美國《科學家》雜誌聚焦高通量表觀遺傳為腫瘤和免疫研究帶來新機遇
最近，美國《The Scientist》雜誌邀請了表觀遺傳領域的牛人分享如何利用高通量表觀遺傳技術來分析胞內代謝產物對細胞生理功能的影響。
新興技術的出現，在細胞內新陳代謝和DNA表觀遺傳修飾間架起了一道橋樑，也為研究者對免疫和腫瘤的研究拓展了新的道路。
最新一期美國《The Scientist》雜誌也邀請了表觀遺傳領域的位牛人分享如何利用高通量表觀遺傳技術來分析胞內代謝產物對細胞生理功能的影響。
1
T細胞的開關
研究者：李銘 (Ming Li ) 紀念斯隆凱特琳癌症中心的免疫學家
研究項目：有氧糖酵解（Warburg效應）通常被認為是T細胞活化後的代謝特徵。通過此代謝途徑，T細胞即便處於有氧的環境中，胞內的葡萄糖也會被轉化為厭氧過程中的典型產物3-碳乳酸酯分子，並且可增強促炎細胞因子IFN-γ的表達。
雖然已有研究證明，有氧糖酵解被抑制後，可增加了另一種酶與IFN-γmRNA的3"非翻譯區（3"UTR）結合，從而降低了該基因的翻譯。但李銘的研究小組卻發現，即便刪除了3"UTR，有氧糖酵解過程並沒有被恢復，IFN-γ表達水平仍處於下調狀態。顯然，有氧糖酵解促進IFN-γ表達的背後機制還不是很明確。
研究成果：為了尋找基因表達和糖代謝之間的另一種聯繫，研究小組通過染色質免疫沉澱（ChIP-Seq）發現，野生型和LDHA敲除細胞存在不同的組蛋白乙醯化（促進基因表達）和基因表達模式。
LDHA敲除細胞中86％的下調基因（包括IFNγ）顯示組蛋白乙醯化減少。而在LDHA驅動有氧糖酵解的能量產生過程中，會促使線粒體維持乙醯輔酶A高濃度，增強Ifng的組蛋白乙醯化和轉錄，促進IFN-γ表達。因而，LDHA可能成為自身炎症性疾病治療靶點。
方法總結：文章在試圖闡明代謝物在表觀遺傳效應中所起的作用時，尋找了DNA甲基化或組蛋白乙醯化等特定變化，然後尋找可能產生這些標記所需要成分的代謝途徑。
2
細腫瘤生物化學
研究者：Oliver McDonald 病理學家 Vanderbilt大學
研究項目：胰腺導管腺癌（胰腺癌的最常見形式）中的原發性腫瘤和轉移性細胞在遺傳上是彼此相似的。但轉移性腫瘤細胞總會生長在比原發腫瘤更豐富的營養環境中，並以明顯不同的方式生長。
雖然目前調控腫瘤細胞轉移性擴散和生長的基因仍不清楚，但轉移性癌細胞基因組中所存在明顯的去甲基化現象，也表明表觀遺傳機制在起作用。McDonald研究小組則認為這種表觀遺傳變化可能會受到代謝變化的調控作用。
研究成果：當研究者將原發性和轉移性人類腫瘤的配對樣本與甲基化組蛋白進行比較時，他們發現來自遠處部位（如肝臟和肺部）的轉移細胞在其組蛋白上攜帶不同的甲基化和乙醯化標記。
圖中，首先形成胰腺瘤的細胞（左圖）顯示高水平的組蛋白甲基化（紅色）；而進行遠處（如肝臟）轉移的癌細胞中，甲基化現象已經完全丟失（右圖）
與原發性腫瘤細胞不同，轉移性癌細胞並沒有利用其它「能源」來補充或代替葡萄糖，而是嚴重依賴葡萄糖消耗形成新腫瘤塊。因此，研究人員使用液相色譜和高解析度質譜來追蹤腫瘤細胞轉移後的糖代謝途徑，並找到了癌細胞在這些途徑中可能最依賴的步驟。
研究者在研究腫瘤的代謝物譜時發現，轉移性癌細胞內的一種葡萄糖代謝產物6-磷酸葡萄糖酸（6PG）含量極低。而6PG可被6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶（PGD）分解消耗，表明此酶過度活躍並消耗了所有的底物。
而敲除PGD基因並沒有改變同一途徑中其他酶的表達，卻逆轉了轉移性癌細胞中染色質甲基化和乙醯化的變化。在3-D培養物中，抑制PGD即可阻斷腫瘤形成。因此，研究者認為PGD可能是作為一種營養物質感應機制：通過不斷降低6PG來迫使細胞消耗更多的葡萄糖。
隨後細胞將利用葡萄糖消耗產生的過量代謝產物，對細胞內相應染色質區域中的組蛋白進行乙醯化或去甲基化以促進形成腫瘤，並引起腫瘤細胞轉移生長中所出現的大規模表觀遺傳學改變。
方法總結：研究者依靠人工篩選數據來尋找代謝物水平和染色質變化之間的聯繫。在轉移性胰腺癌中發生改變的大染色質結構域，可能會出現數百種不同的信號，而且由於細胞代謝途徑不同，其代謝產物也會發生改變。例如，葡萄糖代謝途徑可以有很多種，而且每種都會產生不同的中間體。
而對於那些沒有辦法手動分析這些大型數據集的人來說，McDonald建議找到可能與被研究疾病相關的代謝物模式，然後與生物信息學家一起量身定製演算法，以便反映當前的生物學特徵。
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參考文獻
1.Aerobic glycolysis promotes T helper 1 cell differentiation through an epigenetic mechanism（DOI: 10.1126/science.aaf6284）
2.Epigenomic reprogramming during pancreatic cancer progression links anabolic glucose metabolism to distant metastasis（doi:10.1038/ng.3753 ）
3.High-Throughput Epigenetics Analyses
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