結直腸癌（Colorectal carcinoma, CRC）是全球第三大常見癌症，也是癌症死亡的第二大原因，約45%的CRC患者會發生轉移。盡管靶向和系統治療改善了轉移性結直腸癌（mCRC）患者的生存率，但超過80%的患者在确診mCRC後5年内死亡。癌症轉移的核心機制涉及染色質三維結構的動态變化，但臨床轉移性腫瘤的三維基因組（3D genome）研究仍存在不足，阻礙了對其調控機制的深入理解。

近日，北京大學首鋼醫院顧晉與beat365官方网站李程、軍事醫學研究院伯曉晨/陳河兵合作團隊在國際期刊Communications Biology發表了題為"3D genome landscape of primary and metastatic colorectal carcinoma reveals the regulatory mechanism of tumorigenic and metastatic gene expression"的研究論文。該研究通過整合Hi-C、ATAC-seq和RNA-seq技術，繪制了配對的正常結直腸組織、原發腫瘤、淋巴結轉移、肝轉移及正常肝組織的三維基因組圖譜，揭示了結直腸癌轉移過程中染色質空間結構的動态重塑及其對基因表達的調控機制。

研究團隊針對13例結直腸癌患者，分别從每位患者體内取出配對的癌旁正常組織、原發及轉移病竈樣本，并對這些臨床樣本開展多組學分析。分析結果顯示，轉移性腫瘤中染色質三維結構發生廣泛改變，包括A/B區室動态轉換、拓撲關聯結構域（TAD）層級重組以及增強子-啟動子環（E-P loop）的異常增強。進一步分析顯示，多尺度下染色質結構的改變與基因表達變化高度相關。在此基礎上，研究團隊開發了整合多組學數據篩選轉移相關基因的算法流程，并通過體外實驗證實候選基因ARL4C、FLNA和RGCC的敲除可顯著抑制結直腸癌細胞的遷移和侵襲能力，提示染色質三維結構重塑可能影響癌症轉移表型相關的基因表達。

圖1. 整體實驗設計和分析流程

此外，研究還鑒定到關鍵基因SPP1的增強子-啟動子環在腫瘤發生和轉移過程中持續增強，其表達水平與患者不良預後顯著相關。免疫組化實驗證實，SPP1蛋白在正常組織中低表達，在原發腫瘤中升高，并在轉移竈中進一步上調。這一發現為SPP1作為結直腸癌轉移的生物标志物和潛在治療靶點提供了新證據。

值得注意的是，本研究提出了多個染色質結構分析算法和指标，用于定量解析癌症轉移過程中染色質結構的動态改變和調控規律。為了探究結直腸癌轉移與未轉移患者樣本的A/B區室轉換規律，研究團隊提出了區室穩定性分數（Compartment stability score），發現未轉移患者具有較高的區室穩定性分數，揭示了癌症轉移與基因組穩定性的潛在規律。此前，研究團隊系統研究了TAD層級結構識别算法^[1]，并提出TAD層級結構分數^[2]（TAD hierarchical score，TH score）。本研究将該算法應用于結直腸癌轉移分析，并且基于統計檢驗優化了TH score算法，從而能有效識别癌症轉移過程中TAD層級結構顯著改變的基因。該算法探索了TAD邊界穩定性與TAD内部基因表達動态變化之間的複雜關系，為研究癌症發生發展過程中的染色質結構調控規律提供了新視角。

圖2. 結直腸癌發生轉移過程中TAD層級結構重組。a, 基于TH score的TAD層級重組基因識别和分類。b，基于顯著層級改變基因的TH score Pearson相關性熱圖。c，TAD層級上調與層級下調的基因差異表達箱線圖。

結論與展望：
綜上所述，本研究提供了臨床轉移性結直腸癌配對的癌旁、原發和轉移病竈組織三維基因組圖譜，揭示了三維基因組動态重塑可能通過調控染色質區室穩定性、TAD層級結構、染色質環及結構變異協同驅動轉移相關基因表達。本研究鑒定了ARL4C、FLNA、RGCC和SPP1等關鍵基因，并探索了結構變異在促進癌症轉移中的分子機制，為結直腸癌研究提供了新思路。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s42003-025-07647-2

北京大學首鋼醫院顧晉教授、beat365官方网站李程研究員、軍事醫學研究院陳河兵副研究員為該論文的通訊作者。軍事醫學研究院博士生許翔、北京大學已畢業博士生淦晶波、李瑞風、北京大學首鋼醫院醫師高兆亞、博士生黃丹丹為該論文的共同第一作者。博士生林霖、羅雅文、楊骞、徐婧瑄、方青、王雅琦、賀圓圓、黃安、洪昊鵬等為該工作提供了重要幫助。感謝複旦大學王小滔研究員對該研究的指導。研究得到國家自然科學基金、北京市自然科學基金、國家重點研究發展計劃和北京科技新星計劃的資助。

參考文獻

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