Characterization of epigenetic modification of exosomal DNA and its clinical application

Abstract

Exosomes are 30-150 nm-sized endosomal derived extracellular vesicles implicated in intercellular communication and transfer of genetic information. Exosomes contain various types of nucleic acids, including double stranded-DNA. Although aberrant DNA methylation changes can be useful cancer biomarker for cancer detection, epigenetic characterizations of exosomal DNA is still elusive. In this study, we performed genome-wide methylation profiling using Infinium MethylationEPIC BeadChip to interrogate the methylation status of 853,307 CpG sites of nuclear, cytoplasmic, and exosomal DNA derived from MDA-MB-231 and HCT-116 cancer cell-lines, respectively. Hierarchical clustering of methylation profiles based on nearby CGI segregated three categories (islands, shelf, and shore) showed that the methylation profiles among different cellular fractions are mostly concordant. Of note, the DNA methylation pattern is comparable between nuclear and exosome. The Pearson correlation coefficient was 0.98 (HCT-116) and 0.99 (MDA-MB-231) between nuclear DNA and exosomal DNA, suggesting that methylation analysis of exosomal DNA derived from cancer cells can be applicable for cancer detection. Further analysis is necessary to clarify the role of exosomal DNA with epigenetic modification in the tumor microenvironment.

엑소좀은 30-150 nm 크기의 엔도좀 유래 세포 외 소포체로 세포 간 통신 및 유전 정보 전달에 관여한다. 엑소좀은 이중 가닥 DNA를 포함한 다양한 유형의 핵산을 포함한다. 비정상적인 DNA 메틸화 변화가 암 검출에 유용한 암 바이오 마커가 될 수 있지만, 엑소좀 DNA의 후성 유전학적 특성에 대해 밝혀져야 할 것이 많다. 이 연구에서는 Infinium MethylationEPIC BeadChip을 사용하여 게놈 전체 메틸화 프로파일링을 수행하여 각각 MDA231 및 HCT116 암 세포주에서 파생된 핵, 세포질 및 엑소좀 DNA의 853,307 개 CpG 부위의 메틸화 상태를 조사했다. 인접한 CGI에 기반한 메틸화 프로파일의 계층적 clustering은 세 가지 범주 (섬, 선반 및 해안)로 분리되어 서로 다른 세포 분획 간의 메틸화 프로파일이 대부분 일치함을 보여주었다. 핵 DNA와 엑소좀 DNA의 피어슨 상관 계수는 0.98 (HCT-116)과 0.99 (MDA-MB-231)로 암세포에서 추출한 엑소좀 DNA의 메틸화 분석이 암 검출에 적용될 수 있음을 시사한다. 종양 미세 환경에서 후성 유전학적 변형을 갖는 엑소좀 DNA의 역할을 명확히 하기 위해서는 추가 분석이 필요하다.