤都存在影响m6A酶编码基因突变（图5a），在包含1,239名患者的六个独立队列的荟萃分析中，m6A调控基因的拷贝数变异能显著预测疾病复发（图5b）。其中VIRMA（Writer）和YTHDF3（Reader）扩增显著预测复发风险降低（图5b-d）。这种关联可能反映这些基因在特定背景下的抑癌功能。
其次，TP53和NKX3-1等抑癌基因的生存分析显示，m6A丰度提供了显著的预后信息（图5e）。TP53缺失背景下，更高的m6A修饰水平与与复发风险增加相关（HR: 3.35）（图5f-i）；NKX3-1缺失时也观察到类似趋势（HR=3.60）。这表明m6A可放大抑癌基因失活的后果。更直接的证据来自Peak水平分析：在20,334个常见Peak中，INHBA（转化生长因子β家族）、VCAN（细胞外基质）和ZFHX4（转录因子）上的Peak存在显著预测价值，INHBA、VCAN和ZFHX4转录本上的特定m6A Peaks与肿瘤复发强烈相关（图5j），其中VCAN Peak存在与与更差的患者结局相关（图5k）。
图5：m6A位点的生物标志物潜力分析
在功能验证环节，研究聚焦于VCAN这一预后最显著的m6A靶点。VCAN编码蛋白聚糖versican，是肿瘤基质的关键成分。研究发现，VCAN m6A Peak阳性肿瘤（~15%）的VCAN mRNA和蛋白丰度均显著高于阴性肿瘤，且该关联在5个独立患者队列（981例）中一致。高VCAN mRNA表达与更差的生存结局显著相关（图6a-b）。为证实VCAN的功能作用，研究在PC-3细胞系（高内源性VCAN m6A）中敲低VCAN，结果显示可以显著抑制细胞增殖、迁移和侵袭能力（图6c）。体内实验中，VCAN敲低可以显著降低异种移植瘤的生长（图6d）和转移过程中的细胞外渗。
在分子机制的探索上，研究人员揭示了m6A如何通过reader蛋白调控VCAN。使用dCasRx/METTL3系统对VCAN转录本进行位点特异性m6A添加后，VCAN的m6A修饰水平、mRNA和蛋白质丰度均显著增加（图6e-f），并增强了PC-3细胞的增殖和迁移（图6g-h）。RIP-qPCR实验证实VCAN mRNA是m6A reader蛋白IGF2BP1/2/3的共同靶标（图6i）。敲低这三个reader蛋白会降低VCAN mRNA和蛋白丰度（图6j），并抑制细胞增殖和侵袭。
图6：VCAN在体外和体内促进肿瘤增殖和进展
本研究系统绘制了局限性前列腺癌的m6A图谱，揭示了其与种系遗传、体细胞突变、肿瘤微环境（如缺氧）和临床结局的复杂关联。研究不仅将m6A确立为一种有前景的生物标志物，更重要的是通过VCAN等案例阐明了m6A通过稳定关键癌基因mRNA来促进肿瘤进展的具体分子机制。这为开发靶向m6A调控通路或其下游靶点的新型治疗策略（如靶向IGF2BPs）提供了理论依据。
MeRIP-seq技术是绘制全转录组m6A修饰图谱的经典方法。在本研究中，它不仅是发现工具（鉴定出32,051个高置信度m6A peaks），更通过将MeRIP-seq数据与基因组（SNP、CNA）、转录组（RNA-seq）、蛋白质组、临床病理数据整合，研究得以从关联走向机制，回答了“m6A在哪里”、“谁调控它”、“它影响什么”以及“它如何影响疾病”等一系列核心问题，为解析复杂疾病机制提供了方法学思路参考。
参考文献：
Xu X, …, He HH，et al. The landscape of N6-methyladenosine in localized primary prostate cancer. Nat Genet. 2025 Mar 24.. doi: 10.1038/s41588-025-02128-y.