文章标题：Global DNA methylation differences involving germline structural variation impact gene expression in pediatric brain tumors

发表期刊：Nature Communication

发表时间：2025.5.13

影响因子：14.7

研究介绍

本文通过分析1292例儿童脑肿瘤患者的基因组数据，并整合1430例患者的 RNA-seq 数据，探讨了遗传变异特别是结构性变异（SV）可能通过 DNA 甲基化差异间接调控基因表达。研究发现，罕见和常见SV断点与肿瘤中数以千计的DNA甲基化探针关联，表明这些变异可能影响到肿瘤的基因表达模式。进一步分析显示，某些癌症易感基因，如MSH2、RPSA和PALB2，其表达差异与SV相关的DNA甲基化变化存在显著关联。此外，SV的断裂位置若位于CpG岛或特定的染色体区域（如H3K36me3或H3K9me3标记），则更可能与CGI的甲基化状态改变有关。研究还揭示了部分基因，如ISG15和CCLP，其表达受到与其近邻的SV断裂位点关联的DNA甲基化调控。通过对增强子区域的分析，也观察到了类似的模式，其中一些增强子的甲基化水平随着临近SV的出现而发生变化，并影响着相关基因的表达。这些发现强调了遗传变异在肿瘤发生和发展中的作用，并为进一步理解这些变异如何影响基因表达提供了新的视角。

研究结果

1. 儿童脑肿瘤患者生殖系结构变异与肿瘤 DNA 甲基化的联合分析

在总共1658名患者中，通过两种算法联合检测过滤后识别出306,712个不同的生殖系SV。这些SV中有很大比例已在公共数据库（如DGV和gnomAD）中被报道过，且其频率与gnomAD中的等位基因频率基本一致，大多数为低频变异。研究重点在于识别那些SV靠近CpG岛（CGI）或增强子区域，并在多个患者中反复与肿瘤组织甲基化差异显著相关的位点，特别是当邻近基因的表达变化与甲基化呈相反方向时，提示可能存在由SV介导的表观遗传调控机制。此外，1292名患者中共检测到超过255万个生殖系SV事件，其中大部分是缺失（78.5%），其次是重复（11.8%）和倒位（9.6%），插入仅占极小部分（0.07%）。由于生殖系数据中易产生假阳性，未纳入易位事件。约79%的SV断点位于距离CpG岛1 Mb以内，支持其参与远距离调控的可能性。

图1 结合全基因组测序与DNA甲基化数据，探索儿童脑肿瘤患者的甲基化差异与生殖系结构变异（SV）的关系

2.与生殖系结构变异（SV）相关的肿瘤DNA甲基化在CpG岛水平上的差异

共6035个CpG岛显示出与生殖系SV显著相关的甲基化变化，这些SV断点位于基因的不同区域。其中，与高甲基化相关的CGI多为启动子区域的CGI，而低甲基化相关的CGI则更多位于基因体内部。所有主要类型的SV（缺失、重复、倒位）及其不同大小均参与了这种甲基化变化。进一步分析发现，部分CGI的甲基化变化与邻近基因的表达呈显著相关性，表现为甲基化升高伴随表达下降或甲基化降低伴随表达上升，提示SV可能通过影响表观遗传调控来改变基因功能。此外，在TCGA癌症数据库中的独立验证分析也发现了类似的生殖系SV与CGI甲基化及基因表达之间的关联，表明这一现象在更广泛的癌症人群中具有一定的普遍性。

图2 含有CpG岛甲基化差异且表达一致变化的基因，其附近存在生殖系结构变异（SV）断点

3.具有SV相关CGI甲基化差异及一致表达变化的癌症相关基因

在CBTN队列中，研究人员发现了一些具有重要意义的CpG岛（CGI）探针，这些探针不仅显示出与生殖系结构变异（SV）显著相关的甲基化变化，而且其邻近基因的表达变化方向与甲基化相反。其中相当一部分基因被癌症基因数据库COSMIC收录为已知的癌症相关基因，或在文献中被报道为癌症易感基因（见图3a）。

研究还发现了一些具体的SV事件，例如位于MSH2基因内部或上游的缺失SV在1292名患者中出现在10人身上；RPSA上游100 kb处一个DGV记录的常见缺失SV（esv2663561）出现在7名患者中；而PALB2下游100 kb处的一个高频缺失SV（esv1921182）则在1008名患者中存在，显示出其在人群中的广泛性。然而，在TCGA泛癌队列中，这些SV与表达或甲基化的关联并不显著，仅在TFG基因中观察到类似甲基化变化，提示这些关联可能特异于脑组织或脑肿瘤背景。

图3 涉及生殖细胞系SV断点的经典癌症相关基因：CGI甲基化差异与一致性表达关联分析

4. 生殖细胞系结构变异断点位于表观遗传元件内与 CpG 岛甲基化差异相关

分析发现，在CBTN队列中，与CGI高甲基化相关的SV断点显著富集于CGI本身和H3K36me3修饰区域，而低甲基化则主要富集于H3K9me3修饰区域。这一趋势在TCGA独立泛癌队列中也基本一致，表明这种关联具有一定的普遍性。研究还筛选出多个关键基因，如ISG15和CCLP，其SV断点位于CGI或H3K36me3区域内，并伴随CGI甲基化升高及基因表达下降的反向关系。这些结果提示，生殖系SV可能通过影响表观遗传调控元件（如DNA甲基化和组蛋白修饰），进而改变基因表达模式，尽管部分变化较为微弱，但仍可能对个体表型或疾病易感性产生潜在影响。

图4 位于CpG岛和组蛋白表观遗传标记区的生殖细胞系SV断点与差异化CGI甲基化的关联性

5.邻近生殖系SV断点附近增强子的差异化DNA甲基化

通过对30292个增强子及其邻近100 kb范围内的SV断点进行分析，发现254个增强子在FDR<10%水平上与甲基化变化显著相关，其中159个表现为SV伴随甲基化降低。这些甲基化变化还与邻近基因（500 kb内）表达变化有关联。以NBPF1和NUDT2为例，它们的增强子区域甲基化水平分别因邻近的倒位和重复SV发生显著改变，并伴随基因表达的变化。结果表明，生殖系SV可能通过影响增强子甲基化状态调控基因表达。

图5 与邻近生殖系结构变异断点相关的增强子附近DNA甲基化差异

6.与患者生存相关的生殖系结构变异及其关联的CpG岛

该研究分析了CBTN队列中与患者生存相关的生殖系结构变异（SV）及其影响的CpG岛（CGI）甲基化变化。在1317名具有生殖系全基因组测序数据的患者中，识别出多个与生存时间显著相关的基因区域，尤其是在基因上下游100 kb及基因内部区域。整合SV、甲基化和生存数据分析发现，部分CGI的甲基化变化与患者预后相关，其中1155个CGI探针组成的特征可显著区分患者的高、中、低风险组。例如，POLD4基因下游SV与甲基化升高、表达下降、及较差的生存率相关。研究提示，部分生殖系SV可能通过调控甲基化影响基因表达，进而影响儿童脑瘤患者的临床结局。

图6 与儿童脑瘤患者生存相关的生殖系结构变异断点模式及其差异性CpG岛甲基化

研究总结

本研究结合WGS和DNA甲基化的结果，探索了生殖系结构变异（SV）对儿童脑部和中枢神经系统肿瘤患者肿瘤DNA甲基化的影响。重点涉及CpG岛（CGI）或增强子的甲基化模式，包括那些在基因表达和甲基化方向上呈现相反变化的基因。在CBTN队列中观察到的整体模式也在来自癌症基因组图谱（TCGA）的独立成人癌症队列中有所体现，尽管涉及的基因和CGI有所不同。

参考文献：

Chen, Fengju et al. “Global DNA methylation differences involving germline structural variation impact gene expression in pediatric brain tumors.” Nature communications vol. 16,1 4713. 21 May. 2025, doi:10.1038/s41467-025-60110-y