DNA 甲基化记忆：胰腺癌发生 “幕后推手”，无 KRAS 突变下的关键机制探索

《Genome Medicine》：DNA methylation memory of pancreatic acinar-ductal metaplasia transition state altering Kras-downstream PI3K and Rho GTPase signaling in the absence of Kras mutation

为探究细胞在无致癌基因突变情况下，对腺泡 - 导管化生（ADM）过渡状态的表观遗传记忆程度等问题，研究人员开展了 ADM 过渡状态 DNA 甲基化的研究。结果发现 ADM 期间 PI3K 和 Rho GTPase 通路基因差异甲基化且基因表达增加，且这种差异甲基化在恢复后仍存在。该研究为理解癌症发生机制提供新视角。

　　在癌症研究的神秘领域中，胰腺癌是一颗令人畏惧的 “毒瘤”。胰腺癌导管腺癌（PDAC）作为美国最致命的恶性肿瘤之一，其发生发展机制一直是科研人员竞相探索的焦点。胰腺炎被认为是 PDAC 的主要风险因素，而在胰腺炎发生过程中，腺泡 - 导管化生（ADM）这一特殊的过渡状态引起了广泛关注。ADM 时，负责合成消化酶的腺泡细胞会短暂获得导管样表型，这本是组织应对损伤的一种保护和再生机制，但当它与 KRAS 基因突变 “联手” 时，却成为了肿瘤形成的 “帮凶”。

目前，虽然知道 ADM 在胰腺癌发生中扮演重要角色，但关于细胞在无致癌基因突变情况下，对 ADM 过渡状态的表观遗传记忆程度，以及 DNA 甲基化在 ADM 中的作用等问题，仍如同迷雾一般笼罩着科研人员。为了驱散这些迷雾，来自约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的研究人员展开了一场深入的探索之旅。

研究人员通过构建 Ptf1a - rtTA，TRE - KLF4（AK）小鼠模型，诱导小鼠发生 ADM，并在 ADM 发生及恢复的不同时间点，利用全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）和空间转录组学（ST）等技术，对小鼠胰腺组织的 DNA 甲基化组和转录组进行分析。同时，他们还使用了广泛应用的雨蛙素（caerulein）诱导胰腺炎小鼠模型进行验证。

研究结果显示，在 ADM 过程中，Kras 下游的 PI3K 和 Rho/Rac/Cdc42 GTPase 通路基因出现差异 DNA 甲基化，并且这些通路的基因表达也相应增加。值得注意的是，当基因表达恢复正常后，差异甲基化仍然持续存在，这表明恢复后的细胞在 DNA 甲基化水平上保留了 ADM 过渡状态的表观遗传记忆。

进一步分析发现，AP - 1 家族转录因子的基序在 ADM 病变相对正常腺泡低甲基化区域富集，这暗示 AP - 1 家族转录因子可能是 ADM 的正向调节因子；而胰腺发育转录因子的基序在 ADM 病变高甲基化区域富集，可能与抑制胰腺腺泡身份相关基因的表达有关。

此外，研究人员利用多重误差稳健荧光原位杂交（MERFISH）技术，在单细胞水平上观察到处于 ADM 过渡状态的细胞同时表达腺泡、导管和胰腺上皮内瘤变（PanIN）的标志物，以及 PI3K 和 AP - 1 相关基因，这直观地展示了细胞在 ADM 过程中的动态变化。

在讨论部分，研究人员指出，虽然此前有研究涉及 PI3K 和 Rho/Rac/Cdc42 在胰腺癌中的作用，但大多与致癌基因突变有关，而本研究首次揭示了在无致癌基因突变情况下，ADM 中 PI3K 和 Rho/Rac/Cdc42 通路的 DNA 甲基化重编程和记忆现象。同时，研究还发现小鼠 ADM 与人类 PanIN 具有相似的表观遗传特征，这表明 ADM 病变在无致癌基因突变的情况下也可能获得肿瘤特征。不过，研究也存在一定局限性，例如需要进一步研究 DNA 甲基化与转录变化之间的因果关系，以及探索针对 ADM 的更有效的化学预防措施。

总体而言，这项研究为我们理解癌症发生过程中细胞过渡状态的表观遗传机制提供了重要线索，就像在黑暗中点亮了一盏明灯，为后续研究开辟了新的方向。它不仅有助于我们深入了解胰腺癌的发生发展过程，还可能为早期诊断和预防胰腺癌提供新的靶点和思路。

研究人员主要使用了以下几种关键技术方法：首先，构建 AK 小鼠模型和雨蛙素诱导胰腺炎小鼠模型，获取不同状态的胰腺样本；然后，利用激光捕获显微切割（LCM）技术分离特定细胞类型；接着，运用 WGBS 技术分析 DNA 甲基化组，使用空间转录组学技术（Visium ST 和 MERFISH）分析基因表达；最后，通过生物信息学方法对数据进行处理和分析。

研究结果具体如下：

1. ADM 差异甲基化区域的基因富集：通过构建 AK 小鼠模型，诱导 ADM 发生。对不同时间点的腺泡、ADM 病变和导管组织进行 WGBS 分析，发现 ADM 差异甲基化区域在 Kras 下游的 PI3K 和 Rho GTPase 通路基因中富集。
2. DNA 甲基化与基因表达的关联：利用 10X Visium ST 对同一小鼠胰腺样本进行基因表达分析，发现 ADM 病变中 PI3K 和 Rho/Rac/Cdc42 GTPase 通路基因的表达上调，且与 DNA 甲基化变化相关。
3. ADM 过渡状态的 DNA 甲基化记忆：比较 ADM 恢复后（D7）的腺泡与未处理的腺泡，发现 D7 腺泡在 PI3K 通路基因上保留了差异甲基化，即使基因表达已恢复正常。
4. 转录因子结合分析：对 ADM 与腺泡的差异甲基化区域进行转录因子基序分析，发现 AP - 1、KLF 家族转录因子在低甲基化区域富集，胰腺发育转录因子在高甲基化区域富集，且在人类 PanIN 病变中也有类似现象。
5. 雨蛙素诱导 ADM 的验证：在雨蛙素诱导的 ADM 小鼠模型中，同样观察到 DNA 甲基化和基因表达的类似变化，进一步证实了研究结果的可靠性。
6. 单细胞分辨率的空间转录组学分析：利用 MERFISH 技术在单细胞水平上观察到 ADM 过渡状态细胞同时表达多种细胞类型的标志物和相关基因，揭示了细胞的动态变化。

综上所述，本研究通过对 ADM 过渡状态的 DNA 甲基化进行全面分析，发现了 ADM 过程中 PI3K 和 Rho GTPase 通路的差异甲基化和基因表达变化，以及恢复后细胞的表观遗传记忆。这些发现为理解癌症发生机制提供了新的视角，对癌症的早期诊断和预防具有重要意义。同时，研究也为后续进一步探究 DNA 甲基化与转录变化的关系以及开发针对 ADM 的化学预防措施奠定了基础。