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通過cfDNA甲基化和半甲基化分析結合機器學習檢測多癌種生物標志物

瀏覽次數(shù):693 發(fā)布日期:2024-7-26  來源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負
癌癥是全球主要的公共衛(wèi)生威脅,雖然癌癥死亡率自 1991 年達到頂峰以來持續(xù)下降,但僅在 2021 年,美國就有超過 60萬人死于癌癥。2020年,全球有近1000萬人死于癌癥,近年來一些低收入和中等收入國家的死亡率有所上升。因此,抗擊癌癥的需求仍然緊迫且未得到滿足。研究表明,早期腫瘤檢測對于改善癌癥患者的預后至關重要。例如,肝細胞癌 (HCC) 的早期診斷時的五年生存率為 34%,但晚期診斷(遠端轉移)時,其生存率則降至3%。因此,開發(fā)用于早期癌癥檢測的檢測方法至關重要。血漿中的細胞游離細胞DNA(cell-free DNA,cfDNA)是腫瘤檢測的潛在生物標志物,但其中存在于約10%CpG二核苷酸中的半甲基化(hemi-methylation)模式尚未得到充分研究。
 
2024年7月20日,美國哥倫比亞大學Zhiguo Zhang(張志國)教授團隊在Nature子刊《Nature Communications》雜志發(fā)表題為“Tumor detection by analysis of both symmetric- and hemi-methylation of plasma cell-free DNA”的研究論文,研究通過cfMeDIP-seq結合機器學習方法分析了肝臟腫瘤和血漿游離DNA(cfDNA)中的差異半甲基化區(qū)域(DHMRs),揭示了大多數(shù)DHMRs與相同樣本中的差異甲基化區(qū)域(DMRs)不重疊,表明DHMRs可以作為獨立的生物標志物。同時,通過分析患有肝癌或腦癌的個體樣本以及無癌癥個體樣本(對照組)共計215例樣本的cfDNA甲基化組,并利用DMRs、DHMRs或DMRs+DHMRs兩者訓練機器學習模型。結合DMRs+DHMRs的模型,比只使用DMRs或DHMRs訓練的模型表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能,在驗證隊列中,區(qū)分對照組、肝癌和腦癌的AUROC值分別為0.978、0.990和0.983。這項研究支持了同時利用DMRs和DHMRs進行多癌種檢測的潛力。

 

標題:Tumor detection by analysis of both symmetric- and hemi-methylation of plasma cell-free DNA(通過分析血漿cfDNA的對稱甲基化和半甲基化來檢測腫瘤)
期刊:Nature Communications
影響因子:IF 14.7 / 1區(qū)
技術平臺:cfMeDIP-seq等

研究思路:
  • 利用改進版甲基化DNA免疫沉淀測序(MeDIP-Seq)方法,分析來自肝臟腫瘤和腦腫瘤患者以及健康對照組的血漿cfDNA樣本。
  • 研究對稱甲基化(symmetric methylation)和半甲基化(hemi-methylation)在腫瘤檢測中的獨立作用。
 
方案設計:
本研究通過分析肝癌患者、腦癌患者和健康對照者共計215例樣本的cfDNA甲基化組圖譜,并利用DMRs、DHMRs及兩者結合訓練機器學習模型。

開發(fā)兩種甲基化DNA免疫沉淀和鏈特異性(strand-specific,ss)測序方法(MeDIP-Seq):基于基因組DNA的ssg-MeDIP-Seq和基于血漿cfDNA的sscf-MeDIP-Seq。使用pA-Tn5轉座酶進行DNA片段化和鏈特異性標記。

使用機器學習模型:訓練并分析基于差異甲基化區(qū)域(DMRs)和差異半甲基化區(qū)域(DHMRs)的數(shù)據(jù)集。使用GLMnet、隨機森林和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(DNN)進行模型訓練和驗證。
 
研究亮點:
本研究結果揭示大多數(shù)DHMRs與相同樣本中的DMRs不重疊,表明DHMRs可以作為獨立的生物標志物。訓練的機器學習模型結合DMRs和DHMRs顯示出比單獨使用DMRs或DHMRs更好的性能,尤其是在區(qū)分對照組、肝癌和腦癌方面。

表明利用DMRs和DHMRs作為生物標志物,通過sscf-MeDIP-Seq方法分析血漿cfDNA,可以提高多癌種檢測的準確性。研究支持將cfDNA甲基化和半甲基化分析作為癌癥早期檢測和分類的潛在手段。

本研究創(chuàng)新性地開發(fā)了sscf-MeDIP-Seq方法,能夠同時分析cfDNA的對稱甲基化和半甲基化。證明了DHMRs作為獨立生物標志物在腫瘤檢測中的潛力。機器學習模型的結合使用DMRs和DHMRs提高了腫瘤檢測的準確性(尤其是在獨立驗證隊列中)。研究提供了一種新的策略,通過分析血漿cfDNA的甲基化模式來檢測和分類腫瘤,具有潛在的臨床應用價值。
 
結果圖形:
(1)開發(fā)基因組甲基化DNA免疫沉淀與鏈特異性測序方法(ssg-MeDIP-Seq)

 

圖 1:一種基于 pA-Tn5轉座酶的MeDIP-Seq方法,用于以鏈特異性方式分析基因組DNA的甲基化組。

 
a.    ssg-MeDIP-Seq程序,用于以鏈特異性方式分析基因組DNA的DNA甲基化。SM對稱性甲基化,HM半甲基化。
b.    8個肝臟腫瘤樣本與相應鄰近非腫瘤組織(Adj-NT)之間的差異性甲基化區(qū)域(DMRs)熱圖。
c.    3個肝癌癥樣本及相應鄰近非腫瘤組織(Adj-NT)樣本中TBX2基因位點的肝臟腫瘤 DNA DMR。
d-e.  通過ssg-MeDIP-Seq鑒定的肝癌DMRs與TCGA腫瘤樣本中通過450K甲基化芯片鑒定的DMRs進行重疊分析,通過小提琴圖(d)和條形圖(e)展示。
f.     肝癌DNA DMRs的序列元件富集分析。首先將 DMRs 與每個注釋位點重疊,并與隨機分布中的重疊數(shù)量進行比較,以計算Z分數(shù)。P值是通過單側隨機分布計算得出,沒有進行多重比較校正。顯著富集的序列元件用星號標記,黑色(高甲基化 DMR)和藍色(低甲基化DMR),每個類別中的DMR數(shù)量在括號中顯示。(p<0.05; **p<0.01; ***p<0.001)。
 
(2)肝臟腫瘤DNA的差異半甲基化區(qū)域(DHMRs)和差異甲基化區(qū)域(DMRs)可能是獨立生物標志物

 
圖2:通過ssg-MeDIP-Seq分析肝癌樣本的DNA半甲基化。
 
a.  對稱性甲基化(SM)和半甲基化(HM)示意圖。SM指在Watson和Crick兩條鏈上的CpG二核苷酸位點上等量DNA甲基化,而HM區(qū)域(HMR)指在一條鏈上的CpG位點相較于另一條鏈偏好性甲基化。
b.  兩個肝臟腫瘤樣本在C1QTNF4基因位點上的腫瘤DNA差異半甲基化區(qū)域(DHMR)快照,與其相應的鄰近非腫瘤組織(Adj-NT)進行比較,陰影區(qū)域表示DHMR。
c.  肝臟腫瘤DNA HMRs的序列富集分析。
d.  8個肝臟腫瘤樣本與其相應的Adj-NT相比的6864個DHMRs熱圖。HM水平以顏色從-1~1顯示,其中有2330個肝臟腫瘤DNA DHMRs在Watson或Crick鏈上顯示增加HM,而4534個DHMRs與對照組相比顯示減少HM。
e.  8個肝臟腫瘤樣本的DMRs和DHMRs與其相應的Adj-NT的重疊比較分析。
f.  與對照樣本相比,增加(黑色)和減少(藍色)的肝臟腫瘤DNA DHMRs的富集分析。
g. 與肝臟腫瘤DNA HMRs鄰近基因的GO功能富集分析。
h. 與增加的HM相比,與Adj-NT對照樣本中鄰近肝臟腫瘤DNA DHMRs的GO功能富集分析。
以上結果表明肝臟腫瘤DHMRs和DMRs很可能是獨立的生物標志物。
 
(3)開發(fā)用于分析cfDNA甲基化和半甲基化的sscf-MeDIP-Seq方法
圖3:一種用于分析血漿cfDNA甲基化的單鏈cfDNA甲基化DNA免疫沉淀測序(sscf-MeDIP-Seq)方法
a.  用于分析cfDNA甲基化的sscf-MeDIP-Seq方法概述。SM對稱性DNA甲基化,HM半甲基化。單鏈(ss)DNA上的DNA甲基化為半甲基化區(qū)域(HMR);8個input樣本,由ssDNA產(chǎn)生的HMR的數(shù)量可能很小。
b.  TBX2基因位點的cfDNA DMR快照。陰影區(qū)域突出了10個肝臟腫瘤患者的cfDNA樣本與10個對照組cfDNA樣本的DMR,每組僅顯示兩個樣本。還顯示了兩個未進行甲基化DNA免疫沉淀的input樣本的序列reads片段。
c.   10個肝癌血漿樣本和10個非腫瘤對照血漿樣本的cfDNA DMR熱圖。
d-e. 小提琴圖(d)和條形圖(e)顯示通過sscf-MeDIP-Seq鑒定肝臟腫瘤cfDNA DMRs與本研究中使用ssg-MeDIP-seq鑒定的肝臟腫瘤DNA DMRs之間的重疊。
f.    10個肝臟腫瘤樣本和10個對照的血漿cfDNA DHMRs熱圖。
g.   與10個對照相比,10個肝臟腫瘤樣本的血漿cfDNA DMRs和cfDNA DHMRs的重疊。
 
(4)大多數(shù)血漿cfDNA中的DHMRs與cfDNA中的DMRs不重疊,使用 DMR、DHMR 和 DMRs+DHMR 作為input訓練的機器學習模型鑒定癌癥類型

 
表1:本研究中使用的所有271個cfDNA樣本的患者信息,包括癌癥類型、性別和年齡
 

圖4:使用DMRs和DHMRs以及機器學習模型進行多癌種檢測。

 
a. 機器學習模型訓練的流程圖。使用單鏈cfDNA甲基化DNA免疫沉淀測序(sscf-MeDIP-Seq)分析了來自三組(對照組、腦癌和肝癌患者)的271個cfDNA樣本甲基化組。215個sscf-MeDIP-seq數(shù)據(jù)集(占80%)被用作訓練隊列,剩余的56個(占20%)樣本作為獨立的驗證隊列。訓練隊列用于選擇DMR和DHMR并訓練機器學習模型,每個樣本組使用DMR或DHMR作為訓練input,結果產(chǎn)生了10個模型;贒MR和DHMR的模型然后進一步統(tǒng)一構建最終的校準模型。然后使用訓練有DMRs、DHMRs和DMRs+DHMRs作為input的模型評估驗證隊列。
b-d.  評估模型性能,預測驗證隊列中的對照組(b)、肝臟腫瘤(c)和腦腫瘤(d)cfDNA樣本,使用訓練有DMRs、DHMRs或DMRs+DHMRs的模型。每種預測的最高靈敏度和特異性點用紅點標記。每個模型的AUC的95%置信區(qū)間在括號中標記。
e.  使用訓練有DMRs+DHMRs的模型,每組樣本的平均預測概率。每一列代表驗證樣本組,每一行代表模型預測。條形圖顯示為平均值+標準誤差。紅色、黃色和藍色條分別代表20個腦癌、15個肝癌和21個健康對照樣本概率。
 
(5)通過cfDNA甲基化組區(qū)分神經(jīng)膠質瘤亞型
圖5:使用sscf-MeDIP-Seq數(shù)據(jù)集預測腦腫瘤亞型。
 
a. 構建腦腫瘤亞型模型流程圖。首先使用訓練隊列樣本鑒定的DMR和DHMR訓練IDH WT和IDH突變體神經(jīng)膠質瘤模型,然后將這些模型與基于貝葉斯定理的三類模型(對照組、肝癌和腦腫瘤)結合,得出用于預測四個樣本組的模型:IDH WT腦腫瘤和IDH突變體腦腫瘤、肝臟腫瘤和對照樣本。
b. 訓練DMR、DHMR、DMRs+DHMRs模型在驗證隊列中預測IDH突變體腦癌樣本的評估。
c. 訓練DMR、DHMR、DMRs+DHMRs模型在驗證隊列中預測IDH WT(野生型)腦癌樣本的評估。
d. 使用訓練DMRs+DHMRs模型,每組樣本的平均預測概率。每一列代表驗證隊列中的樣本組,每一行代表模型預測。條形圖顯示為平均值+標準誤差。紅色、粉色、黃色和藍色條分別代表來自11個IDH突變體腦癌、9個IDH WT腦癌、15個肝癌和21個健康對照樣本的概率。

(6)血漿cfDNA DMRs與腫瘤組織樣本基因表達相關,這些基因表達能夠預測患者生存率
圖6:基于TCGA肝臟腫瘤組織中具有肝臟腫瘤特異性血漿cfDNA DMR鄰近的基因表達對肝癌樣本進行分類及患者生存預測。

a. 鑒定在啟動子周圍至少有一個肝癌cfDNA DMR且其在TCGA肝臟腫瘤組織樣本中的表達與患者生存相關基因的流程。
b. 與至少一個cfDNA DMR鄰近的150個基因周圍的sscf-MeDIP-Seq信號密度。以顏色表示的z分數(shù),是sscf-MeDIP-Seq信號的log2(RPKM)。"HyperDMR"至少有一個高甲基化cfDNA DMR鄰近的基因,"HypoDMR"有一個低甲基化cfDNA DMR鄰近的基因。
c. 基于上述鑒定的150個標記基因的表達,對TCGA-LIHC隊列中的371個肝臟腫瘤樣本進行分類;颊弑环譃閮蓚聚類。顏色代表371個肝癌樣本中150個基因的RNA-seq信號的log2(RPKM)的z分數(shù)。
d. 對(c)中分為兩個聚類的371個肝癌患者進行Kaplan-Meier生存分析。P值通過logrank檢驗計算。

參考文獻:
Hua X, Zhou H, Wu HC, Furnari J, Kotidis CP, Rabadan R, Genkinger JM, Bruce JN, Canoll P, Santella RM, Zhang Z. Tumor detection by analysis of both symmetric- and hemi-methylation of plasma cell-free DNA. Nat Commun. 2024 Jul 20;15(1):6113. pii: 10.1038/s41467-024-50471-1. doi: 10.1038/s41467-024-50471-1. PubMed PMID: 39030196.
來源:深圳市易基因科技有限公司
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標簽: cfDNA 甲基化
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