基于转录组学特征的CMS分类体系将CRC分成了四种亚型（CMS1-4），但这一体系是基于对肿瘤组织内基因表达平均水平的测量，掩盖了肿瘤组织高度复杂的细胞类型组成以及癌细胞与肿瘤微环境的相互作用。随后应用单细胞RNA测序（scRNA-seq）的研究提供了CRC的全景图谱，通过分析CRC恶性上皮细胞（即癌细胞）的测序数据，鉴定出内在共识分子亚型（iCMS），并将肿瘤细胞分为iCMS2和iCMS3（图1）。对iCMS的深入分析进一步揭示了其与癌细胞遗传变异特征和微环境的关联。例如所有iCMS2细胞都是微卫星稳定（MSS）的，而iCMS3细胞进一步分为MSS和微卫星不稳定（MSI）的。实际上，iCMS2、iCMS3-MSS和iCMS3-MSI分别对应于CMS2、CMS3和CMS1。纤维化CMS4亚型未包含在iCMS系统中，表明微环境间充质细胞特征与癌细胞的内在特性是不直接关联的。

iCMS分类

非突变性的表观遗传重编程是肿瘤的重要特征之一。根据CRC的基因组甲基化状态，有研究者提出了CpG岛甲基化表型（CIMP），CIMP-High亚型与CRC患者的预后密切相关，几乎包含了所有BRAF突变病例。由于基于芯片杂交的DNA甲基化检测技术难度较低，对于CRC表观遗传调控的既往研究多集中在DNA甲基化，而组蛋白修饰、染色质可及性和转录因子（TF）结合等重要表观遗传调控特征在CRC中尚未得到充分研究。2024年，汤富酬与周鑫合作团队在Cancer Discovery上发表了一项研究，利用高精度单细胞染色质可及性分析（scATAC-seq）揭示了CRC分子亚型的染色质状态调控以及特征转录因子等重要表观遗传基础。研究人员发现了CRC的两个表观遗传亚型，这些亚型的遗传变异、临床特征、基因表达特征与scRNA-seq定义的iCMS2和iCMS3 CRCs完全匹配。这一发现首次证实了iCMS分型在表观遗传水平上的稳定性和可靠性，因此也将iCMS的范围扩展到表观遗传调控水平。

iCMS分型为CRC提供了多维表型分类，但这种表型分类背后的特异性基因调控机制尚未建立。汤富酬和周鑫合作团队应用scATAC-seq鉴别出iCMS特异性TF，几种TF在不同iCMS亚型之间的活性存在显著差异，包括iCMS2亚型特异性激活的HNF4A、PPARA和CDX2，以及iCMS3亚型特异性激活的FOXA3和MAFK，这一差异也在患者水平分析中被证实。尽管同一亚型的肿瘤具有相似的TF活性谱，但在基因表达和染色质可及性方面，亚型内不同患者之间存在明显的异质性，只有约10%的基因和调控元件在同一亚型的所有患者中一致异常激活。值得注意的是，亚型特异性TF结合不同的靶基因集，从而塑造了患者间染色质可及性和RNA表达上以多样性为主、相似性为辅的肿瘤生物学特征。

TF活性塑造亚型间和亚型内的异质性

不同的CRC亚型特征由复杂的基因调控网络调节和互连。汤富酬和周鑫合作团队使用加权相关性网络对结直肠癌图谱中的TF活性进行了分析，鉴定出13个活性与肿瘤生物学特征高度相关的TF模块，这些模块分别与肿瘤的iCMS分型、CIMP分型、微卫星不稳定性、原发肿瘤部位等特征显著相关。这些不同TF模块的协同作用，共同调节着下游基因，并塑造了CRC的多维异质性。

随着肿瘤的发展，肿瘤细胞逐渐形成遗传异质性的亚克隆，形成复杂的ITH。单细胞多组学测序技术为研究肿瘤进化过程中多维ITH动态变化提供了有力的工具。2018年，汤富酬教授团队与北医三院合作发表的研究，应用单细胞多组学测序技术，分析了CRC的发生与转移过程中基因组拷贝数变异、DNA甲基化异常及基因表达改变的特点。进一步的遗传克隆与DNA甲基化谱的相关性分析表明，全基因组DNA甲基化水平与遗传克隆密切相关，证实了DNA甲基化异质性也受基因变异异质性的影响，启动子区域的甲基化与相应基因的表达呈显著的负相关，而基因区的甲基化与相应基因的表达呈正相关。在此基础上，汤富酬和周鑫合作团队继续深入研究肿瘤进展过程中染色质可及性和TF结合的动态变化，研究发现后期出现的亚克隆具有更高的iCMS特异性基因表达谱，且iCMS特异性TF的逐步激活与iCMS基因表达谱一致，为肿瘤进展过程中iCMS表型形成的表观遗传调控提供了理论依据。

大多数CRC起源于腺瘤性息肉，探索腺瘤形成的调控机制可以为CRC的早筛和诊断提供靶点。汤富酬和周鑫合作团队系统地鉴定了癌前息肉的染色质特征，并观察到染色质可及性与DNA甲基化水平存在紧密的负相关关系，并且在良性腺瘤阶段获得的染色质异常在随后恶变为腺癌过程中得以保留。这种染色质可及性和DNA甲基化的共调控为CRC筛查提供了新选择，例如HOXA基因在CRC中表现出极高的异常高甲基化频率，具有很好的诊断价值。

早期腺瘤发生过程中的表观遗传调控

汤富酬 教授  |  通信作者

北京大学生物医学前沿创新中心教授，现任北京未来基因诊断高精尖创新中心副主任。主要从事人类早期胚胎和生殖系细胞发育以及癌症的单细胞功能基因组学研究。在国际上率先系统发展了单细胞功能基因组学研究体系，开启了单细胞转录组测序时代。在此基础上，发现了人类生殖系细胞发育以及肿瘤发生过程中基因表达网络的多项重要表观遗传学调控机理。

以通讯（或者共同通讯）作者身份在Cell、Nature、Science等期刊发表论文70余篇，文章被引用20000余次。其中多项研究工作获评2014年度和2015年度中国科学十大进展，以及2015年度和2019年度中国生命科学领域十大进展。目前为Cell Stem Cell, Cell Research, Protein & Cell, Genome Biology, Genomics Proteomics & Bioinformatics, Precision Clinical Medicine, Open Biology, Chinese Journal of Cancer Research等学术期刊编委。

来源：Cancer Biology Medicine