论文DOI链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-021-00041-y

论文PDF链接：

https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s43657-021-00041-y.pdf

以往研究表明，表观遗传修饰异常与肿瘤的发生发展密切相关，表观遗传修饰可从DNA、组蛋白、染色质及RNA等多个层面上调控基因的表达。此外，利用肿瘤的表观遗传特征可以对疾病进行检测、分类和监控。因此，灵敏度高且特异性好的表观遗传检测技术有利于肿瘤精准医学的发展以及对其机制的深入探索研究。近年来，分子成像技术在肿瘤诊断和预后方面的应用发展迅速。各种特异的表观遗传修饰的生物标记物和靶向成像探针被用于区分肿瘤和正常组织，以及评估肿瘤治疗反应。本文探讨了通过光学分子成像可视化表观遗传修饰靶点的相关研究进展，并对其在肿瘤诊断和治疗中的临床应用前景进行了综述。该文作者表示，通过光学分子成像技术推进表观遗传相关研究的不断发展，会进一步深化表观遗传学在肿瘤中的核心作用。

背景介绍

表观遗传修饰被定义为基因表达或蛋白表达改变不涉及基因DNA序列的变化，但可随细胞分裂和增殖而稳定遗传的现象，其主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码 RNA (non-coding RNA, ncRNA) 调控和染色体重塑等。表观遗传修饰可以调节基因转录和翻译，从而影响胚胎发育、干细胞分化和衰老。因此，表观遗传修饰的异常表达模式会对人体产生重大影响，甚至导致肿瘤的发生和发展。表观遗传学的生物学过程与肿瘤的临床诊断和预后密切相关，精准检测表观遗传修饰对于肿瘤诊断、预后和治疗都非常重要。

目前，用于表观遗传生物标志物检测的常规技术主要包括：体外酶联测定、基于抗体的测定、染色质免疫沉淀、染色质构象捕获(3C) 衍生分析、染色质转座酶可及性测序及质谱法等。尽管这些方法速度较快，检测灵敏度和特异性较高，但离临床实践应用还相距甚远，主要是由于它们需要大量样本，并且检测成本很高。此外，局部活检或血液标本等传统方法虽然可直接检测体内表观遗传修饰，但是由于肿瘤发生发展过程中表观遗传修饰的异质性和动态变化特征，上述检测方法在肿瘤的诊断和治疗中存在一定的局限性。因此，迫切需要新的技术实现对肿瘤发生发展相关的表观遗传修饰进行动态、连续、无创和全面的评估。

光学分子成像是在基因组学、蛋白质组学和现代光学成像技术的基础上发展起来的新兴研究领域。通过将光学成像技术与疾病特异性成像探针相结合，可以在体和离体高特异和高灵敏地检测表观遗传生物标志物。此外，该方法还可用于以非侵入性方式对药物的分布进行成像检测，动态评估和预测药物的疗效。该综述总结了光学分子成像技术对表观遗传修饰检测和肿瘤精准治疗的重要作用和价值，并提出了未来的发展方向。

图一 光学分子成像在DNA 甲基化、组蛋白修饰、非编码 RNA 调控和染色体重塑中的作用

1.光学分子成像技术在DNA甲基化检测中发挥的作用

近年来，大量研究表明异常DNA甲基化通常是癌变的早期事件，已成为癌症诊断、预后和治疗监测最有希望的生物标志物之一。因此，精确检测DNA甲基化可以在临床实践中提供必要的诊断和评估信息。在新技术的帮助下，监测表观遗传调控的无创成像方法已被开发用于提高DNA甲基化检测的性能并扩展其在活细胞成像中的应用。例如，研究者开发了包含荧光染料和甲基化DNA结合结构域的成像探针，而该探针与甲基化DNA结合后，能够增强荧光强度，从而实现实时监测细胞有丝分裂过程中的DNA甲基化。在肿瘤检测方面，通过研发多种新型的靶向检测甲基胞嘧啶位点的荧光探针来实现对甲基转移酶的定量分析，这对于表观遗传学研究和早期临床诊断都具有重要价值。

此外，由于 DNA甲基化在癌症精准治疗中的重要作用，一些针对DNA甲基化的靶向药物已进入临床前和临床研究。通过应用光学分子成像技术，可精准地评估DNA甲基化靶向药物在体内的分布和疗效。通过设计包含荧光染料和 DNA甲基转移酶抑制剂的仿生纳米材料，可实现肿瘤在体可视化，同时靶向杀伤肿瘤细胞。因此，靶向DNA甲基化的光学分子成像技术不仅展现了在未来临床实践中的巨大潜力，还有助于推进相关肿瘤靶向药物研发。

2.光学分子成像技术在组蛋白修饰检测中发挥的作用

乙酰化是最早发现的影响转录调控的组蛋白修饰之一。在真核细胞中，组蛋白乙酰化和去乙酰化过程处于动态平衡，分别受到组蛋白乙酰基转移酶 (histone acetyltransferases, HAT)和组蛋白去乙酰化酶 (histone deacetylase,HDAC)的调节。HAT可以通过乙酰化组蛋白的赖氨酸残基来激活基因转录，而HDAC通过使组蛋白去乙酰化并与带负电荷的DNA紧密结合来抑制基因转录。在之前的研究中，通过特定的荧光标记以及共聚焦显微镜，可检测到活细胞中组蛋白乙酰化分布，并对组蛋白乙酰化水平进行半定量分析。近年来，研究者通过开发新型荧光探针来动态成像HDAC。一旦发生HDAC去乙酰化，该探针即可在肿瘤细胞中显示出强烈的荧光信号，从而显示HDAC的活性，更好地动态监测组蛋白乙酰化在肿瘤发生发展中的作用。此外，随着HDAC 在癌症中的作用越来越重要，目前已开发了多种HDAC抑制剂 (HDACinhibitor, HDACi)。迄今为止，一些HDACi 药物因其在肿瘤治疗中具有较好的应用前景而受到越来越多的关注。研究者设计包含荧光染料和HDACi的探针，并通过光学分子成像技术，可以很好地检测HDAC在肿瘤的表达及评估HDACi 在荷瘤小鼠模型中的治疗反应。此外，本团队通过近红外荧光染料标记HDACi来合成用于检测肿瘤细胞HDAC表达的靶向荧光探针，除了用于检测荷瘤小鼠模型中原发和转移肿瘤组织中HDAC的表达，该探针还被证明有助于通过荧光成像引导肿瘤切除。

组蛋白甲基化是另一种表观遗传修饰，参与异染色质形成、基因印记、染色体失活和基因转录调控。多种组蛋白甲基转移酶被认为是开发抗肿瘤治疗的新靶点，相应的抑制剂正在进行临床前研究。光学分子成像技术也已用于跟踪组蛋白甲基化。通过研发针对组蛋白甲基化修饰的特异性细胞内抗体，可以监测活细胞和生物体细胞周期不同阶段的组蛋白甲基化水平。该方法用荧光寿命成像显微镜成功地对人肿瘤细胞中组蛋白的甲基化进行成像。但是由于组蛋白甲基化在肿瘤形成和进展中的动态演变，需要一种更有效且直观的基于组蛋白甲基化的检测手段。众所周知，Zeste基因增强子同源物2 (enhancer of zeste homolog 2, EZH2) 负责修饰H3K27me3组蛋白甲基转移酶，研究者开发了一种基于纳米材料的递送系统，其中包括荧光染料和靶向EZH2的小干扰RNA (small interfering RNA, siRNA)。这些荧光染料标记的稳定纳米复合物不仅可以在荷瘤小鼠模型中观察移植肿瘤EZH2的表达，还可以通过靶向EZH2来抑制肿瘤生长。证实了光学分子成像技术应用于表观遗传调控的肿瘤精准治疗的前景。

3.光学分子成像技术在ncRNA调控检测中发挥的作用

ncRNA参与肿瘤发生发展的多个过程，包括DNA结构调节、RNA表达和蛋白质翻译，并被定义为肿瘤起始和进展过程中的致癌增强剂或抑制剂。在大多数肿瘤中均可检测到一种或多种ncRNA的异常表达，因此ncRNA成为目前精准医疗的潜在新靶点。研究者设计基于miRNA的DNA碱基序列的DNA-光声探针，该探针同时包含近红外荧光染料和淬灭剂。利用近红外荧光染料的聚集诱导淬灭现象(Aggregate Induced Quenching Effect,ACQ)，在释放miRNA的同时触发光声信号，实现肿瘤小鼠模型中miRNA的催化比率光声成像(Photoacoustic Imaging, PAI)。该探针除了实现比荧光探针更高的成像深度和空间分辨率，更重要的是能在活体小鼠中实现miRNA定量检测。除miRNAs外，siRNAs也已被公认为肿瘤精准治疗的一类新的潜在治疗靶点。siRNA主要在细胞质中发挥作用，但是大部分siRNA药物进入细胞后被内涵体吞噬。因此提高siRNA从内涵体逃逸到细胞质的效率是siRNA药物的关键研究方向。研究者通过使用不同的荧光染料标记偶联siRNA，并通过活细胞显微镜检测到细胞中siRNA从内涵体逃逸的整个过程。此外，一些小分子药物，例如氯喹、洛哌丁胺和西拉美新，已被证明可通过诱导内涵体逃逸来增强siRNA的效果，将此类药物和siRNA与光学分子成像技术相结合，将有助于未来的临床应用。

4.光学分子成像技术在染色体重塑检测中的重要作用

染色体重塑在基因转录的调控中发挥着关键作用，参与各种重要的生物学过程。对不同的表观遗传状态下的空间组织直接成像，需要对基因组原位标记和染色质结构高分辨率成像。研究者通过使用大规模并行合成寡核苷酸，标记数千到数兆碱基长的基因组区域，后续使用荧光原位杂交来标记基因组的特定区域，从而对染色质区域进行超分辨成像，实现对染色质的直接成像。其它研究团队还通过高分辨率透射电子显微镜结合免疫金标记技术，揭示电离辐射暴露后人成纤维细胞中的染色质重塑。这些结果阐明了染色质重塑的过程及其对衰老的影响。此外，通过使用优化的随机光学重建显微镜技术，研究者观察到在肿瘤发生发展中所有阶段甚至肿瘤形成之前，高阶染色质折叠的失活和碎片化。上述研究通过可视化的分子成像技术证实高阶染色质结构的失活和断裂是肿瘤形成早期的一个重要特征，进一步提升了肿瘤的早期诊断能力。

总结

光学分子成像技术能够更好地可视化肿瘤发生和发展过程中表观遗传修饰的动态演变，使研究者能够更好理解表观遗传在肿瘤中的作用机制，并促进临床转化研究。

Abstract

Increasing evidence has demonstrated that abnormal epigenetic modifications are strongly related to cancer initiation. Thus, sensitive and specific detection of epigenetic modifications could markedly improve biological investigations and cancer precision medicine. A rapid development of molecular imaging approaches for the diagnosis and prognosis of cancer has been observed during the past few years. Various biomarkers unique to epigenetic modifications and targeted imaging probes have been characterized and used to discriminate cancer from healthy tissues, as well as evaluate therapeutic responses. In this study, we summarize the latest studies associated with optical molecular imaging of epigenetic modification targets, such as those involving DNA methylation, histone modification, noncoding RNA regulation, and chromosome remodeling, and further review their clinical application on cancer diagnosis and treatment. Lastly, we further propose the future directions for precision imaging of epigenetic modification in cancer. Supported by promising clinical and preclinical studies associated with optical molecular imaging technology and epigenetic drugs, the central role of epigenetics in cancer should be increasingly recognized and accepted.

Phenomics期刊简介

Phenomics是一本新创的同行评审国际期刊，聚焦表型组学前沿研究，搭建全球表型组学领域专家交流的国际平台，推动该领域相关的理论创新和学科发展。

本期刊拥有强大的国际编委团队，复旦大学金力院士担任主编，美国系统生物学研究所Leroy Hood院士、澳大利亚莫道克大学Jeremy Nicholson院士、德国莱布尼兹环境医学研究所Jean Krutmann院士、复旦大学唐惠儒教授共同担任副主编，复旦大学丁琛教授担任执行主编，另有来自全球多国的三十多位著名科学家共同组成编委团队，以及四十多位青年科学家组成青年编委团队。

我们诚挚地邀请广大科研人员投稿！ 

Phenomics官网：https://www.springer.com/journal/43657

投稿链接：https://www.editorialmanager.com/pnmc/

编辑部邮箱：phenomics@ihup.org.cn、phenomics@fudan.edu.cn

欢迎关注Phenomics官方公众号

文章来源：人类表型组计划公众号