前列腺癌仅次于肺癌，是男性死于癌症的第二大原因且极可能迁移至骨小梁。前列腺癌的侵袭和扩散受基因表达和基因组畸变影响。21号染色体上的TMPRSS2-ERG易位可能是因为染色体区室改变引起的不同位点互作频率增加，与前列腺癌患者预后不良强关联。前列腺癌的转录组和对应的表观结构已有所解析，而贯穿整个癌症扩散的早期基因组结构还有待阐述。
该研究正是采用9个细胞系来模拟前列腺癌从正常上皮细胞到骨骼的转移过程，利用Hi-C结合TCGA数据库中549个前列腺癌病人的基因表达信息，帮助进一步解读早期癌症发生和迁移所必须的基因，以及从三维角度提供可能的前列腺癌扩散的预后标志。
文章：Chromosome compartmentalization alterations in prostate cancer cell lines model disease progression
期刊：The Journal of Cell Biology（IF：10.539）
发表单位：田纳西大学等
预发表时间：2021/12/10
研究思路
研究数据：Hi-C（实验，RWPE、PrEC和LNCaP C4-2B公共数据）+基因芯片+TCGA
前列腺癌扩散过程的模拟细胞系
备注：
正常上皮组织（RWPE1），正常人前列腺上皮细胞（PrEC）
早期腺癌模型（LNCaP）
原型成骨细胞骨转移（VCaP，MDAPCa2a和MDAPCa2b）
小鼠骨转移模型（22RV1，LNCaP C4-2B）
非典型转移细胞系（DU145，PC3）
研究结果
模拟前列腺癌从正常上皮细胞到骨骼的发生过程，该研究率先选取四种细胞（非转化对照组RWPE，局部癌症组LNCaP，骨转移组VCaP和MDAPCa2a）进行Hi-C实验，展示全基因组水平相互作用并关注到1Mb、250kb和40kb分辨率的相互作用，检测到84%已报道的易位以及一些较小的易位事件。
前列腺癌从正常上皮细胞到局部再到骨骼的全基因组水平相互作用
在250kb分辨率下，RWPE与局部和骨转移癌细胞之间的A/B compartment具有特异性和局部性的变化，其中21号染色体发生了3个显著的compartment identity switches，转换区域还包含有TMPRSS2-ERG位点。这种转换发生在早期且在后续转移过程维持不变。该研究一共检测到181个基因组位点发生了B到A的compartment转换，联合Clariom-S基因芯片，最终找到25个B to A compartment的基因在LNCaP上调并在VCaP和MDAPCa2a中进一步上调，包括有邻近TMPRSS2的CDK14、WNT5a和BACE2。这些转录热点共存在成骨细胞的转移细胞中，可能是定植和继发性骨位置所必需的。在骨转移细胞系VCaP中，TMPRSS2-ERG易位在21号染色体长臂以 250-kb的分辨率清晰可见。
前列腺癌从正常上皮细胞到局部再到骨骼的compartment转换
在40kb分辨率下，LNCaP、DU145、MDAPCa2B和PC3细胞系中，WNT5A定位在带有LRTM1而不是ERC2的TAD中。 而在VCaP中，这三个基因在同一个TAD中，并且与WNT5A的功能相关的FZD1和CDK14也切换到 A compaprtment。此时基因被位于CDK14基因体顶部的TAD边界隔开，但与RWPE相比，癌细胞系中单独的TAD上的环明显增加。通过对所有发生compartment转换位点调查关于最常伴随compartment水平变化的局部结构变化，概括得到5种类型。AR位点在不同细胞系中都发生了这5种变化。并且在B to A中，五种结构变化发生概率相当，而在A to B中的分布具有明显差异。
关于TMPRSS2-ERG位点，它从RWPE转移到癌细胞系时处于B to A compartment中。在RWPE中，该位点包括TMPRSS2下游基因在一个大的TAD中。在LNCaP、22RV1、MDAPCa2a和PC3亦是如此还伴随轻微TAD边界转换。在LNCaP-C42B、DU145、MDAPCa2b和VCaP细胞系中，该位点出现了子TAD并将MX1基因与其分隔开。
前列腺癌转移过程的TMPRSS2-ERG位点相互作用变化
最后该研究评估前列腺癌扩散过程的细胞系模拟结果和真实病人的相关性，采用TCGA数据库的PRAD数据集，该数据包含有52个正常人和497个病人组成的549样本并由指示癌症严重程度的Gleason分数进行划分。将数据集和细胞系中compartment发生A to B/ B to A转换时表达变化的基因进行分析，总结得到B to A时模拟细胞系中大量发生改变的基因一般在病人样本中增加表达或在疾病加重时表达增加，例如WNT5A和HUNK。
TCGA样本中compartment发生转换时基因表达变化
小 结
该研究利用模拟癌症转移过程的多个细胞系，使用Hi-C技术的多层级3D结构分析以及基因芯片的基因表达信息进一步解析疾病重要的结构变异，最后再联系癌症基因信息数据库的病患样本信息，共同阐释前列腺癌转移过程的3D基因组变化并证实3D基因组结构改变对病变转移有关键性的作用。
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参考文献：
San Martin R, Das P, Dos Reis Marques R, et al. Chromosome compartmentalization alterations in prostate cancer cell lines model disease progression[J]. Journal of Cell Biology, 2021, 221(2): e202104108.
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