cfChIP-seq揭示cfDNA片段化模式與組蛋白修飾的相關(guān)性助力液體活檢
組蛋白修飾對(duì)染色質(zhì)功能具有關(guān)鍵調(diào)控作用，影響組織分化和癌癥發(fā)生等生物過程。游離細(xì)胞DNA（（cell-free DNA, cfDNA）是血漿中的非隨機(jī)片段化DNA，來源于多種組織的細(xì)胞死亡。cfDNA片段化模式，如片段大小、末端基序（end motifs）等，與cfDNA的組織起源密切相關(guān)。然而，現(xiàn)有的cfDNA分析方法，如亞硫酸鹽處理或免疫沉淀法，存在DNA丟失和實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性高的問題。因此，開發(fā)一種基于cfDNA片段組學(xué)的分析方法，用于推斷組蛋白修飾水平，具有重要的研究和臨床意義。
近日，香港中文大學(xué)盧煜明教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于cfDNA片段組學(xué)（fragmentomics）的分析方法，這種非侵入性評(píng)估組蛋白修飾的方法可以推斷cfDNA的組織起源以及相關(guān)的病理狀態(tài)。這種方法不僅能夠用于健康個(gè)體的組織貢獻(xiàn)分析，還能在病理狀態(tài)下（如癌癥和血液疾病）檢測(cè)相關(guān)組織的DNA貢獻(xiàn)。研究通過分析cfDNA的片段大小和末端基序，成功檢測(cè)了組蛋白H3K27ac和H3K4me3的修飾水平，并展示了其在非侵入性產(chǎn)前檢測(cè)、器官移植監(jiān)測(cè)、血液疾病診斷和癌癥檢測(cè)中的潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果以《Histone modifications of circulating nucleosomes are associated with changes in cell-free DNA fragmentation patterns》為題發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）。
標(biāo)題：Histone modifications of circulating nucleosomes are associated with changes in cell-free DNA fragmentation patterns（循環(huán)核小體的組蛋白修飾與cfDNA片段化模式的變化相關(guān)）
發(fā)表時(shí)間：2024-10-9
發(fā)表雜志：PNAS
影響因子：9.4/1區(qū)
技術(shù)平臺(tái)：cfChIP-seq
本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種通過鑒定與候選組蛋白修飾相關(guān)的特異性片段化模式來分析不同組織DNA對(duì)血漿相對(duì)貢獻(xiàn)的方法，并將其命名為基于片段組學(xué)的組蛋白修飾分析（FRAGHA）。推斷出胎盤特異性組蛋白H3K27ac信號(hào)與孕婦血漿中的胎兒DNA比例高度相關(guān)。推斷出肝臟特異性H3K27ac信號(hào)與肝移植受者的供體來源DNA比例相關(guān)，并且在肝細(xì)胞癌（HCC）患者中顯著增加。在β-地中海貧血和結(jié)直腸癌患者中，分別觀察到紅細(xì)胞特異性和結(jié)腸特異性H3K27ac信號(hào)顯著升高。此外利用組織特異性H3K27ac區(qū)域的片段化模式，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法以增強(qiáng)HCC檢測(cè)能力，其曲線下面積（AUC）達(dá)0.97。研究團(tuán)隊(duì)分析結(jié)果揭示發(fā)現(xiàn)H3K27ac或組蛋白H3K4me3的基因組區(qū)域表現(xiàn)出不同cfDNA片段化模式。本研究闡明了cfDNA片段組學(xué)與組蛋白修飾之間的關(guān)系，從而擴(kuò)展了液體活檢技術(shù)手段。
總之，本研究結(jié)果表明組蛋白修飾與血漿中cfDNA的片段化模式變化密切相關(guān)。這種相關(guān)性為通過非侵入性cfDNA分析推斷與生理或病理過程相關(guān)的組蛋白修飾提供了基礎(chǔ)。從生理學(xué)角度看，這種方法可以通過分析孕婦的血漿來非侵入性評(píng)估胎盤中的組蛋白修飾。從病理學(xué)角度看，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)癌癥和血液疾病的非侵入性檢測(cè)。本研究加深了對(duì)cfDNA片段組學(xué)生物學(xué)的理解，并擴(kuò)展了液體活檢的診斷手段。
研究方法
1. 樣本收集與處理：招募健康受試者、孕婦、肝移植受者、肝細(xì)胞癌（HCC）患者、β-地中海貧血患者和結(jié)直腸癌（CRC）患者，從受試者血液中分離血漿，并提取cfDNA。
2. cfChIP-seq：對(duì)特定組蛋白修飾（如H3K27ac和H3K4me3）的cfDNA 進(jìn)行cfChIP-seq（cell-free chromatin immunoprecipitation sequencing）高通量測(cè)序，分析其在基因組中的分布，特別是與轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）和增強(qiáng)子區(qū)域的關(guān)聯(lián)。
3. cfDNA片段組學(xué)分析：片段大小分析和末端基序分析。
4. 線性回歸模型構(gòu)建：基于cfDNA片段大小和末端基序頻率，構(gòu)建線性回歸模型，用于推斷血漿中組蛋白修飾（H3K27ac和H3K4me3）的水平。
5. 組織特異性分析：通過分析不同組織（如胎盤、肝臟、紅細(xì)胞、結(jié)腸等）特異性的組蛋白修飾區(qū)域，推斷cfDNA組織起源。
6. 機(jī)器學(xué)習(xí)算法開發(fā)：結(jié)合片段大小和末端基序信息，開發(fā)支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）模型，用于癌癥（如HCC）的檢測(cè)。
7. 臨床應(yīng)用驗(yàn)證：在不同臨床場(chǎng)景（如β-地中海貧血、HCC、CRC等）中，分析推斷的組蛋白修飾信號(hào)變化。
圖1：FRAGHA分析示意圖
結(jié)果圖形
（1）H3K27ac水平與cfDNA片段大小之間的相關(guān)性，并推斷H3K27ac水平
研究團(tuán)隊(duì)利用cfChIP-seq測(cè)序分析結(jié)果揭示，隨著H3K27ac信號(hào)水平的增加，cfDNA片段在50-150bp、230-350bp和420-500bp范圍內(nèi)頻率逐漸增加，而在160-225bp和360-400bp范圍內(nèi)頻率則呈現(xiàn)相反模式。這些片段大小與H3K27ac信號(hào)高度相關(guān)，表明cfDNA片段大小模式可以作為H3K27ac水平的推斷指標(biāo)。
同時(shí)，研究人員構(gòu)建了一個(gè)線性回歸模型，基于片段大小推斷血漿中的H3K27ac水平。在五個(gè)健康對(duì)照樣本中，通過比較片段大小推斷的H3K27ac信號(hào)與cfChIP-seq檢測(cè)的實(shí)際H3K27ac信號(hào)，發(fā)現(xiàn)兩者具有良好的一致性。尤其是230-350bp范圍內(nèi)的片段頻率能夠最準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際的H3K27ac信號(hào)。
圖2：cfDNA片段大小模式與通過匹配樣本的cfChIP-seq測(cè)序檢測(cè)的循環(huán)核小體H3K27ac信號(hào)之間的相關(guān)性。
(A) 不同H3K27ac信號(hào)水平的區(qū)域類別（n=549）的cfDNA分子片段大小分布圖。
(B-F) 在這549個(gè)不同H3K27ac信號(hào)水平的區(qū)域類別中，特定大小范圍內(nèi)的cfDNA分子比例與通過cfChIP-seq測(cè)序確定的H3K27ac信號(hào)相關(guān)性。這些大小范圍包括50-150bp（B）、160-225bp（C）、230-350bp（D）、360-400bp（E）和420-500bp（F）。
(G-K) 對(duì)于另外五名健康對(duì)照受試者，通過片段大小和cfChIP-seq測(cè)序推斷的18種組織特異性區(qū)域中的H3K27ac信號(hào)的相關(guān)性。
（2）H3K27ac相關(guān)信號(hào)的組織起源分析
研究者利用妊娠模型分析了胎盤特異性H3K27ac修飾區(qū)域的推斷信號(hào)與胎兒DNA比例之間的關(guān)系。結(jié)果顯示胎盤特異性H3K27ac信號(hào)與胎兒DNA比例高度相關(guān)。同樣在肝移植受者中，肝臟特異性H3K27ac信號(hào)與供體來源的DNA比例也高度相關(guān)。表明推斷的H3K27ac信號(hào)可以用于追溯cfDNA的組織起源。
(B) 14名肝移植受者的肝臟特異性H3K27ac相關(guān)信號(hào)與供體來源DNA比例的相關(guān)性。
圖4：利用組織特異性組蛋白修飾區(qū)域的片段大小推斷H3K27ac相關(guān)信號(hào)分布。測(cè)序后的cfDNA分子來自38名健康對(duì)照個(gè)體。H3K27ac相關(guān)信號(hào)通過230-350bp范圍內(nèi)的分子大小頻率推斷。
（3）血漿中推斷H3K27ac相關(guān)信號(hào)的臨床應(yīng)用
研究人員進(jìn)一步探討了推斷的H3K27ac信號(hào)在臨床應(yīng)用中的潛力。在β-地中海貧血患者中，紅細(xì)胞特異性H3K27ac信號(hào)顯著高于健康對(duì)照組。在肝細(xì)胞癌（HCC）患者中，肝臟特異性H3K27ac信號(hào)也顯著升高。在結(jié)直腸癌（CRC）患者中，結(jié)腸特異性H3K27ac信號(hào)也顯著升高。這些結(jié)果表明，推斷的H3K27ac信號(hào)可以用于檢測(cè)血液疾病和癌癥。
(B) 健康受試者（n=63）、HBV攜帶者（n=17）和肝細(xì)胞癌（HCC）患者（n=34）的肝臟特異性區(qū)域中的推斷H3K27ac相關(guān)信號(hào)。
(C-D) 健康受試者（n=8）、有（n=4）和無（n=7）肝臟轉(zhuǎn)移的結(jié)直腸癌（CRC）患者的結(jié)腸特異性區(qū)域和肝臟特異性區(qū)域中的推斷H3K27ac相關(guān)信號(hào)。
（4）cfDNA末端基序分析對(duì)H3K27ac相關(guān)信號(hào)的推斷，并通過組織特異性H3K27ac修飾相關(guān)的片段大小和末端基序聯(lián)合分析用于癌癥檢測(cè)。
研究者還分析了cfDNA片段末端基序與H3K27ac信號(hào)之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明特定的4-mer末端基序（如CCGG、CCGC等）在H3K27ac信號(hào)高的區(qū)域中頻率顯著高于信號(hào)低的區(qū)域。基于這些末端基序，研究者構(gòu)建一個(gè)線性回歸模型用于推斷H3K27ac信號(hào)。結(jié)果顯示，胎盤特異性H3K27ac信號(hào)與胎兒DNA比例和肝臟特異性H3K27ac信號(hào)與供體來源的DNA比例均具有顯著相關(guān)性。
此外，研究者開發(fā)了一個(gè)整合了片段大小和末端基序數(shù)據(jù)的支持向量機(jī)（SVM）模型用于癌癥檢測(cè)。在包含34名HCC患者、17名HBV攜帶者和63名健康對(duì)照的隊(duì)列中，該模型能夠高效區(qū)分HCC患者和非HCC患者，AUC達(dá)0.97。在另一個(gè)獨(dú)立隊(duì)列中，AUC也達(dá)到0.93。這表明整合片段大小和末端基序的聯(lián)合分析方法在癌癥檢測(cè)中具有較高準(zhǔn)確性。
(B) 14名肝移植受者的肝臟特異性區(qū)域中，通過七種信息性末端基序的頻率推斷的H3K27ac相關(guān)信號(hào)。
(C) 數(shù)據(jù)集I中，通過結(jié)合片段大小和末端基序分析組織特異性H3K27ac修飾區(qū)域的HCC概率比較。
(D) 數(shù)據(jù)集I中，利用與H3K27ac相關(guān)的不同片段組學(xué)特征區(qū)分有無HCC患者的ROC分析。
(E) 數(shù)據(jù)集II中，通過結(jié)合片段大小和末端基序分析組織特異性H3K27ac修飾區(qū)域的HCC概率比較。
(F) 數(shù)據(jù)集II中，利用與H3K27ac相關(guān)的不同片段組學(xué)特征區(qū)分有無HCC患者的ROC分析。
（5）通過 cfChIP-seq分析cfDNA 片段模式的H3K4me3修飾
研究者還分析了H3K4me3修飾與cfDNA片段大小之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，230-350bp范圍內(nèi)的片段頻率與H3K4me3信號(hào)高度相關(guān)。在HCC患者中，肝臟特異性H3K4me3信號(hào)顯著升高。此外，研究還發(fā)現(xiàn)H3K27ac和H3K4me3修飾的cfDNA片段化模式存在差異，這為通過片段組學(xué)分析區(qū)分不同組蛋白修飾提供了可能。
(B) 健康受試者（n=63）、HBV攜帶者（n=17）和肝細(xì)胞癌（HCC）患者（n=34）的肝臟特異性區(qū)域中的推斷H3K4me3相關(guān)信號(hào)。
(C) 基于38名健康受試者的cfDNA分子整合測(cè)序，繪制的cfDNA片段大小分布熱圖，涵蓋富集H3K27ac或H3K4me3或共修飾的區(qū)域。
(D) 基基于38名健康受試者的cfDNA分子整合測(cè)序，繪制的cfDNA片段末端基序模式熱圖，涵蓋富集H3K27ac或H3K4me3或共修飾的區(qū)域。
易小結(jié)
本研究通過分析cfDNA的片段大小和末端基序，成功推斷了組蛋白H3K27ac和H3K4me3的修飾水平，并展示其在非侵入性產(chǎn)前檢測(cè)、器官移植監(jiān)測(cè)、血液疾病診斷和癌癥檢測(cè)中的潛在應(yīng)用。這種方法為液體活檢技術(shù)的發(fā)展提供了新的工具，有望在未來的臨床實(shí)踐中發(fā)揮重要作用。
研究也存在一些局限性
首先，不同組織中可能同時(shí)存在多種組蛋白修飾，這可能會(huì)影響推斷信號(hào)的準(zhǔn)確性。
其次，不同的DNA文庫制備方法可能引入預(yù)分析偏差，影響結(jié)果的可比性。
此外，研究的樣本量相對(duì)較小，需要在更大的樣本隊(duì)列中進(jìn)行驗(yàn)證。
最后，雖然研究展示了片段組學(xué)分析的潛力，但其在臨床應(yīng)用中的實(shí)際效果仍需進(jìn)一步評(píng)估。
cfChIP-seq分析在本研究中的重要作用
cfChIP-seq是本研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通過捕獲血漿中帶有特定組蛋白修飾的cfDNA分子，提供了cfDNA片段化模式與組蛋白修飾水平之間的直接聯(lián)系。cfChIP-seq數(shù)據(jù)不僅用于驗(yàn)證基于片段組學(xué)推斷組蛋白修飾信號(hào)的準(zhǔn)確性，還為研究cfDNA的組織起源和病理狀態(tài)提供了重要參考。通過cfChIP-seq，研究者能夠確定不同組織特異性區(qū)域的組蛋白修飾水平，從而為非侵入性診斷方法的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
近日，香港中文大學(xué)盧煜明教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于cfDNA片段組學(xué)（fragmentomics）的分析方法，這種非侵入性評(píng)估組蛋白修飾的方法可以推斷cfDNA的組織起源以及相關(guān)的病理狀態(tài)。這種方法不僅能夠用于健康個(gè)體的組織貢獻(xiàn)分析，還能在病理狀態(tài)下（如癌癥和血液疾病）檢測(cè)相關(guān)組織的DNA貢獻(xiàn)。研究通過分析cfDNA的片段大小和末端基序，成功檢測(cè)了組蛋白H3K27ac和H3K4me3的修飾水平，并展示了其在非侵入性產(chǎn)前檢測(cè)、器官移植監(jiān)測(cè)、血液疾病診斷和癌癥檢測(cè)中的潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果以《Histone modifications of circulating nucleosomes are associated with changes in cell-free DNA fragmentation patterns》為題發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）。
標(biāo)題：Histone modifications of circulating nucleosomes are associated with changes in cell-free DNA fragmentation patterns（循環(huán)核小體的組蛋白修飾與cfDNA片段化模式的變化相關(guān)）
發(fā)表時(shí)間：2024-10-9
發(fā)表雜志：PNAS
影響因子：9.4/1區(qū)
技術(shù)平臺(tái)：cfChIP-seq
本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種通過鑒定與候選組蛋白修飾相關(guān)的特異性片段化模式來分析不同組織DNA對(duì)血漿相對(duì)貢獻(xiàn)的方法，并將其命名為基于片段組學(xué)的組蛋白修飾分析（FRAGHA）。推斷出胎盤特異性組蛋白H3K27ac信號(hào)與孕婦血漿中的胎兒DNA比例高度相關(guān)。推斷出肝臟特異性H3K27ac信號(hào)與肝移植受者的供體來源DNA比例相關(guān)，并且在肝細(xì)胞癌（HCC）患者中顯著增加。在β-地中海貧血和結(jié)直腸癌患者中，分別觀察到紅細(xì)胞特異性和結(jié)腸特異性H3K27ac信號(hào)顯著升高。此外利用組織特異性H3K27ac區(qū)域的片段化模式，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法以增強(qiáng)HCC檢測(cè)能力，其曲線下面積（AUC）達(dá)0.97。研究團(tuán)隊(duì)分析結(jié)果揭示發(fā)現(xiàn)H3K27ac或組蛋白H3K4me3的基因組區(qū)域表現(xiàn)出不同cfDNA片段化模式。本研究闡明了cfDNA片段組學(xué)與組蛋白修飾之間的關(guān)系，從而擴(kuò)展了液體活檢技術(shù)手段。
總之，本研究結(jié)果表明組蛋白修飾與血漿中cfDNA的片段化模式變化密切相關(guān)。這種相關(guān)性為通過非侵入性cfDNA分析推斷與生理或病理過程相關(guān)的組蛋白修飾提供了基礎(chǔ)。從生理學(xué)角度看，這種方法可以通過分析孕婦的血漿來非侵入性評(píng)估胎盤中的組蛋白修飾。從病理學(xué)角度看，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)癌癥和血液疾病的非侵入性檢測(cè)。本研究加深了對(duì)cfDNA片段組學(xué)生物學(xué)的理解，并擴(kuò)展了液體活檢的診斷手段。
研究方法
1. 樣本收集與處理：招募健康受試者、孕婦、肝移植受者、肝細(xì)胞癌（HCC）患者、β-地中海貧血患者和結(jié)直腸癌（CRC）患者，從受試者血液中分離血漿，并提取cfDNA。
2. cfChIP-seq：對(duì)特定組蛋白修飾（如H3K27ac和H3K4me3）的cfDNA 進(jìn)行cfChIP-seq（cell-free chromatin immunoprecipitation sequencing）高通量測(cè)序，分析其在基因組中的分布，特別是與轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）和增強(qiáng)子區(qū)域的關(guān)聯(lián)。
3. cfDNA片段組學(xué)分析：片段大小分析和末端基序分析。
4. 線性回歸模型構(gòu)建：基于cfDNA片段大小和末端基序頻率，構(gòu)建線性回歸模型，用于推斷血漿中組蛋白修飾（H3K27ac和H3K4me3）的水平。
5. 組織特異性分析：通過分析不同組織（如胎盤、肝臟、紅細(xì)胞、結(jié)腸等）特異性的組蛋白修飾區(qū)域，推斷cfDNA組織起源。
6. 機(jī)器學(xué)習(xí)算法開發(fā)：結(jié)合片段大小和末端基序信息，開發(fā)支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）模型，用于癌癥（如HCC）的檢測(cè)。
7. 臨床應(yīng)用驗(yàn)證：在不同臨床場(chǎng)景（如β-地中海貧血、HCC、CRC等）中，分析推斷的組蛋白修飾信號(hào)變化。
圖1：FRAGHA分析示意圖
結(jié)果圖形
（1）H3K27ac水平與cfDNA片段大小之間的相關(guān)性，并推斷H3K27ac水平
研究團(tuán)隊(duì)利用cfChIP-seq測(cè)序分析結(jié)果揭示，隨著H3K27ac信號(hào)水平的增加，cfDNA片段在50-150bp、230-350bp和420-500bp范圍內(nèi)頻率逐漸增加，而在160-225bp和360-400bp范圍內(nèi)頻率則呈現(xiàn)相反模式。這些片段大小與H3K27ac信號(hào)高度相關(guān)，表明cfDNA片段大小模式可以作為H3K27ac水平的推斷指標(biāo)。
同時(shí)，研究人員構(gòu)建了一個(gè)線性回歸模型，基于片段大小推斷血漿中的H3K27ac水平。在五個(gè)健康對(duì)照樣本中，通過比較片段大小推斷的H3K27ac信號(hào)與cfChIP-seq檢測(cè)的實(shí)際H3K27ac信號(hào)，發(fā)現(xiàn)兩者具有良好的一致性。尤其是230-350bp范圍內(nèi)的片段頻率能夠最準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際的H3K27ac信號(hào)。
(A) 不同H3K27ac信號(hào)水平的區(qū)域類別（n=549）的cfDNA分子片段大小分布圖。
(B-F) 在這549個(gè)不同H3K27ac信號(hào)水平的區(qū)域類別中，特定大小范圍內(nèi)的cfDNA分子比例與通過cfChIP-seq測(cè)序確定的H3K27ac信號(hào)相關(guān)性。這些大小范圍包括50-150bp（B）、160-225bp（C）、230-350bp（D）、360-400bp（E）和420-500bp（F）。
(G-K) 對(duì)于另外五名健康對(duì)照受試者，通過片段大小和cfChIP-seq測(cè)序推斷的18種組織特異性區(qū)域中的H3K27ac信號(hào)的相關(guān)性。
（2）H3K27ac相關(guān)信號(hào)的組織起源分析
研究者利用妊娠模型分析了胎盤特異性H3K27ac修飾區(qū)域的推斷信號(hào)與胎兒DNA比例之間的關(guān)系。結(jié)果顯示胎盤特異性H3K27ac信號(hào)與胎兒DNA比例高度相關(guān)。同樣在肝移植受者中，肝臟特異性H3K27ac信號(hào)與供體來源的DNA比例也高度相關(guān)。表明推斷的H3K27ac信號(hào)可以用于追溯cfDNA的組織起源。
圖3：組織特異性H3K27ac相關(guān)信號(hào)可以反映妊娠和肝移植模型的血漿中組織DNA貢獻(xiàn)。
(A) 30名孕婦的胎盤特異性H3K27ac相關(guān)信號(hào)與胎兒DNA比例的相關(guān)性。(B) 14名肝移植受者的肝臟特異性H3K27ac相關(guān)信號(hào)與供體來源DNA比例的相關(guān)性。
（3）血漿中推斷H3K27ac相關(guān)信號(hào)的臨床應(yīng)用
研究人員進(jìn)一步探討了推斷的H3K27ac信號(hào)在臨床應(yīng)用中的潛力。在β-地中海貧血患者中，紅細(xì)胞特異性H3K27ac信號(hào)顯著高于健康對(duì)照組。在肝細(xì)胞癌（HCC）患者中，肝臟特異性H3K27ac信號(hào)也顯著升高。在結(jié)直腸癌（CRC）患者中，結(jié)腸特異性H3K27ac信號(hào)也顯著升高。這些結(jié)果表明，推斷的H3K27ac信號(hào)可以用于檢測(cè)血液疾病和癌癥。
圖5：通過cfDNA片段化模式推斷H3K27ac相關(guān)信號(hào)的臨床應(yīng)用。
(A) 健康受試者（n=63）和β-地中海貧血患者（n=10）的紅細(xì)胞特異性區(qū)域中的H3K27ac相關(guān)信號(hào)。(B) 健康受試者（n=63）、HBV攜帶者（n=17）和肝細(xì)胞癌（HCC）患者（n=34）的肝臟特異性區(qū)域中的推斷H3K27ac相關(guān)信號(hào)。
(C-D) 健康受試者（n=8）、有（n=4）和無（n=7）肝臟轉(zhuǎn)移的結(jié)直腸癌（CRC）患者的結(jié)腸特異性區(qū)域和肝臟特異性區(qū)域中的推斷H3K27ac相關(guān)信號(hào)。
（4）cfDNA末端基序分析對(duì)H3K27ac相關(guān)信號(hào)的推斷，并通過組織特異性H3K27ac修飾相關(guān)的片段大小和末端基序聯(lián)合分析用于癌癥檢測(cè)。
研究者還分析了cfDNA片段末端基序與H3K27ac信號(hào)之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明特定的4-mer末端基序（如CCGG、CCGC等）在H3K27ac信號(hào)高的區(qū)域中頻率顯著高于信號(hào)低的區(qū)域。基于這些末端基序，研究者構(gòu)建一個(gè)線性回歸模型用于推斷H3K27ac信號(hào)。結(jié)果顯示，胎盤特異性H3K27ac信號(hào)與胎兒DNA比例和肝臟特異性H3K27ac信號(hào)與供體來源的DNA比例均具有顯著相關(guān)性。
此外，研究者開發(fā)了一個(gè)整合了片段大小和末端基序數(shù)據(jù)的支持向量機(jī)（SVM）模型用于癌癥檢測(cè)。在包含34名HCC患者、17名HBV攜帶者和63名健康對(duì)照的隊(duì)列中，該模型能夠高效區(qū)分HCC患者和非HCC患者，AUC達(dá)0.97。在另一個(gè)獨(dú)立隊(duì)列中，AUC也達(dá)到0.93。這表明整合片段大小和末端基序的聯(lián)合分析方法在癌癥檢測(cè)中具有較高準(zhǔn)確性。
圖6：通過cfDNA末端基序分析推斷的H3K27ac相關(guān)信號(hào)分析。
(A) 30名妊娠者的胎盤特異性區(qū)域中，通過七種信息性末端基序的頻率推斷的H3K27ac相關(guān)信號(hào)。(B) 14名肝移植受者的肝臟特異性區(qū)域中，通過七種信息性末端基序的頻率推斷的H3K27ac相關(guān)信號(hào)。
(C) 數(shù)據(jù)集I中，通過結(jié)合片段大小和末端基序分析組織特異性H3K27ac修飾區(qū)域的HCC概率比較。
(D) 數(shù)據(jù)集I中，利用與H3K27ac相關(guān)的不同片段組學(xué)特征區(qū)分有無HCC患者的ROC分析。
(E) 數(shù)據(jù)集II中，通過結(jié)合片段大小和末端基序分析組織特異性H3K27ac修飾區(qū)域的HCC概率比較。
(F) 數(shù)據(jù)集II中，利用與H3K27ac相關(guān)的不同片段組學(xué)特征區(qū)分有無HCC患者的ROC分析。
（5）通過 cfChIP-seq分析cfDNA 片段模式的H3K4me3修飾
研究者還分析了H3K4me3修飾與cfDNA片段大小之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，230-350bp范圍內(nèi)的片段頻率與H3K4me3信號(hào)高度相關(guān)。在HCC患者中，肝臟特異性H3K4me3信號(hào)顯著升高。此外，研究還發(fā)現(xiàn)H3K27ac和H3K4me3修飾的cfDNA片段化模式存在差異，這為通過片段組學(xué)分析區(qū)分不同組蛋白修飾提供了可能。
圖7：通過cfDNA片段化模式分析H3K4me3修飾。
(A) cfDNA分子在230-350bp范圍內(nèi)的比例與通過cfChIP-seq測(cè)序確定的H3K4me3信號(hào)相關(guān)性。測(cè)序的cfDNA分子來自之前發(fā)表研究中38名健康受試者的整合測(cè)序結(jié)果。(B) 健康受試者（n=63）、HBV攜帶者（n=17）和肝細(xì)胞癌（HCC）患者（n=34）的肝臟特異性區(qū)域中的推斷H3K4me3相關(guān)信號(hào)。
(C) 基于38名健康受試者的cfDNA分子整合測(cè)序，繪制的cfDNA片段大小分布熱圖，涵蓋富集H3K27ac或H3K4me3或共修飾的區(qū)域。
(D) 基基于38名健康受試者的cfDNA分子整合測(cè)序，繪制的cfDNA片段末端基序模式熱圖，涵蓋富集H3K27ac或H3K4me3或共修飾的區(qū)域。
易小結(jié)
本研究通過分析cfDNA的片段大小和末端基序，成功推斷了組蛋白H3K27ac和H3K4me3的修飾水平，并展示其在非侵入性產(chǎn)前檢測(cè)、器官移植監(jiān)測(cè)、血液疾病診斷和癌癥檢測(cè)中的潛在應(yīng)用。這種方法為液體活檢技術(shù)的發(fā)展提供了新的工具，有望在未來的臨床實(shí)踐中發(fā)揮重要作用。
研究也存在一些局限性
首先，不同組織中可能同時(shí)存在多種組蛋白修飾，這可能會(huì)影響推斷信號(hào)的準(zhǔn)確性。
其次，不同的DNA文庫制備方法可能引入預(yù)分析偏差，影響結(jié)果的可比性。
此外，研究的樣本量相對(duì)較小，需要在更大的樣本隊(duì)列中進(jìn)行驗(yàn)證。
最后，雖然研究展示了片段組學(xué)分析的潛力，但其在臨床應(yīng)用中的實(shí)際效果仍需進(jìn)一步評(píng)估。
cfChIP-seq分析在本研究中的重要作用
cfChIP-seq是本研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通過捕獲血漿中帶有特定組蛋白修飾的cfDNA分子，提供了cfDNA片段化模式與組蛋白修飾水平之間的直接聯(lián)系。cfChIP-seq數(shù)據(jù)不僅用于驗(yàn)證基于片段組學(xué)推斷組蛋白修飾信號(hào)的準(zhǔn)確性，還為研究cfDNA的組織起源和病理狀態(tài)提供了重要參考。通過cfChIP-seq，研究者能夠確定不同組織特異性區(qū)域的組蛋白修飾水平，從而為非侵入性診斷方法的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
標(biāo)簽：
cfDNA
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