英文原题：Advances in Epigenomic Sequencing and Their Applications in Cancer Diagnostics

通讯作者：Yang Liu，耶鲁大学医学院病理学系、神经病学系及耶鲁癌症中心

作者：Liyun Lin，Yang Liu*

研究背景：

癌症的细胞异质性及复杂调控机制限制了仅依赖基因变异的诊断策略。表观基因组学研究不改变DNA序列的基因活性调控特征，主要涉及DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质可及性。肿瘤发生可伴随全局低甲基化与抑癌基因启动子局部高甲基化，组蛋白修饰及染色质开放状态的异常也可重塑转录程序。部分变化在明显形态学异常之前出现，因此具有早期检测与分子分型价值。

耶鲁大学Liyun Lin和Yang Liu在Precision Chemistry发表综述，围绕上述三类特征梳理群体、单细胞和空间测序技术及其多组学整合，讨论液体活检、肿瘤异质性解析和病理组织分析中的应用，强调分辨率、信息维度与临床可实施性之间的平衡。

内容介绍：

1. DNA甲基化测序与液体活检：全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）覆盖全基因组，简化代表性亚硫酸氢盐测序（RRBS）主要富集胞嘧啶—磷酸—鸟嘌呤（CpG）密集区域，以较低测序成本分析部分甲基化位点（图1）。亚硫酸氢盐处理将未甲基化胞嘧啶转化为尿嘧啶，但会引起DNA损伤；常规方法不能直接区分5-甲基胞嘧啶与5-羟甲基胞嘧啶。酶促转化及非亚硫酸氢盐策略旨在减轻样本损失，改善低输入样本分析。

图1. WGBS与RRBS的建库流程。图中包括聚合酶链式反应（PCR）；C和U分别表示胞嘧啶与尿嘧啶，MspI为限制性内切酶

甲基化信号可在血液、尿液及粪便等样本中检测。循环游离DNA（cfDNA）分析有望用于多癌种检测、组织来源判断及术后监测，但检测性能需在相应人群中验证。综述列举了Septin 9基因甲基化检测等临床应用，表明甲基化检测的转化基础相对成熟。单细胞甲基化分析则有助于识别群体平均信号掩盖的细胞差异、追踪克隆演化；其用于癌症检测仍处于发展阶段，不能等同于成熟的临床诊断。

2.组蛋白修饰与空间定位。染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）通过特异性抗体富集目标蛋白或组蛋白修饰相关的DNA片段。靶向切割与核酸酶释放（CUT&RUN）及靶向切割与转座酶标记（CUT&Tag）采用抗体引导的酶切或转座策略，降低样本需求与背景。其单细胞形式可解析稀有染色质状态，并在肿瘤亚群识别和药物反应研究中提供信息。

空间CUT&Tag将靶向标记与组织内空间条形码结合，在保留组织结构的同时定位组蛋白修饰（图2）。这使调控状态与细胞位置、病理形态的关联分析成为可能。空间信息有助于理解肿瘤边界及微环境组织方式，但其直接用于临床肿瘤诊断仍需进一步验证。

图2.空间CUT&Tag流程。图中包括A蛋白与Tn5转座酶的融合蛋白（pA-Tn5）、基因组DNA（gDNA）、下一代测序（NGS）及条形码（BC），P5与P7为测序接头序列

3.染色质可及性及多组学整合。转座酶可及染色质测序（ATAC-seq）利用Tn5转座酶在开放染色质中切割并插入接头，较传统方法具有低输入和流程简化优势（图3）。单细胞ATAC-seq揭示细胞类型特异的调控元件、转录因子相关特征及肿瘤亚群，空间ATAC-seq进一步将这些信息映射至组织位置。

图3.染色质可及性及核小体占据分析方法。脱氧核糖核酸酶I超敏位点测序（DNase-seq）、微球菌核酸酶测序（MNase-seq）及甲醛辅助调控元件分离测序（FAIRE-seq）。DNase I与MNase分别为脱氧核糖核酸酶I和微球菌核酸酶

将表观基因组与核糖核酸（RNA）表达及蛋白信息联合分析，可把调控状态与细胞表型联系起来。例如，同一细胞中的染色质可及性与转录组联合测量，有助于解析调控元件与基因表达的关系；空间多组学则在同一组织切片中整合调控、表达和位置。相关研究为分子分型、细胞来源判断及耐药机制研究提供依据，但关联信息本身并不构成因果证明。

总结与展望

该综述强调，群体测序、单细胞分析与空间多组学具有互补性：前者适于较大规模样本和液体活检，后两者分别解析细胞异质性与组织空间结构。临床转化仍受成本、数据稀疏性、技术变异、重复性及生物信息学分析能力限制。未来需提高信号捕获效率，优化甲醛固定石蜡包埋（FFPE）样本的适配性，并结合人工智能、病理图像和临床表型开展多模态分析。在标准化流程及临床验证的基础上，多维表观基因组信息有望完善癌症精准诊断。

Cite this: Lin, L.; Liu, Y. Advances in Epigenomic Sequencing and Their Applications in Cancer Diagnostics. Precision Chemistry 2025. https://doi.org/10.1021/prechem.5c00014