IF31.7｜原发癌三维基因组与增强子连接图谱

HiChIP揭示15种癌症中增强子重连、非编码突变和ecDNA驱动的致癌激活机制。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

三维基因组通过A/B区室、TAD和增强子-启动子（E-P）环等多尺度结构调控基因表达。癌症中普遍存在基因表达、DNA甲基化和染色质可及性改变，但将远端调控元件与靶基因功能关联仍具挑战。此前研究提示染色体拓扑改变可导致增强子重连，但缺乏对原发癌三维基因组的系统刻画。结构变异（SV）如缺失、重复、倒位、易位及复杂重排（chromothripsis、BFB、ecDNA）可改变染色质构象，影响基因调控。HiChIP技术可同时捕获H3K27ac标记的活性增强子及其相互作用，为解析癌症基因调控提供有力工具。

科学问题

卡在哪里： 已有研究多基于细胞系，原发癌组织三维基因组数据匮乏；增强子重连与拷贝数变异对癌基因过表达的相对贡献不清；非编码突变和结构变异如何通过改变三维构象驱动癌症发生缺乏系统分析；肿瘤微环境中细胞类型特异性E-P互作尚未被全面解析。

本文要回答： 系统绘制15种原发癌的三维基因组和增强子连接图谱，揭示癌基因激活的增强子使用模式，解析非编码突变和结构变异对增强子重连的影响，并鉴定肿瘤微环境中细胞类型特异性的E-P互作。

技术路线

作者主要用了：H3K27ac HiChIP、WGS、ATAC-seq、scATAC-seq、RNA-seq、AmpliconArchitect、NeoLoopFinder。

作者对69例原发肿瘤样本进行H3K27ac HiChIP，覆盖15种癌症类型，同时整合TCGA的WGS、ATAC-seq、RNA-seq和scATAC-seq数据。首先构建全基因组染色质互作图谱，鉴定增强子-启动子互作；然后结合WGS分析拷贝数变异和结构变异对三维基因组的影响；利用scATAC-seq解卷积肿瘤微环境中细胞类型特异性E-P互作；最后通过整合HiChIP与WGS等位基因频率差异，鉴定功能性非编码突变及其靶基因。

图 1　Fig. 1。图1展示了15种癌症类型中HiChIP鉴定的显著互作分类（E-P、E-E等），以及COAD样本8号染色体250 kb分辨率的KR归一化接触矩阵，显示A/B区室结构。同时展示MYC位点在COAD和LIHC中5'或3'增强子活性偏向，以及基于亚区室、H3K27ac峰和互作信号的聚类结果，表明互作信号最能区分癌症类型。

核心亮点

亮点 1｜癌基因增强子使用三种模式

基于110个驱动癌基因的HiChIP数据，作者将其增强子使用模式分为三类：静态（如NRAS）、选择性（如EGFR在胶质母细胞瘤）和动态重连（如MYC）。通过多元线性回归分析H3K27ac信号和拷贝数对RNA表达的贡献，发现超过70%的癌基因表达主要由增强子活性解释，而KRAS等少数基因由拷贝数驱动。该分类揭示了癌基因激活的多样化调控机制。

图 2　Fig. 2。图2比较了MET和KRAS在不同表达水平样本中的互作谱和拷贝数变化，显示MET表达主要由增强子活性驱动，而KRAS由拷贝数驱动。通过多元线性回归分析所有驱动癌基因，发现大多数癌基因表达由增强子活性解释，而少数由拷贝数驱动，且该分类具有二元性。

亮点 2｜肿瘤微环境细胞类型特异性E-P互作

整合HiChIP与scATAC-seq，作者开发了计算框架来解卷积肿瘤微环境中的细胞类型特异性E-P互作。在29例匹配样本中，鉴定出1551个恶性细胞特异性和745个免疫细胞特异性互作。例如，CD274（PD-L1）基因的+110 kb增强子仅在髓系细胞中可及，其互作信号与CD274表达和髓系细胞比例正相关。此外，恶性细胞特异性MYC增强子与癌症风险SNP重叠，提示这些变异通过影响肿瘤细胞自身基因表达发挥作用。

图 3　Fig. 3。图3展示了整合HiChIP与scATAC-seq鉴定细胞类型特异性E-P互作的工作流程。以CD274为例，显示髓系细胞特异性增强子与启动子的互作，以及该互作信号与CD274表达、白细胞分数和髓系细胞比例的正相关。同时展示恶性细胞特异性MYC增强子与癌症风险SNP的重叠。

亮点 3｜非编码突变通过增强子重连激活癌基因

通过比较HiChIP与WGS的等位基因频率，作者鉴定出7517个可能影响增强子活性的体细胞突变。例如，STAD中MECOM启动子突变chr3:169,267,090-T>C在HiChIP中富集，并伴随H3K27ac信号升高；BLCA中FGFR1增强子突变chr8:38,553,516-C>T导致H3K27ac信号增加8倍，E-P互作增强1.4-70倍，FGFR1表达升高，且该突变创造了TFCP2L1结合基序。这些发现表明非编码突变可通过改变增强子活性驱动癌基因过表达。

图 4　Fig. 4。图4展示了鉴定H3K27ac相关非编码突变的工作流程。散点图显示突变等位基因频率差异与H3K27ac信号变化的关系。以MECOM启动子突变和FGFR1增强子突变为例，展示突变在HiChIP中的等位基因富集、H3K27ac信号增加、E-P互作增强及对基因表达的影响，并鉴定出新的TF结合基序。

亮点 4｜结构变异驱动增强子重连

整合WGS与HiChIP，作者发现易位比其他简单SV产生更多新E-P互作（neoloops）。在复杂扩增中，环状扩增（ecDNA）产生的新E-P互作数量最多，且ecDNA上的增强子元件在TCGA队列中显著共扩增。例如，ERBB2和CDK12的复杂重排通过HiChIP验证了空间邻近性，并鉴定出新的E-P互作。这些结果揭示了不同结构变异类型对增强子重连的差异化影响。

图 5　Fig. 5。图5展示了联合HiChIP-WGS分析简单和复杂结构变异的工作流程。条形图显示不同扩增类型（环状、BFB、复杂、线性）在62例肿瘤中的分布。以ERBB2重排为例，展示HiChIP接触矩阵、H3K27ac信号、拷贝数和SV断点，验证了复杂重排的空间邻近性并鉴定新E-P互作。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： H3K27ac HiChIP、WGS、ATAC-seq、scATAC-seq、RNA-seq、AmpliconArchitect、NeoLoopFinder
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 关注癌症三维基因组、增强子调控、非编码突变和结构变异的生信与肿瘤研究者。

带走一句

整合HiChIP与WGS、scATAC-seq等多组学数据，可系统解析癌症中增强子重连、非编码突变和结构变异对基因调控的影响，为精准肿瘤学提供新视角。