弥漫性中线胶质瘤（Diffuse Midline Glioma, DMG）是一种儿童型弥漫性高级别胶质瘤，以H3K27改变为表观遗传学特征，好发于青少年儿童群体。由于肿瘤位于中枢神经系统核心功能的“中轴线”区域，如：桥脑、丘脑和脊髓等，使得其手术风险极高；与此同时，肿瘤具有高度恶性增殖、侵袭与转移的生物学特征，患者预后极差。多年以来，国际上普遍以手术/活检术结合放化疗为传统治疗方式，未能给此类患者带来显著临床获益，多数患者在确诊后一年左右死亡。当前，全球范围缺乏行之有效的治疗策略。
近日，清华大学生物医学工程学院刘鹏团队联合清华大学临床医学院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院章薇团队在hLife上发表题为“HiTIP-seq profiles epigenomic reprogramming of patient-derived diffuse midline glioma stem cells to epigenetic therapy”的封面文章(图1）。
图1. hLife 2024 年第九期封面
该研究基于微阵列芯片开发出一种高通量原位标记免疫沉淀测序技术（HiTIP-seq），不仅为DMG研究提供了新技术，更为其治疗新策略提供了科学依据（图2）。
图2. 高通量原位表观组学分析技术HiTIP-seq
DMG最常见的分子特征是组蛋白H3第27位赖氨酸突变为甲硫氨酸（H3K27M），是经典的“致癌组蛋白”（oncohistone）突变。H3K27M突变所致的表观遗传学改变（epigenetic alternation），以H3K27位点三甲基化全局下调和乙酰化上调为其鲜明特征，是驱动弥漫性中线胶质瘤发生与恶性进展的核心要素。然而，由于DMG好发部位的手术高风险性，肿瘤样本的稀缺性，以及构建体外细胞培养体系的时效性，均阻碍了该领域机制研究与临床创新治疗的实质性进展。
基于此，研究团队开发了一种基于微阵列芯片的高通量原位标记免疫沉淀测序技术——HiTIP-seq。与传统的染色质免疫沉淀测序技术（ChIP-seq）相比，HiTIP-seq可以高通量地从少量细胞样本中获取较高质量的表观组学修饰信息，这一创新技术为 DMG 等以表观遗传异常驱动的疾病研究和创新诊疗提供了核心技术支持（图3）。
图3. HiTIP-seq在不同样本起始量下分析H3K4me3和H3K27ac修饰的灵敏度和特异性
团队前期研究成果提示：基于表观遗传药物的免疫疗法为伴有广泛软膜播散转移和/或复发弥漫性中线胶质瘤患者带来了显著临床疗效，并初步探索了在体外DMG肿瘤干细胞模型中，联合应用表观遗传药物组蛋白去乙酰化酶抑制剂帕比司他（Panobinostat）和组蛋白甲基转移酶抑制剂他泽司他（Tazemetostat）干预的效果优于单一药物作用的机理（Jing L, et.al., Signal Transduct Target Ther. 2023）。在本研究中，研究人员继续沿用上述体外模型（图4），深入探索双药联用优于单药作用的科学机制。通过对HiTIP-seq联合RNA转录组测序（RNA-seq）数据进行整合分析，发现联用帕比司他和他泽司他可对DMG肿瘤干细胞进行表观遗传重编程：升高H3K27乙酰化（H3K27ac）和降低H3K27三甲基化（H3K27me3）的修饰水平；相较于单药作用，双药联合干预后有80个特有改变的差异性表达基因，其中的6个基因：WIF1, NINJ2, CASZ1, HAVCR2, BTBD3, TRIM22与胶质瘤的恶性进展密切相关（图5）；相较于正常人体，Wnt信号通路抑制因子WIF1在胶质瘤患者中呈低表达，且在不同恶性级别的胶质瘤患者中，其低表达提示临床预后更差；帕比司他和他泽司他的联合干预可激活WIF1在DMG肿瘤干细胞中的表达，进而抑制其恶性增殖（图6）。上述发现为临床DMG患者响应基于表观遗传的创新疗法进一步提供了科学依据。
图4. DMG患者来源肿瘤干细胞的组织病理学、细胞学和分子特征
图5. HiTIP-seq联合RNA-seq整合分析
探索DMG肿瘤干细胞响应表观遗传药物干预的分子机制
图6. Wnt抑制因子1（WIF1）与胶质瘤患者预后的相关性
及其表达调控对DMG肿瘤干细胞增殖的影响
综上所述，HiTIP-seq能够从少量样本中获取高质量表观组学修饰信息，并结合高通量微阵列芯片技术，实现多样本和多药物组合的同步分析；得益于这一技术的助力，在DMG的研究中，进一步揭示了联合运用表观遗传药物帕比司他和他泽司他的效果优于任一单药的作用机制。这一突破为弥漫性中线胶质瘤的研究和治疗开辟了新途径，为DMG患者的临床获益带来了新希望。同时，HiTIP-seq也为其他癌症的表观遗传研究提供了强有力的工具，有望进一步推动癌症创新诊疗领域的新进展。
作者简介：
陈忠尧，助理研究员，第一作者
机构：清华大学生物医学工程学院
研究方向：基于微流控芯片技术和类器官模型探究肿瘤的致病机理和治疗策略
高强，博士研究生，第一作者
机构：清华大学临床医学院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院
研究方向：弥漫性中线胶质瘤发病机制及治疗
刘鹏，研究员，通讯作者
机构：清华大学生物医学工程学院、昌平国家实验室
研究方向：分子诊断的集成化自动化与细胞筛选的微量化全能化
章薇，研究员、副主任医师，通讯作者
机构：清华大学临床医学院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、国家儿童医学中心 / 首都医科大学附属北京儿童医院、清华大学附属北京清华长庚医院
研究方向：中枢神经系统恶性肿瘤个体化精准诊疗
胡亚伟，助理研究员，通讯作者
机构：昌平国家实验室
研究方向：以类器官为体外模型的免疫治疗
引用格式：
Chen Z, Gao Q, Shang Y, et al. HiTIP-seq profiles epigenomic reprogramming of patient-derived diffuse midline glioma stem cells to epigenetic therapy. hLife.
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