功能富集的表观遗传时钟揭示癌症患者组织特异性的衰老差异模式：衰老与癌症关联的新突破

《Communications Medicine》：Functionally enriched epigenetic clocks reveal tissue-specific discordant aging patterns in individuals with cancer

为探究表观遗传改变在衰老和癌症中的作用，研究人员将细胞特异性的年龄相关 DNA 甲基化（DNAme）变化与衰老和癌症的三个关键标志联系起来研究。结果发现乳腺癌组织加速衰老，部分非癌替代样本减速衰老。该研究为理解衰老和癌症的关系提供新视角。

　　在生命的长河中，衰老就像一个神秘的 “幕后黑手”，它不仅是自然生命历程的一部分，更是众多疾病的重要诱发因素，癌症就是其中的典型代表。一直以来，科学家们都致力于揭开衰老与疾病之间复杂关系的神秘面纱，其中，衰老背后的分子机制以及相关疾病的防治策略成为了研究的关键。

随着研究的深入，人们发现 DNA 的化学修饰 —— 表观遗传变化，在衰老和癌症发生过程中扮演着重要角色。DNA 甲基化（DNAme）作为表观遗传的重要组成部分，其变化与衰老紧密相关，并且在此基础上发展出了表观遗传时钟这一概念。然而，在疾病发展过程中，不同器官里这些表观遗传变化的功能意义以及方向却如同迷雾，模糊不清。就好比在一个庞大的生命机器中，虽然发现了一些关键齿轮（表观遗传变化）在转动，但却不清楚它们究竟是如何推动整个机器（疾病发展）运转的，也不知道它们对各个零件（不同器官）会产生怎样的影响。

为了驱散这层迷雾，来自欧洲多个研究机构的科研人员，包括欧洲转化肿瘤预防与筛查研究所（European Translational Oncology Prevention and Screening Institute）、因斯布鲁克大学生物医学衰老研究所（Institute for Biomedical Aging Research, Universit?t Innsbruck）等，开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《Communications Medicine》杂志上，为我们理解衰老与癌症的关系提供了全新的视角。

研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，他们整合了大量先前已有的数据集以及专门为本研究生成的小鼠甲基化数据集，这些数据来源广泛，涵盖了人类和小鼠的多种样本，为后续分析提供了丰富的素材。其次，在数据处理方面，除了 TCGA 数据，其他原始 IDAT 甲基化文件都采用了标准化流程进行预处理，通过特定的算法对数据进行归一化处理，确保数据的准确性和可靠性。对于小鼠数据，还专门生成了与之兼容的注释和清单 R 包。最后，通过构建线性模型等统计方法，来识别与衰老、增殖等相关的 CpG 位点，并计算不同功能富集的表观遗传时钟值。

研究结果如下：

1. 定义功能富集的衰老特征：研究人员通过将与年龄相关的 CpG 位点与衰老、干细胞命运相关基因启动子甲基化（PCGT）、增殖失调等功能相关的位点进行重叠分析，定义了 22 组具有不同功能的 CpG 位点。这些位点与衰老和癌症相关基因的 mRNA 表达水平密切相关，并且具有细胞类型特异性。例如，在宫颈样本中，AGE_epi时钟表现出对更年期状态的依赖性。
2. 重编程对时钟的影响：利用成纤维细胞在 OSKM（Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc）重编程过程中的纵向样本数据，研究发现大多数与年龄相关的 DNAme 特征在重编程过程中会发生逆转，但与干细胞基因启动子相关的 PCGT 时钟却表现出不同的行为，部分 PCGT 时钟在其他时钟指示年轻化时出现短暂 “峰值”，而与上皮细胞增殖减少相关的 PRO_epi- 时钟在重编程后表观遗传年龄反而增加。
3. 衰老和正常衰老对表观遗传年龄的影响：通过与常用的表观遗传时钟进行对比评估，发现大多数时钟在诱导多能干细胞或胚胎干细胞中数值较低，而在衰老细胞中显著升高。抑制细胞增殖似乎可以降低细胞的表观遗传年龄，正常衰老则与重编程的效果相反，多数时钟随着年龄增长而升高，但 PCGT_pure时钟等除外。
4. 功能富集时钟对死亡率的预测能力：利用来自出生队列的颊部和血液样本的小数据集，评估功能富集时钟对 10 年全因死亡率的预测能力。结果发现，一些与年龄相关的时钟在预测死亡率方面表现出色，部分功能富集时钟的 AUC 值高于常用的 Horvath 和 Hannum 时钟，甚至高于专门用于预测寿命的 PhenoAge 时钟，但由于样本量较小，该结果还需进一步验证。
5. 癌症组织的表观遗传年龄变化：在癌症相关研究中，多数时钟在癌症组织中表现出加速衰老的特征，但与上皮细胞衰老且增殖负相关的 PRO_epi- 时钟在癌症组织中数值降低，表明癌症组织在上皮细胞增殖方面表观遗传年龄更年轻。此外，研究还发现癌症与重编程之间存在共同和不同的特征，这些差异位点可能为预防重编程过程中的致癌风险提供研究方向。
6. 衰老特征对新辅助化疗反应的预测价值：研究发现多个时钟在对新辅助化疗无反应或部分反应的乳腺癌患者的组织样本中数值显著更高，说明衰老的表观遗传特征可以作为预测新辅助化疗反应的生物标志物，具有潜在的预后价值。
7. 癌变过程中的早期表观基因组变化：通过对宫颈癌前病变（CIN）不同阶段的宫颈样本研究发现，在 CIN1 阶段就已经出现与年龄和癌症相关的时钟失调，CIN2 和 CIN3 + 阶段的多数特征与宫颈癌相似，但部分特征在不同阶段存在方向差异，提示可能存在代偿机制。此外，在细胞学正常但后续发展为 CIN3 + 的样本中，也能检测到癌症相关的变化，有助于预测患病风险。
8. 癌症风险暴露对表观遗传年龄的影响：研究人员评估了与癌症风险相关的暴露因素对表观遗传年龄的影响。发现增加癌症风险的暴露因素会使相关组织的时钟变化类似于癌症组织，而降低癌症风险的治疗则会产生相反的效果。例如，吸烟会使颊部样本的时钟变化与吸烟相关癌症组织相似，而抗孕激素药物米非司酮则显著降低了乳腺癌相关时钟在乳腺组织中的数值。
9. 替代样本的表观遗传年龄变化：对乳腺癌、卵巢癌和子宫内膜癌患者及其匹配对照的血液、颊部和宫颈替代样本研究发现，宫颈样本表现出与癌症组织相反的衰老模式，表观遗传年龄低于对照组；颊部样本则与癌症组织的变化方向相似，在某些时钟上表观遗传年龄高于对照组。这表明颊部和宫颈样本都可能用于检测乳腺癌的存在，但颊部样本与乳腺癌组织的变化更一致。
10. 小鼠模型验证：研究人员利用化学诱导的小鼠乳腺癌模型，定义了小鼠 PCGT_gen和 PCGT_nonage时钟，并在小鼠的乳腺、宫颈和外周血单核细胞（PBMCs）等组织中进行验证。结果证实了在人类研究中发现的癌症组织与替代组织（宫颈）之间表观遗传年龄的相反关系，并且发现米非司酮的预防作用与这些时钟的变化相关，未患肿瘤的小鼠在接受米非司酮处理后时钟值降低更明显。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次全面探究了与衰老、增殖和干细胞命运相关的功能富集的年龄相关和细胞类型特异性 DNAme 位点模块，以及它们与当前和未来癌症的关联。通过构建功能富集的表观遗传时钟，在多种独立数据集、人群和物种（人类和小鼠）中进行综合评估，为理解衰老和癌症的关系提供了新的视角。然而，研究也存在一些局限性，如某些子集的样本量较小，对功能相关位点的验证还可进一步加强，并且目前还不清楚癌症在不同组织中对衰老产生不同影响的具体机制。尽管如此，该研究仍然具有重要意义，它揭示了衰老特征与癌症之间的复杂关系，为癌症预防和治疗提供了潜在的生物标志物和新的研究方向。未来，进一步深入研究这些机制，有望开发出更有效的癌症防治策略，为人类健康带来新的希望。