科学家发现了癌症指纹，彻底改变了早期检测

诸平

Artistic concept of an ‘epitranscriptomic’ fingerprint. Credit: Queralt Tolosa/Centro de Regulación Genómica

据西班牙巴塞罗那科学技术学院基因组调控中心{Center for Genomic Regulation(CRG), The Barcelona Institute of Science and Technology, Dr. Aiguader 88, Barcelona, Spain}2024年12月20日提供的消息，科学家发现了癌症指纹，彻底改变了早期检测（Scientists Have Discovered a Cancer “Fingerprint,” Revolutionizing Early Detection）。

通过小型便携式扫描仪，可以在几小时内以近乎完美的精度识别出变化。不同类型的癌症具有不同的分子指纹，可以在疾病的早期阶段以惊人的准确性识别。根据2024年12月10日发表在《分子细胞》(Molecular Cell)杂志网站的一项研究，小型便携式扫描仪可以在几个小时内检测到这些指纹。原文详见：Ivan Milenkovic, Sonia Cruciani, Laia Llovera, Morghan C. Lucas, Rebeca Medina, Cornelius Pauli, Daniel Heid, Thomas Muley, Marc A. Schneider, Laura V. Klotz, Michael Allgäuer, Ruben Lattuca, Denis L.J. Lafontaine, Carsten Müller-Tidow, Eva Maria Novoa. Epitranscriptomic rRNA fingerprinting reveals tissue-of-origin and tumor-specific signatures. Molecular Cell, 10 December 2024. DOI: 10.1016/j.molcel.2024.11.014

参与此项研究的除了来自西班牙巴塞罗那科学技术学院（The Barcelona Institute of Science and Technology, Dr. Aiguader 88, Barcelona, Spain）的研究人员之外，还有来自西班牙巴塞罗那的庞培·法布拉大学{Universitat Pompeu Fabra (UPF), Barcelona, Spain}、德国海德堡大学医院（Heidelberg University Hospital, Heidelberg, Germany）、德国海德堡的欧洲分子生物学实验室{Molecular Medicine Partnership Unit (MMPU), European Molecular Biology Laboratory (EMBL), Heidelberg, Germany}、德国癌症研究中心{German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany}、德国肺部研究中心{German Center for Lung Research (DZL), Heidelberg, Germany}、德国海德堡大学医院胸部临床中心（Thoraxklinik at Heidelberg University Hospital, Heidelberg, Germany）、比利时布鲁塞尔自由大学{Université libre de Bruxelles (ULB), Biopark campus, Gosselies, Belgium}、西班牙巴塞罗那的ICREA {ICREA, Passeig Lluís Companys 23, Barcelona, Spain}

巴塞罗那科学技术学院基因组调控中心（CRG）的研究人员取得了这一突破，为非侵入性诊断测试铺平了道路，这种测试可以比目前的方法更快、更早地识别各种类型的癌症。

这项研究以核糖体（ribosome）为中心，核糖体是细胞的蛋白质工厂。几十年来，人们一直认为核糖体在人体中具有相同的蓝图。然而，研究人员发现了一个隐藏的复杂层——在不同组织、发育阶段和疾病之间变化的微小化学修饰。

ICREA研究教授、上述研究论文的通讯作者、CRG研究员伊娃·诺沃亚（Eva Maria Novoa）说：“我们的核糖体并不都一样。它们专门作用于不同的组织，携带独特的特征，反映我们体内发生的事情。这些细微的差异可以告诉我们很多关于健康和疾病的信息。”

核糖体由蛋白质和一种叫做核糖体RNA{ ribosomal RNA (rRNA)}的特殊RNA分子组成。rRNA分子是化学修饰的目标，影响核糖体的功能。“95%的人类RNA是核糖体RNA（rRNA）。它们在我们的细胞中非常普遍，”伊娃·诺沃亚博士补充道。

识别组织特异性指纹（Identifying Tissue-Specific Fingerprints）

研究人员从包括大脑、心脏、肝脏和睾丸在内的许多不同组织中寻找人类和小鼠rRNA的所有类型的化学修饰。他们发现每个组织都有一种独特的rRNA修饰模式，他们称之为“表观转录组指纹”（‘epitranscriptomic fingerprint’）。

上述研究论文的第一作者伊凡·米伦科维奇博士（Dr. Ivan Milenkovic）说：“核糖体上的指纹告诉我们细胞来自哪里。就像每个组织都在标签上留下了地址，以防它们的细胞被丢在失物招领处。”

研究小组在癌症患者的病变组织样本中发现了不同的指纹，尤其是在肺部和睾丸中。伊凡·米伦科维奇博士说：“癌细胞是低修饰的，这意味着它们会不断失去一些化学标记。”他补充说：“我们认为这可能是一个强大的生物标志物。”

这项研究对肺癌进行了更密切的观察。研究人员从20名I期或II期肺癌患者的正常组织和病变组织中提取，证实来自癌细胞的rRNA是低修饰的。他们使用这些数据来训练一种算法，该算法可以仅根据来自这种独特分子指纹的数据对样本进行分类。

该测试在区分肺癌和健康组织方面取得了近乎完美的准确性。大多数肺癌直到发展到晚期才被诊断出来。伊凡·米伦科维奇博士说：“在这里，我们可以比平时更早地发现它，有朝一日可以帮助患者赢得宝贵的时间。”

纳米孔测序技术的突破（Breakthrough in Nanopore Sequencing Technology）

这项研究之所以成为可能，要归功于一项名为纳米孔直接RNA测序（nanopore direct RNA sequencing）的新技术，该技术允许直接分析具有所有修饰的rRNA分子。伊娃·诺沃亚博士说：“这使我们能够在自然环境中看到这些变化。”

在纳米孔测序出现之前，传统技术处理RNA分子的方式是在研究人员研究它们之前去除化学修饰。

“科学家们通常会去掉核糖体RNA，因为他们认为这是会妨碍实验的多余的信息。几年过去了，我们已经把这些丢弃的数据从垃圾场里捡回来，把它变成了一座金矿，特别是当化学修饰的信息被捕捉到的时候。”伊娃·诺沃亚博士说：“这是一个令人难以置信的转变。”

纳米孔测序的优势在于它依赖于可以放在手掌中的小型便携式测序设备。研究人员可以将生物样本插入机器中，机器就可以实时捕获和扫描RNA分子。

这项研究可以通过扫描从组织样本中获得的250种RNA分子来区分癌细胞和正常细胞。这只是典型纳米孔测序设备所能做到的一小部分。伊娃·诺沃亚博士说：“开发一种快速、高准确度的检测方法是可行的，这种方法可以用最少的组织来寻找癌症的核糖体指纹。”

迈向无创诊断（Toward Non-Invasive Diagnostics）

从长远来看，研究人员希望开发出一种能够在血液循环RNA中发现癌症指纹的诊断方法。这将是一种侵入性较小的方法，因为它只需要血液样本，而不需要从患者身上采集组织样本。

该研究的作者警告说，在将该方法用于临床之前，还需要做更多的工作。

伊凡·米伦科维奇博士说：“我们只是触及到表面，未来需要更大规模的研究来验证这些生物标志物在不同人群和不同癌症类型中的有效性。”

其中一个有待探索的大问题是，为什么这些修饰首先会在癌症中发生改变。如果rRNA修饰有助于细胞产生促进不受控制的生长和存活的蛋白质，那么研究人员可以确定负责添加或删除修饰的机制，从而有可能找到逆转有害变化的新方法。

伊娃·诺沃亚博士说：“我们正在缓慢但坚定地解开这种复杂性。”她总结道，“我们开始理解细胞的语言只是时间问题。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Mammalian ribosomal RNA (rRNA) molecules are highly abundant RNAs, decorated with over 220 rRNA modifications. Previous works have shown that some rRNA modification types can be dynamically regulated; however, how and when the mammalian rRNA modification landscape is remodeled remains largely unexplored. Here, we employ direct RNA sequencing to chart the human and mouse rRNA epitranscriptome across tissues, developmental stages, cell types, and disease. Our analyses reveal multiple rRNA sites that are differentially modified in a tissue- and/or developmental stage-specific manner, including previously unannotated modified sites. We demonstrate that rRNA modification patterns can be used for tissue and cell-type identification, which we hereby term "epitranscriptomic fingerprinting." We then explore rRNA modification patterns in normal-tumor matched samples from lung cancer patients, finding that epitranscriptomic fingerprinting accurately classifies clinical samples into normal and tumor groups from only 250 reads per sample, demonstrating the potential of rRNA modifications as diagnostic biomarkers.