人类癌症表观基因组学很大程度上被重新制定，包括基因启动子区CpG岛的超甲基化和全基因组水平的低甲基化。CpG岛甲基化与染色质重塑及基因表达的关系已被广泛研究。H3K4组蛋白甲基化转移酶（HMTs）对基因表达调控的方式多样化。该家族包括6种主要成员，从KMT2A 到 KMT2G。H3K4me3已报道与活化基因启动子区未甲基化CpG岛的修饰及维持相关，DNA甲基化转移酶DNMT3A/L未与H3K4me2/3结合，但与H3K4me0有高结合，与H3K4me1的结合降低了2倍(Noh et al., 2015; Ooi et al,2007)。因此这可能会引起H3K4单甲基化在调节调控元件DNA甲基化模式中发挥作用。

DNA HYPERMETHYLATION ENCROACHMENT AT CPG ISLAND BORDERS IN CANCER IS PREDISPOSED BY H3K4 MONOMETHYLATION PATTERNS


H3K4单甲基化模式预示着癌症中CPG岛边界的DNA超甲基化堆积

正常细胞中启动子区CpG岛通常是低甲基化的，但在肿瘤细胞中，多为超甲基化。采用甲基化测序技术，作者鉴定了5’或3’CpG岛边界的部分甲基化堆积。其在前列腺癌和乳腺癌广泛分布，与基因抑制相关。正常细胞中，在CpG岛边界H3K4me1模式预测癌症CpG岛高甲基化的不同模式。值得注意的是，Kmt2d的基因操纵导致H3K4me1水平和CpG岛边界DNA甲基化堆积的共同变化。文章研究结果表明H3K4me1在正常细胞中的CpG岛甲基化边界的划分中起作用，其在癌症中被堆积。


样本5mC和5hmC检测

文章结果发现在5’或3’不对称甲基化的CpG岛边界，正常细胞中具有高甲基化，但广泛甲基化的或双向甲基化堆积的CpG岛在island shores具有高甲基化水平。正常组织中5hmC对DNA去甲基化及未甲基化CpG岛的保护具有重要作用。此外癌组织中5hmC大范围的减少可能会参与CpG岛的超甲基化。文章采用3对前列腺癌样本进行5hmC与5mC检测，正常组织中表现出增强的CpG岛shores 5hmC水平，且基因CpG岛DNA甲基化堆积伴随shores处5hmC的降低。


H3K4me1 在CpG岛边界的作用

采用chip-seq数据，分析H3K4me1在癌症CpG岛超甲基化中的富集方式。H3K4me1高富集于hESCs CpG岛的body区，在癌症中呈现广泛超甲基化。相反，癌症中未甲基化的CpG岛，在hESCs中表现为边界双峰富集及岛区域降低。并且，文章发现一种hESCs中不对称的H3K4me1富集模式，在对应5’或3’内CpG岛边界，易于癌症中DNA甲基化。通过可视化图展现了候选的CpG岛，显示癌症中5’和3’的甲基化堆积，可以由正常前列腺细胞中H3K4me1预先标记。


小结：

· 癌症中，启动子区CpG岛展现出不对称的边界甲基化；

· 正常细胞中，5hmC富集在CpG island shores易于甲基化扩散；

· CpG岛边界的H3K4me1模式与其甲基化模式关联；

· H3K4me1的破坏导致边界DNA甲基化的改变。


参考文献：

Skvortsova K, Masle-Farquhar E, et al.DNA Hypermethylation Encroachment at CpG Island Borders in Cancer Is Predisposed by H3K4 Monomethylation Patterns.Cancer Cell,2019.

ONT测序是独一无二的基于电信号识别碱基序列的三代测序技术，可直接读取甲基化修饰信息5mC、5hmC、6mA等，无需经过重硫酸盐处理或者抗体免疫沉淀富集，可绘制单碱基分辨率的DNA甲基化图谱。