PLoS ONE: Distinct Funktionelle Mønstre for Gene Promoter hypometylering og Hypermethylering i Cancer Genomes

Abstrakt

Baggrund

Aberrant DNA methylering spiller vigtige roller i carcinogenese. Men den funktionelle betydning af genom-dækkende hypermethylering og hypometylering af genpromotorer i carcinogenese øjeblikket fortsat uklare.

vigtigste resultater

Baseret på genom-dækkende methylering data for fem kræftformer, vi viste, at gener med promotor hypermethylering var meget konsekvent i funktion på tværs af forskellige typer kræft, og så var gener med promotor hypometylering. Funktioner i forbindelse med “udviklingsprocesser” og “regulering af biologi processer” var signifikant beriget med hypermethyleret gener, men blev udtømt for hypomethylated gener. I modsætning hertil blev der funktioner i forbindelse med “celledræbende” og “reaktion på stimulus”, herunder immune og inflammatoriske respons, der er forbundet med en berigelse af hypomethylated gener og udtømning af hypermethyleret gener. Vi observerede også, at nogle familier af cytokiner, der udskilles af immunceller, såsom IL10 familie cytokiner og chemokiner, havde tendens til at blive hypomethylated i forskellige cancertyper. Disse resultater giver nye tips til at forstå de forskellige funktionelle roller genom-dækkende hypermethylering og hypometylering af gen initiativtagere i carcinogenese.

Konklusioner

Gener med promotor hypermethylering og hypometylering er meget konsekvent i funktion på tværs forskellige cancertyper, henholdsvis, men disse to grupper af gener tendens til at være beriget med forskellige funktioner i forbindelse med kræft. Især, vi spekulere at hypometylering af gen initiativtagere kan spille roller i at fremkalde immunitet og betændelse lidelser i forstadier betingelser, som kan give hints til at forbedre epigenetisk terapi og immunterapi af kræft

Henvisning:. Shen X, han Z, Li H, Yao C, Zhang Y, He L, et al. (2012) Forskellige Funktionelle Mønstre af Gene Promoter hypometylering og Hypermethylering i Cancer genomer. PLoS ONE 7 (9): e44822. doi: 10,1371 /journal.pone.0044822

Redaktør: Amanda Ewart Toland, Ohio State University Medical Center, USA

Modtaget: Marts 1, 2012; Accepteret: 14. august 2012; Udgivet: 7. september, 2012 |

Copyright: © Shen et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Dette arbejde blev delvist understøttet af National Natural Science Foundation of China (30970668, 31100901, 81071646 og 91029717), Excellent Youth Foundation of Heilongjiang provinsen (JC200808): https://www.nsfc.gov.cn/and http: //jj .hljkj.cn /. De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

DNA hypermethylering og hypometylering spiller vigtige roller i indledningen, progression og metastase af kræft [1], [2]. Det er almindeligt antaget, at DNA hypermethylering og hypometylering er selvstændige processer reguleres af forskellige mekanismer, og de synes at spille forskellige roller i tumor progression [3], [4]. Specifikt DNA hypermethylering i cancerpatienter genomer forekommer normalt i promotorregionerne af tumorsuppressorgener, hvilket kan resultere i at lukke munden af ​​tumorsuppressorgener [5]. I modsætning hertil DNA hypometylering ofte rettet mod DNA gentagelser, der kan fremkalde genomisk instabilitet og mutation begivenheder i kræft genomer [6], [7], [8], [9]. Der er beviser for, at promotor hypometylering af nogle gener kan være forbundet med udviklingen af ​​kræft ved at regulere aktiviteten af ​​gener [10], og at promotor hypometylering af specifikke immunitetsrelaterede gener kan fremme carcinogenese [11], [12]. For eksempel promotoren hypometylering af cytokin

IL-10

kan aktivere dets ekspression til at inhibere dannelsen af ​​immunrespons i brystcancer [11], og promotoren hypometylering af

SPAN-Xb

, et immunogent antigen, kan inducere de novo B-celle respons i myelomceller [12]. Imidlertid er den biologiske betydning af promotor hypometylering i kræft stadig dårligt forstået [13].

I dette arbejde, vi udforsket forskellige roller gener med promotor hypermethylering og hypometylering i kræft (i det følgende benævnt hypermethyleret og hypomethylated gener for enkelhed) anvendelse af promotoren methylering profiler af fem kræftformer. Først, vi evaluerede sammenhæng i funktioner beriget med hypermethyleret (eller hypomethylated) gener på tværs af forskellige typer kræft. Derefter identificerede vi hypermethylering-specifik (eller hypometylering-specifik) funktioner signifikant beriget med hypermethyleret gener (eller hypomethylated gener) og væsentligt depleteret for hypomethylated gener (eller hypermethyleret gener). Endelig har vi drøfte potentielle forbindelser mellem hypomethylated gener i kræft og immune og inflammatoriske respons lidelser i forstadier betingelser.

Materialer og Metoder

Methylering data

promotor methylering datasæt for fem cancertyper blev ekstraheret fra genekspressionen Omnibus (GEO) og The Cancer Genome Atlas (TCGA) database (https://tcga-data.nci.nih.gov/tcga), som beskrevet i tabel 1. for hver datasæt, den data blev afledt af parrede prøver af tumor og tilstødende normale væv fra samme organ site, og procentdelen af ​​tumorceller i hver tumor prøve af TCGA var højere end 70% [14]. Detaljer om fremstilling af væv kan findes i TCGA dokument (https://rcb.cancer.gov/rcb-internet/appl/rfp/07013/SOWAttachmentNo3-BCR-3-10.pdf). For at undgå en potentiel batch effekt [15], valgte vi partiet med den største stikprøvestørrelse for hver kræftform til analyse. Alle data blev indsamlet med Illumina HumanMethylation27 platform, som opdaget methylering værdi på 27578 CpG loci placeret inden de proksimale promotorområder af transcription start steder af 14495 gener.

Vi brugte level_1 data med methylerede signal intensitet (M) og umethyleret signalintensitet (U). Methyleringen niveau (beta-værdi) for hver CpG locus blev beregnet ved max (M, 0) /(| U | + | M | +100), og en konstant på 100 blev tilsat for at regulere beta værdi, når både U og M værdier var små [16]. Derefter blev en beta værdi mellem 0 (methyleret) og 1 (fuldt methyleret) tildelt hver CpG locus i hver prøve. For hver datasæt, påvisning

P Drømmeholdet værdi rapporteret af BeadStudio (Illumina) blev anvendt som en kvalitetskontrol mål for sonde ydeevne. Vi ekskluderede prøver, der bestod af 5% sonder med detektion

P

værdier 0,05 og sonder, der bestod af 10% prøver med detektion

P

værdier 0,05. I alt 1092 CpG loci inden initiativtagere til 605 sex kromosom gener blev også udelukket fra analysen at fjerne kønsspecifik bias.

Cytokine data

De cytokin data blev afledt af Kyoto Encyclopedia of Gener og genomer (Kegg) pathway database (ko04052: cytokiner) [17] downloadet den 8. marts, omfattede 2011. dataene 230 cytokiner fra 8 klasser: klasse i cytokiner (hematopoietin familie), klasse II cytokiner (interferon /IL-10 familie ), PDGF-familien, TNF-familien, IL-1-familien, IL-17 familien, TGF-beta familie og kemokiner.

Udvælgelse af differentielt denatureret Genes Salg

Den ikke-parametriske Mann-Whitney U test blev anvendt til at vælge differentielt methylerede (DM) CpG loci omkring promotorområder af gener [18] ved at sammenligne beta værdier for hver CpG locus mellem normale og cancer prøver. Den falske opdagelse sats (FDR) blev kontrolleret af Benjamin og Hochberg procedure [19]. Hvis promotoren af ​​et gen havde både hypermethyleret og hypomethylated CpG loci, var dette gen udelukket fra efterfølgende analyser [20]. Generne med mindst én DM CpG locus blev betegnet DM-gener. Ved at sammenligne de gennemsnitlige beta værdier af DM CpG loci mellem normale og cancer prøver, vi klassificeret DM gener i hypermethyleret og hypomethylated gener.

Funktionel Berigelse og Sammenhæng Analyse

Brug af GO-funktionen algoritme [ ,,,0],21] med en FDR 0,05, valgte vi GO vilkår (biologiske processer) [22], der var signifikant beriget med hypermethyleret (eller hypomethylated) gener for hver kræft type, og derefter behandlet den lokale redundans. Til behandling af lokal redundans, når både en forfader og dens afkom sigt (r) blev påvist at være statistisk signifikant, GO-funktionen udvindes kun forfader sigt som værende relevant, hvis der var beviser for, at de resterende gener i forfader sigt stadig var sandsynligt at være relevante for sygdommen efter fjernelse af gener i sin betydelige afkom sigt (r), [21]; ellers blev kun afkom sigt holdes.

Hvis der var N betydeligt hypermethyleret vilkår i datasæt 1, blandt hvilke K

1 termer blev også identificeret som væsentlig hypermethyleret i datasæt 2, PO (procentdel af overlapninger ) score på de to langsigtede lister (fra datasæt 1 til datasæt 2) blev beregnet som K

1 /N. Så foreslog vi en score, betegnet som POE (procentdel af overlapninger udvidet) score, for at vurdere sammenhængen mellem disse to lister med betydelige GO vilkår. For en hypermethyleret GO term ekstraheret fra datasæt 1, hvis dens rå P-værdi på berigelse med hypermethyleret gener for datasæt 2 var lavere end 0,05, derefter blev defineret til at være forsøgsvis signifikant i datasæt 2. Hvis K

2 i N hypermethyleret vilkår udvundet af datasæt 1 var signifikant eller forsøgsvis signifikant i datasæt 2 blev POE score på de to langsigtede lister (fra datasæt 1 til datasæt 2) beregnet som K

2 /N. Endelig har vi udført tilfældige eksperimenter for at vise, at den observerede POE score var usandsynligt at blive produceret ved en tilfældighed. Fra datasæt 2, vi udvindes tilfældigt gener som “hypermethyleret gener”, med det samme antal hypermethyleret gener udvundet af datasæt 2, og derefter udføres den funktionelle analyse og beregnet tilfældige POE-scoringer. Denne proces blev gentaget 10.000 gange, og P-værdi på den observerede bedømmelse fra datasæt 1 til datasæt 2 blev beregnet som procentdelen af ​​de tilfældige scorer overstiger den observerede score. Den samme analyse blev udført for de hypomethylated vilkår.

Resultater

Omfattende Hypermethylering og hypometylering af Gene Promoters i Kræft

Vi udvalgte DM gener under anvendelse af Mann-Whitney

U

test med en FDR 5%. Som vist i figur 1, blev fundet cirka en tredjedel af alle de målte gener for hvert datasæt, der skal differentielt methyleret. I gennemsnit blev 56% af DM gener hypomethylated i de fem kræfttyper (figur 1).

Denne figur illustrerer antallet af DM-gener i datasæt for alle fem kræftformer. X-aksen angiver kræft typen, og y-aksen angiver den procentdel af DM-gener i alle detekterede gener. Den lysegrå og mørkegrå områder repræsenterer hypomethylated og hypermethyleret gener, henholdsvis.

Funktionel Sammenhæng i methylering Ændringer på tværs af forskellige cancertyper

For hvert datasæt, med en FDR på 5%, GO-funktionen algoritme [21] blev anvendt til at identificere GO vilkår, der var signifikant beriget med hypermethyleret gener, kaldet hypermethyleret vilkår. De hypermethyleret termer ekstraheret fra forskellige datasæt syntes at have lav PO scorer (figur 2A). For eksempel kunne kun 22 til 24 af de 43 hypermethyleret vilkår udvundet datasættet for nyre karcinom findes i datasæt for de andre typer kræft, med PO snesevis af 51-55%. Men selv for den samme kræfttype, de betydelige hypermethyleret (eller hypomethylated) vilkår udvundet af forskellige datasæt tendens, at have lave PO scoringer på grund af de iboende begrænsninger i den statistiske beslutning [21]. For at løse dette problem foreslog vi POE score at evaluere den funktionelle sammenhæng i de hypermethyleret termer ekstraheret fra forskellige datasæt (se Materialer og fremgangsmåder). For eksempel 41 til 43 i de 43 hypermethyleret vilkår udvundet for nyre karcinom havde rå berigelse

P

værdier mindre end 0,05 i alle datasæt for de andre typer kræft, med POE snesevis af 95-100%. Men et gennemsnit på mindre end to af de udtrukne for nyre carcinom havde en berigelse

P Drømmeholdet værdi mindre end 0,05 i 10.000 randomiserede datasæt for hver af de andre typer kræft (se materialer og metoder), hvilket er betydeligt færre end det antal observeret i den oprindelige datasæt (

P

0,0001). Disse resultater antydede, at re-forekomst i de andre fire cancertyper ikke var tilfældig for størstedelen af ​​de hypermethyleret forretningsbetingelser for nyre-carcinom. Lignende resultater blev observeret for hypermethyleret udtryk ekstraheret for de øvrige fire cancertyper (figur 2B). Således hypermethyleret gener for forskellige typer kræft er meget konsekvente i deres funktion.

(A) Po snesevis af de hypermethyleret gener fra forskellige typer kræft. (B) De POE scoringer af de hypermethyleret gener fra forskellige typer kræft. Hver række repræsenterer score mellem de hypermethyleret vilkår for en kræft typen og hypermethyleret vilkår for de andre typer kræft. En POE score på 1 er vist med rødt, og 0 er angivet i blåt

Med en FDR. 0,05, vi identificeret 117 termer, der var konsekvent hypermethyleret tværs af de fem kræftformer. Hver af disse vilkår var signifikant i mindst én kræft type og forsøgsvis signifikant (

P

0,05) i alle de andre fire cancertyper, hvilket var usandsynligt, der skal overholdes ved en tilfældighed (binomialtest,

P

6.25E-06). Som vist i tabel S1 er disse termer hovedsageligt relateret til “udviklingsproces” (herunder “celledifferentiering” og “celle udvikling”), “transport” (herunder “calciumion transport” og “neurotransmitter transport”), “reaktion på stimulus “(herunder” reaktion på kemisk stimulus “og” adfærd “) og” regulering af biologisk proces “(herunder” regulering af transskription, DNA-afhængige “og” regulering af signalering “). Især når et begreb og en af ​​dens afkom vilkår er begge opdages at være betydelige, forskere er ofte interesseret i den specifikke afkom sigt, forudsat at bestemte GO vilkår kan være mere biologisk relevant [21]. Men i nogle tilfælde, den generelle forælder sigt kunne globalt forstyrret. Tager udtrykket “celledifferentiering” (GO: 0.030.154) som et eksempel, blev generne tilbage efter fjernelse af gener i sine fire væsentlige afkom vilkår stadig betydeligt beriget med hypermethyleret gener i datasættet for colon adenocarcinom (hypergeometric test,

P

= 7.98e-005). Dette resultat antydede, at “regulering af celledifferentiering” kunne være bredt forstyrret i denne kræftform.

Ligeledes listerne over hypomethylated udtryk udvundet for forskellige typer kræft med en FDR på 5% havde lave procentdele af overlap (figur 3A ). For eksempel blev kun 6 til 11 af de 21 hypomethylated vilkår udvundet datasættet for colon adenocarcinom også fundet i datasæt for de andre typer kræft, med PO snesevis af 28-52%. Men 19 af de 21 hypomethylated vilkår for colon adenocarcinom havde rå berigelse

P

værdier mindre end 0,05 i alle de andre fire kræfttyper, og de to andre vilkår havde rå berigelse

P

værdier mindre end 0,05 i mindst én af de andre typer cancer, alle med POE scorer mere end 90%. I 10.000 randomiserede forsøg for hver kræft type (se materialer og metoder), mindre end en af ​​de vilkår, i gennemsnit, udvundet for colonadenocarcinom havde berigelse

P

værdier mindre end 0,05 i alle de øvrige fire kræftformer , hvilket var betydeligt færre end det tilsvarende antal observeret i den oprindelige datasæt (

P

0,0001). Således kunne de fleste af de hypomethylated vilkår for colon adenocarcinom være ikke-tilfældigt fundet i datasæt for de andre fire kræftformer. Lignende resultater blev observeret for hypomethylated udtryk ekstraheret for de øvrige fire cancertyper (figur 3B). Derfor hypomethylated gener for forskellige typer kræft var også meget konsekvente i deres funktion.

(A) Po snesevis af de hypomethylated gener fra forskellige typer kræft. (B) De POE scoringer af de hypomethylated gener fra forskellige typer kræft. Hver række repræsenterer score mellem de hypomethylated vilkår for en kræft typen og hypomethylated vilkår for de andre typer kræft. En POE score på 1 er vist med rødt, og 0 er angivet med blåt.

Endelig har vi identificeret 41 termer, der var konsekvent hypomethylated tværs af de fem forskellige typer kræft (tabel S2). Hver af disse vilkår var signifikant i mindst én kræft type og forsøgsvis signifikant (

P

0,05) i alle de andre typer kræft, som var usandsynligt, der skal overholdes ved en tilfældighed (binomialtest,

P

6.25E-06) (se materialer og metoder). Disse vilkår er hovedsageligt relateret til “reaktion på stimulus” (herunder “immunrespons”, “forsvar svar” og dens afkom udtrykkene “inflammatorisk respons”, “cellulær forsvar reaktion” og “forsvar reaktion på bakterie”), og overhuden udvikling (herunder “keratinocytdifferentiering” og dens afkom “keratinisering”). Tager udtrykket “forsvar reaktion” som et eksempel, blev generne tilbage efter udelukkelse af generne af de tre væsentlige afkom vilkår stadig betydeligt beriget med hypomethylated gener i colon adenocarcinom (hypergeometriske test,

P

= 1.30E- 04). Således er “forsvar reaktion” kunne i vid udstrækning hypomethylated i kræft. Da hypometylering af gener i “immunrespons” og “inflammatorisk reaktion” kunne fremkaldes ved infiltration af lymfocytter i cancer væv [23], vi havde brug for at vurdere effekten af ​​infiltrerede lymfocytter på epigenetiske ændringer af gener kommenteret i disse to begreber. Her har vi analyseret kun datasættet for invasiv brystkræft som data fra lymfocytinfiltrering i kræft og tilstødende normale væv var til rådighed kun for denne kræfttype. Vi fokuserede på at analysere 7 par tumor og tilstødende normale væv med en lige andel af lymfocytter i hvert par af prøver og fandt, at hypomethylated gener stadig betydeligt beriget i “immunrespons” (

P

= 2.41E-05 ), men ikke i “inflammatorisk respons” (

P

= 3.74E-01), som kan skyldes den lave effekt detektere hypomethylated gener med en FDR 5% for “inflammatorisk respons” [24]. Som den funktionelle berigelse analyse er temmelig robust til de falske opdagelser af DM gener [25], valgte vi hypomethylated gener med en FDR 10%, og fandt, at “inflammatorisk reaktion” blev også beriget med hypomethylated gener (

P

= 1.92E-02). Disse resultater indikerede, at methylering af ændringer i “immunreaktion” samt i “inflammatorisk respons” ikke kunne forklares ved infiltration af lymfocytter i cancervæv.

Især fandt vi, at nogle typiske cancerassocierede funktioner såsom “cellecyklus” og “apoptose” blev ikke beriget med hypermethyleret gener eller hypomethylated gener. Omvendt blev nogle af disse funktioner betydeligt udtømt for både hypermethyleret og hypomethylated gener for alle fem kræftformer. For eksempel, “cellecyklus” var signifikant udtømt for både hypermethyleret og hypomethylated gener for alle fem kræftformer (alle

P

2.09E-10). Dette resultat kunne være delvist skyldes den stærke target gen specificitet methylering vekslinger [26], [27]. På den anden side, vi stadig observeret nogle gener i disse funktioner, som konsekvent differentielt methylerede tværs af de fem kræftformer. For eksempel 80 gener associeret med cellecyklus viste konsistente hypermethyleringsassocierede eller hypometylering ændringer på tværs af de fem kræftformer, hvilket indikerer, at de er også fælles mål for methylering vekslen i disse kræftformer.

Hypermethylation- og hypometylering-specifikke funktioner

fra de 117 begreber konsistent hypermethyleret tværs af de fem kræfttyper definerede vi hypermethyleringsassocierede specifikke funktioner som dem, der blev ikke signifikant beriget med hypomethylated gener i nogen af ​​de typer cancer og væsentligt depleteret for hypomethylated gener i mindst én kræft type. Udtømningen analyse blev udført ved anvendelse af en ensidet hypergeometriske fordeling test [28]. Vi fandt 58 hypermethyleringsassocierede specifikke funktioner, hvoraf de fleste er relateret til “regulering af biologi proces” og “udviklingsproces”. Tabel S3 indeholder en komplet liste over hypermethyleringsassocierede specifikke funktioner.

Ligeledes fra de 41 vilkår konsekvent hypomethylated på tværs af de fem kræfttyper, vi definerede hypometylering-specifikke funktioner som dem, der var ikke signifikant beriget med hypermethyleret gener i enhver af de typer cancer og væsentligt depleteret for hypermethyleret gener i mindst én cancer type (tabel S4). Vi fandt 24 hypometylering-specifikke funktioner, hvoraf de fleste er relateret til respons på stimulus (herunder “immunrespons”, “svar på svamp”, “forsvar reaktion” og dens afkom “inflammatorisk reaktion”), immunsystemet proces og celledræbende (tabel 2). I betragtning af at immunceller påvirker maligne celler gennem produktion af forskellige typer af cytokiner, fandt vi, at celle cytokiner indsamlet i Kegg databasen signifikant hypomethylated i hver af de fem kræfttyper (

P

= 3.72E-13, 5.11E-11, 6.60E-08, 2.44E-08 og 5.94e-09 for colon, nyre, mave, lunge og brystkræft, henholdsvis). Konkret fandt vi, at hematopoietin,

TNF

,

IL1

,

IL10

IL17

familier af cytokiner havde en signifikant tendens til at blive hypomethylated i alle fem kræftformer. For eksempel, i gennemsnit 70,0% af gener i

IL10

familie, der fremmer medfødte immunrespons fra væv epitel at begrænse skader forårsaget af infektion eller betændelse [29], blev hypomethylated i alle fem kræfttyper ( Figur 4).

Denne figur illustrerer procentdelen af ​​hypomethylated gener og hypermethyleret gener i seks cytokin genfamilier. X-aksen angiver genfamilien, og y-aksen angiver procentdelene af hypomethylated og hypermethyleret gener i hver af disse genfamilier. De lyse og mørke grå områder repræsenterer hypomethylated og hypermethyleret gener, henholdsvis.

Vi har bemærket, at hypermethylation- og hypometylering-specifikke funktioner er relateret til forskellige typer af “respons på stimulus”, som vist i figur 5. De hypometylering-specifikke funktioner er hovedsageligt relateret til “immunrespons”, “svar på svamp” og “forsvar svar” (herunder dens afkom “inflammatorisk reaktion”), som hovedsageligt udføres af immunceller i en organisme i reaktion på en potentiel trussel (såsom cancerceller og bakterier); i disse processer, celler kommunikerer med hinanden ved hjælp af signalmolekyler, såsom cytokiner [30]. I modsætning hertil er hypermethyleringsassocierede specifikke funktioner hovedsageligt relateret til “signaltransduktion” inde i cellen og “opførsel” (specifikke handlinger eller reaktioner) af en organisme som reaktion på ydre eller indre stimuli (figur 5).

(A) hypometylering-specifikke udtryk relateret til “reaktion på stimulus”. (B) hypermethylering-specifikke funktioner i forbindelse med “reaktion på stimulus”. De væsentlige vilkår er illustreret med grå.

Diskussion

Vores resultater viste, at gener med promotor hypermethylering og hypometylering i forskellige typer kræft er meget konsekvent i funktion, hhv. Selvom forskellige væv har specifikke methyleringsmønstre [31], dette høje konsistens tyder på, at de har lignende methylerede funktionelle ændringer i forskellige typer kræft. Vores resultater viste også, at gen-promoter hypermethylering og hypometylering tendens til at målrette forskellige biologiske processer, der er forbundet med tumor progression. Hypermethylering-specifikke funktioner er for det meste forbundet med “udviklingsprocessen” og “regulering af biologi proces”, hvorimod hypometylering-specifikke funktioner meste er relateret til “reaktion på stimulus” (herunder “immunrespons”, “svar på svamp”, “inflammatorisk respons “),” immunsystem proces “og” celle drab “. Disse resultater antyder, at DNA-hypermethylering og hypometylering kan være uafhængige processer i carcinogenese [8]. I overensstemmelse med tidligere rapporter, at methylering tilstand gener kan ændres af miljømæssige stimulus [32], viste vores resultater, at både hypermethyleret og hypomethylated funktioner er relateret til “reaktion på stimulus”. Specifikt vores resultater viste endvidere, at hypermethylering og hypometylering er forbundet med forskellige typer af “reaktion på stimulus”. Især hvis en funktion betydeligt beriget med hypomethylated (eller hypermethyleret) generne, indikerer det, at en betydelig del af gener i denne funktion er hypomethylated (eller hypermethyleret) i cancer, men det betyder ikke, at denne funktion ikke kan omfatte et lille antal af hypermethyleret (eller hypomethylated) gener. For eksempel i hypometylering-specifikke funktion “immunrespons”,

IRF4

, som negativt regulerer toll-like-receptor signalering, der er centralt for aktiveringen af ​​medfødte og adaptive immunforsvar [33], blev observeret til blive hypermethyleret i alle fem kræfttyper. Vi fandt også, at “G-protein-koblet receptor-protein-signalvejen” er signifikant beriget med både hypermethyleret gener og hypomethylated gener tværs af alle fem kræftformer. Disse resultater kan skyldes den hypometylering af kemokinreceptorer og hypermethyleringen af ​​gener relateret til signalerne transduktion i cellen, som begge kan forstyrre veje bidrager til carcinogenese [34].

Selvom vores resultater viste, at gener med promoter methylering vekslinger i forskellige typer kræft er meget konsekvente i deres funktion, kræft er en meget heterogen sygdom med hensyn til forskellige DM gener i forskellige patienter. Selv for den samme kræfttype, er unikke undertyper præget af forskellige epigenetiske vekslen [35], [36], [37], som også skal være konsekvent i funktion. For eksempel fandt vi, at de fire lister over hypermethyleret gener for de fire tyktarmskræft undertyper (CIMP-H, CIMP-L, klynge 3 og klynge 4) rapporteret af Hinoue et al [35] var meget konsekvent i funktion (figur S1) selv om disse undertyper var forskellige med hensyn til deres hypermethyleret gener [35]. Specifikt for de 117 vilkår konsekvent hypermethyleret på tværs af forskellige typer kræft, fandt vi, at 115 termer konsekvent blev beriget med hypermethyleret gener for alle fire undertyper (hypergeometriske test,

P

0,05) og de to andre vilkår var også marginalt signifikant for alle fire undertyper (hypergeometriske test,

P

0,1). Forskellige prøver til en bestemt cancer type kan harbor forskellige methylering vekslinger, som også kunne være konsekvent i funktion.

For at ekstrapolere den funktionelle konsekvens af methylering vekslinger af genpromotorer i kræft genomer, forskere ofte undersøge forholdet mellem gen methylering og genekspression. Hypermethylering af genpromotorer er signifikant korreleret med nedregulering af genekspression, men hypometylering af gen initiativtagere er ikke eller kun svagt korreleret med gen opregulering [38], [39]. Lignende komplekse relationer blev også observeret på det funktionelle plan. For at eksemplificere dette, vi analyserede 16 af de 20 par prøver for invasiv brystkræft, der indeholdt både methylering og udtryk data. De differentielt udtrykte gener blev udvalgt ved hjælp af SAM (betydning analyse af microarray) algoritme [40] med en FDR 0,05. Så for de 117 vilkår konsekvent hypermethyleret på tværs af de fem kræfttyper, fandt vi, at 64 termer var signifikant beriget med ned-regulerede gener (hypergeometric test med en FDR 0,05) og 83 termer blev marginalt beriget med ned-regulerede gener (hypergeometrisk test med

P

0,1). for de 41 vilkår, der var konsekvent hypomethylated på tværs af de fem kræfttyper, fandt vi, at ingen blev beriget med op-regulerede gener. Omvendt blev 10 hypomethylated vilkår (herunder “inflammatorisk reaktion” og “leukocytmigration”), selv beriget med ned-regulerede gener. En mulig forklaring på dette fænomen er den hypotese, at hypomethylering af genpromotorer skal samarbejde med andre centrale aktivatorer såsom passende niveauer af transkriptionelle faktorer [37], [41] til at kontrollere genekspression. For eksempel som inflammatoriske gener tendens til at blive hypomethylated i inflammatoriske sygdomme [42], [43], [44], kunne vi hypotesen, at hypomethylering af inflammatoriske genpromotorer kan ske i præcancerøse inflammatoriske lidelser, som sammen med aktiveringen af ​​de koblede aktivatorer kunne inducere hyperaktivering af inflammatorisk respons i præcancertilstande. Under udviklingen af ​​kræft, kunne hypometylering af inflammatoriske gener nedarves gennem celledeling, mens de koblede aktivatorer kunne miste funktion på grund af genome ustabilitet induceret af den pro-tumorigen mikromiljø [45], [46], [47]. Således kunne vi observere disse gener ‘nedregulering sameksisterende med hypometylering i kræft. For at bevise denne hypotese, er vi nødt til at overvåge methylering og udtryk ændringer i løbet af progression fra præcancer betændelse til kræft, hvilket er en vanskelig opgave, men fortjener fremtidig undersøgelse.

Indsigt i de funktionelle roller DNA methylering ændringer i kræft genomer kan bidrage til at forbedre den epigenetiske terapi af cancer. I øjeblikket er mest epigenetiske lægemidler hypomethylerende midler, der er målrettet hypermethyleret gener i cancer [48]. Men fordi promotor hypometylering af gener også kan spille en vigtig rolle i carcinogenese, kan midler rettet mod hypomethylated gener i cancer være nyttige til cancerterapi. F.eks omvendt hypometylering status urokinase (

uPA

) promotorsystemer blokke brystkræft vækst og metastase [49]. I betragtning af den tætte forbindelse mellem promotor hypometylering og immunitet, epigenetisk terapi og immunterapi kan være nødvendigt at blive kombineret til behandling af cancer.

Støtte oplysninger

figur S1.