全球小鼠甲基化图谱揭示儿童癌症模型中亚型特异性拷贝数变异的保守作用

《Nature Genetics》：Investigation of a global mouse methylome atlas reveals subtype-specific copy number alterations in pediatric cancer models

本研究针对儿童实体瘤模型稀缺及拷贝数变异（CNA）功能研究受限的现状，构建了涵盖31类儿科肿瘤的106个小鼠模型的全基因组DNA甲基化与CNA图谱。研究发现小鼠肿瘤中高度复发的CNA特征与人类同源区域存在显著同源保守性，揭示了CNA在亚型特异性肿瘤发生中的新型作用，为儿科癌症靶向治疗研究提供了关键模型资源。

　　

儿童脑肿瘤如儿童高级别胶质瘤（pHGG）和髓母细胞瘤（MB）因其罕见性、侵袭性和肿瘤间异质性构成严峻的临床挑战。拷贝数变异（CNA）作为癌症的重要标志，在肿瘤发展中起关键作用，但由于技术限制和缺乏早期肿瘤发生阶段的患者材料，其功能研究一直进展缓慢。为解析CNA在肿瘤进化中的功能并开发新治疗策略，亟需能够模拟人类疾病特征的实验模型。尽管小鼠模型因与人类遗传相似性成为金标准，但许多疾病亚型仍缺乏合适模型，且现有模型的表观遗传特征研究仍不充分。

发表于《Nature Genetics》的这项研究构建了全球首个涵盖106个小鼠模型、31种儿科实体瘤的DNA甲基化与CNA图谱，其中包括新开发的18个pHGG模型。研究人员通过子宫内电穿孔技术，将表达pHGG相关癌基因的转座子载体和CRISPR载体递送至胚胎期小鼠大脑，成功构建了模拟人类疾病复杂性的免疫活性模型。这些模型在表观遗传特征、免疫浸润模式和CNA进化方面与对应人类肿瘤展现出高度相似性。

关键技术方法包括：通过子宫内电穿孔和原位移植构建18种新型pHGG小鼠模型；利用285K小鼠甲基化芯片对567个样本（含453个原代组织）进行全基因组甲基化检测；采用荧光激活细胞分选（FACS）获取8种免疫细胞群建立去卷积参考矩阵；基于675个同源CpG位点开发跨物种甲基化比较流程；通过拷贝数分段分析鉴定肿瘤特异性CNA模式。

甲基化谱反映肿瘤实体

DNA甲基化聚类分析显示，小鼠肿瘤模型能准确区分不同实体类型。对453个原代样本的UMAP可视化表明，分组主要基于肿瘤类别而非实验方法或来源实验室。启动子区差异甲基化CpG位点分析不仅识别出经典癌基因，还发现了与实体相关的新驱动基因，如ZFTA室管膜瘤中的PDGFB。神经胶质瘤中，驱动癌基因是样本聚类的主要决定因素，NTRK/ALK驱动肿瘤与MET/ROS1驱动胶质瘤形成独立集群，提示这两类激酶癌基因存在系统性差异。

小鼠模型表观遗传重现人类肿瘤

研究人员开发了跨物种比较流程，使用人类参考集中15,000个差异甲基化CpG位点中的675个同源位点进行分析。随机森林分类和UMAP迭代验证显示，81个小鼠肿瘤样本中25个与对应人类肿瘤家族匹配，51个与特定亚型匹配。正常脑组织与人类对照组织相似度最高，而早期胚胎性肿瘤与遗传复杂性较低的人类实体相似度更高，提示肿瘤进化时长影响种间相似性。

肿瘤呈现独特免疫细胞浸润

通过FACS分选8种免疫细胞群建立1,000个CpG位点的参考矩阵，去卷积分析揭示不同脑肿瘤实体具有独特免疫特征。SHH MB缺乏单核细胞、Treg细胞和NK细胞，但富含B细胞（达8%），与人类对应肿瘤研究一致。胶质母细胞瘤（GBM）等实体在人与小鼠间免疫组成高度相似，验证了模型可靠性。

小鼠模型揭示亚型特异性人类同源CNA

研究发现小鼠CNA具有高度复发性和肿瘤类型特异性，甚至癌基因特异性。SHH MB模型中出现6号染色体增益，与人类SHH MB亚型1中2、3、7号染色体增益区域同源；MYC驱动MB模型显示7号和14号染色体缺失，与人类3/4级MB亚型IV最常见缺失区域重叠。值得注意的是，ALK/NTRK驱动肿瘤频发4号染色体缺失，而ROS1驱动模型显示8号染色体增益，提示这些肿瘤代表更独特亚集。

体内传代中可复现的肿瘤进化

甲基化谱在多次体内传代中保持稳定，但CNA谱显示持续进化。三个独立传代的ZFTA-RELA室管膜瘤模型最终获得相同的1号染色体增益和4号染色体缺失，与人类原发肿瘤高度一致。尽管存在遗传进化，异种移植瘤比体外培养细胞更接近原发肿瘤甲基化特征，表明体内环境能重塑表观遗传标记。

本研究通过构建全球小鼠甲基化图谱，首次系统揭示儿科肿瘤模型中CNA的亚型特异性规律。研究发现不仅证实CNA是小鼠肿瘤发生的关键协同因素，更发现其与人类同源区域的高度保守性，为理解CNA在肿瘤进化中的作用提供新视角。该图谱为功能研究提供宝贵资源，有望推动针对CNA相关靶点的儿科癌症精准治疗开发。未来通过单细胞测序和基因编辑技术深入解析CNA功能，将进一步提升对肿瘤发生机制的理解。