项目名称：恶性肿瘤发生、发展的细胞表观遗传机制首席科学家：尚永丰北京大学
起止年限：2011.1至2015.8
依托部门：教育部
二、预期目标
总体目标：
本项目瞄准表观遗传学研究的前沿，整合国内优秀研究人员，系统深入地开展恶性肿瘤发生发展及侵袭转移的表观遗传学研究。本项目的总体目标如下：阐明表观遗传关键机制即DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA对基因表达调控的影响；明确表观遗传调控在乳腺癌、肺癌发生发展及侵袭转移中的作用；揭示EMT过程中的表观遗传学变化及细胞重编程机制；阐明细胞微环境在肿瘤转移中的作用及机制；整合各种信息数据，描绘乳腺癌、肺癌发生发展及侵袭转移的分子调控网络。通过本项目的实施，建立和完善表观遗传学研究的新的技术体系，实现我国在生命科学及医学研究领域的理论创新，为恶性肿瘤预警、诊断、治疗和药物筛选提供新思路、新途径和新靶标，发现几个潜在的可以用于乳腺癌、肺癌诊断的分子标志物及药物治疗的分子靶标，并在本项目的实施过程中建立一支具有国际竞争力的研究团队。
五年预期目标：
1、发现一批新的组蛋白修饰因子，探明组蛋白修饰与DNA甲基化之间相互作
用的分子机制，筛选一批肿瘤相关ncRNA，鉴定一批具有潜在临床应用价值的肿瘤诊断及治疗的新的ncRNA分子靶标；鉴定一批新的EMT关键调控因子；发现针对转移型乳腺癌、肺癌的新的有效治疗靶点。
2、建立一整套适应于恶性肿瘤表观遗传学研究的技术平台和技术体系。
3、培养一批中青年学术带头人和学术骨干；培养研究生（含硕、博）50名以上、
博士后12名以上。
4、在国际一流杂志（IF>10）发表论文8篇以上，在有影响力的杂志（IF>5）上
发表论文25篇以上。
三、研究方案
本项目分为六个课题，将全面系统地研究乳腺癌和肺癌发生发展及侵袭转移的表观遗传机制，为乳腺癌和肺癌的预防、诊断、治疗提供分子标志及药物靶标。前三课题分别从DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA三个不同角度，分析肿瘤发生发展及侵袭转移中表观遗传学改变，研究其相互之间的作用关系及分子调控机理；第四课题将对肿瘤转移过程中非常重要的现象即上皮－间质转换的细胞重编程机制进行探讨；第五课题从肿瘤微环境的角度，探讨肿瘤微环境中基质细胞及细胞因子对肿瘤细胞生物学行为尤其是侵袭转移的影响；第六课题整合所有的信息，描绘乳腺癌和肺癌发生发展及侵袭转移的分子调控网络。
六个部分各有侧重，又紧密衔接，团结合作，互相促进。
课题一：DNA甲基化变化在恶性肿瘤发生发展及侵袭转移中的作用本研究将筛选肿瘤细胞中高甲基化并失活的基因并分析其启动子区域组蛋白的修饰状况，探讨DNA甲基化与组蛋白修饰的先后关系。筛选出影响DNA 甲基化酶和DNA结合的关键性因子或蛋白；明确相关关键性因子或蛋白与DNA 甲基化酶及DNA结合蛋白作用的分子机制，进一步明确特定基因发生DNA甲基化的分子机制，进而揭示组蛋白修饰与DNA甲基化相互作用的分子机制。另外在肿瘤组织，CBX7等PcG蛋白的正常组合关系被破坏，并且这种PcG蛋白组合紊乱与肿瘤相关基因失活之间可能存在因果关系。本研究还将以多种器官的正常组织和肿瘤组织为对象，了解正常组织细胞中PcG蛋白的正常组合关系，研究这种正常组合关系破坏与肿瘤发生的关系及其与肿瘤相关基因组蛋白修饰、核小体定位和DNA甲基化发生的关系。表观遗传重编程不仅在体细胞去分化和获得多能“干性”方面发挥关键性作用，也是细胞癌变过程中获得无限增殖和侵袭
/转移能力的物质基础。本研究将在开展肿瘤转移相关DNA 甲基化组学研究的基础上，筛选并鉴定出影响肿瘤细胞转移能力的关键性DNA 甲基化变化位点及其网络，了解其在癌细胞获得转移能力重编程过程中作用，建立预测恶性肿瘤转移能力的表观遗传分子分型体系。总体研究方案如下：
课题负责人：朱卫国，北京大学
学术骨干：邓大君，北京大学
伍会健，大连理工大学生命科学与技术学院
课题二：组蛋白修饰异常在恶性肿瘤发生发展及侵袭转移中的作用
本课题将常规方法和高通量技术相结合，从筛选乳腺癌和肺癌中新的组蛋白
修饰调控因子及其复合物出发，逐步揭示所获得的候选基因对于组蛋白修饰的作用和调控机理，并进一步阐明这些基因在调控肿瘤发生发展及侵袭转移中的作用及其机制。将以功能基因组学和蛋白质组学的方法筛选乳腺癌和肺癌中发生突变或者表达异常的组蛋白修饰酶以及转录因子，同时针对MLL1等相关的甲基化酶复合物组分，LSD1等去甲基化酶、EYA去磷酸化酶和磷酸化激酶、转录因子Smad4和ER及其转录辅助因子等，筛选新的组蛋白修饰基因或miRNA，利用各种蛋白质间相互作用方法验证筛选获得的组蛋白修饰复合物中各成员间的相互作用。利用基因过量表达和敲低/敲除技术、基因突变技术、组蛋白甲基化、磷酸化和乙酰化分析、ChIP-seq等技术检测分离的组蛋白修饰因子对组蛋白修饰和基因表达的影响及其在基因表达调控中的分子机制。在此基础上，利用动物模型和临床标本对组蛋白修饰候选因子在肿瘤发生发展及侵袭转移中的作用做深入分析。总体研究方案如下：
课题负责人：叶棋浓，军事医学科学院生物工程研究所
学术骨干：杨晓，军事医学科学院生物工程研究所
课题三：非编码RNA在恶性肿瘤发生发展及侵袭转移中的作用
研究ncRNA作用机制的一个关键就是鉴定与之相互作用的靶分子，特别是蛋白分子。本课题将以乳腺癌细胞系、肿瘤组织、肿瘤启动细胞为模型，利用自主建立的RNA-SELEX-seq技术平台系统地发现和鉴定与肿瘤相关蛋白（特别是其中的转录因子和表观修饰酶）发生相互作用的ncRNA；还将采用不同大小的ncRNA的cDNA文库（size-fractioned RNA library）鉴定肿瘤启动细胞特异的ncRNA。采用球囊形成实验、二维平皿及三维Matrigel培养以及免疫缺陷鼠体内种植和肿瘤组织等研究体系，系统深入地研究ncRNA和蛋白间的相互作用、它们所构成的结构网络、调控网络、以及这些相互作用的生理功能，剖析ncRNA 调控网络在肿瘤发生发展进程中的作用与意义。与此同时，选择其中一些有重要功能的ncRNA，结合大量的肿瘤患者的标本及临床资料，研究将其作为药靶或生物标记物的可能性。
课题负责人：宋旭，四川大学
学术骨干：宋尔卫，中山大学
李沁桐，四川大学
课题四：上皮－间质转换的机理及恶性肿瘤侵袭转移的细胞重编程机制以乳腺癌细胞系、肿瘤组织及癌旁正常组织为模型，探讨EMT的细胞重编程作用机理及其在乳腺癌转移及化疗药物耐受中的作用。选取永生化的正常乳腺细胞系（如MCF-10A），ER阳性低转移性细胞系（如MCF-7，T47-D等），ER 阴性高转移细胞系（如MDA-MB-231，SUM1315等），以及ER阳性但对三苯氧胺耐药的BT-474细胞等为主要细胞模型，并通过lentivirus介导的shRNA抑制或过表达E-cadherin在这些细胞系中分别诱导或抑制EMT表型。比较不同细胞系在EMT前后其基因表达谱变化，用MeDIP-seq法比较基因组范围内DNA甲基化变化情况，并用ChIP-seq法比较与转录相关的主要的组蛋白修饰标志如激活性的组蛋白乙酰化、H3K4甲基化，抑制性的H3K9，H3K27，H4K20甲基化等在全基因组范围内的分布变化规律。在此基础上，对差异表达的新基因及特异性组蛋白修饰酶在EMT以及在乳腺癌转移及药物耐受中的作用做深入分析。同时，选取两种以上高转移性细胞系，以TGFβ或TNFα刺激细胞或稳定转染β-catenin分别激活TGFβ、NFκB以及Wnt信号通路诱导EMT。用基因表达谱、蛋白质谱及全蛋白磷酸化谱分析在三种条件下共同变化的靶基因及蛋白分子。这些共同通路分子是各信号通路间的交互作用节点及潜在的EMT关键调控因子，对它们的作用机理进行进一步细胞及分子水平上的分析。建立可诱导表达荧光标记的E-cadherin或其它EMT诱导因子的稳定转染细胞系，以在细胞及分子水平
上实时观察细胞内外环境的改变对EMT 及细胞转移能力的影响。总体研究方案如下：
课题负责人：尚永丰，北京大学医学部
学术骨干：梁静，北京大学医学部
张华，中国航天员科研训练中心
课题五：细胞微环境与肿瘤的发生发展及侵袭转移
以乳腺癌为模型，分别从肿瘤细胞微环境中的肿瘤相关成纤维细胞、浸润的免疫细胞（肿瘤相关性巨噬细胞）和基质分子（细胞因子TGFβ）入手，研究肿瘤微环境对肿瘤细胞生物学行为尤其是侵袭转移的影响。分离乳腺良性增生患者
寻找高转移性乳腺癌及对现有化疗药物不敏功能域分析； 质谱检测并验证相互作用蛋白；靶基因检测；与已病毒介导的稳定过表达及shRNA 抑制候选基因后，细胞表型
及小鼠乳腺
及各种不同类型不同分期的乳腺癌患者组织微环境中的成纤维细胞及肿瘤相关性巨噬细胞，分析miRNA及mRNA的表达谱；研究这些差异表达的基因或miRNA对成纤维细胞及肿瘤细胞侵袭转移能力的影响；建立三维细胞培养模型，将肿瘤细胞与基质细胞共培养，尽量模拟体内环境，并应用免疫分子及免疫细胞缺陷小鼠构建小鼠骨髓嵌合体动物模型，研究这些差异表达的基因或miRNA对共培养后肿瘤细胞侵袭转移能力的影响；采用基因工程小鼠模型，从分子、细胞、动物三个层面研究TGFβ信号通路在肿瘤微环境中与REGγ蛋白酶体激活因子、p53等重要肿瘤因子动态相互作用及其动态调控的分子机制。在解析这些调控机制的生理病理意义的基础上，通过肿瘤模型研究进一步阐明肿瘤微环境中重要生物学因子对肿瘤发生发展的决定性作用。具体方案如下：
课题负责人：刘芝华，中国医学科学院肿瘤研究所
学术骨干：李晓涛，华东师范大学生命科学研究所
曲春枫，中国医学科学院肿瘤研究所
课题六：恶性肿瘤发生发展及侵袭转移的分子调控网络
利用肿瘤基因表达和表观遗传学数据，采用计算生物学方法推测在恶性肿瘤、干细胞中发生变化的表观遗传学调控网络。为了更深入地研究肿瘤发生发展过程的分子调控网络，还需要从以下几个方面进一步发展基于贝叶斯网络的因果推断方法。（1）考虑到实验方法与手段的多样性，需要开发能够自动整合并利用多个异质实验数据的因果推断方法。这部分工作涉及去除反映单个数据源自身特征的背景信号，子网络的拼接与集成，观测型实验数据与(基因敲除、RNA沉默等)干预型实验数据的因果信息集成等多个问题；（2）通过开发根据数据特征自适应地调整网络正则化参数的学习算法等方式，以解决如何在具有较高噪声和不精确性的系统生物学实验数据中进行可靠因果推断的实际问题。对于大规模因果推断问题，使用现有的贝叶斯因果推断方法，还面临有限的数据资源与急剧增大的网络搜索空间的矛盾。为了保证学习结果的鲁棒性，我们拟开发一系列能保持因果关系的特征选择方法来解决这个问题。（3）不同系统生物学因素之间的上下游作用关系可能会随肿瘤发生与发展的过程而动态地发生变化，为此我们拟开发能够正确推断这种动态关系的贝叶斯网络学习算法。因为肿瘤细胞有很多具有干细胞特性，且目前所掌握的胚胎干细胞数据比肿瘤数据更丰富也更系统,我们将在恶性肿瘤与干细胞中分别预测基因表达与表观调控网络，并进一步比较其异同。通过干扰预测的上游调控节点后以ChIP-PCR和ChIP-seq技术对下游节点进行检测，对以上预测模型中的关键调控关系进行验证。为了通过实验验证贝叶斯网络模型推测出来的因果关系，我们将把它们作为遗传学的上下游关系处理。这样就可以人为地提高或降低上游事件的水平，例如，转录因子结合或者其他组蛋
白修饰水平，而后观察下游事件，如基因表达，或者组蛋白或DNA修饰的水平的变化，来证实我们所预测的因果关系。以组蛋白甲基化修饰作用为例，甲基化转移酶和去甲基化酶是可用于干扰网络中的特定节点。譬如我们要证实H3K27me3抑制基因表达这一关系，我们可以通过抑制正常细胞或者癌细胞的组蛋白甲基化转移酶或者去甲基化酶来调节H3K27me3水平，从而观察下游基因表达水平的变化（图2）。实际上，一些已报道的因果关系正是利用上述方法和遗传突变在模式生物或细胞实验中发现的。验证转录因子对某种组蛋白修饰的作用可以通过过表达或者RNAi转录因子来直接观察到。我们将通过过表达或者RNAi 分别上调或者下调转录因子，然后利用ChIP-qPCR技术检测一些已知的修饰位点或者利用ChIP-seq技术在全基因水平检测转录因子对全基因组范围内组蛋白修饰的影响。
图2：如何通过干扰上游调控节点并以ChIP-PCR和ChIP-seq技术
检测下游基因验证预测模型中的关键调控关系
具体方案如下：
课题负责人：韩敬东，中国科学院遗传与发育生物学研究所学术骨干：吴旻，武汉大学生命科学学院
四、年度计划