Identifying Cancer Subtypes with Aberrant DNA Methylation Regulation in Specific CpG Islands: A Study on Colorectal and Thyroid Cancer

Abstract

Despite numerous observations regarding the relationship between DNA methylation changes and cancer progression, only a few genes have been verified as diagnostic biomarkers of cancer. To more practically detect methylation changes, I performed targeted bisulfite sequencing. Through co-analysis of RNA-seq, I identified cohort-specific DNA methylation markers. I validated that these genes have oncogenic features in CRC and that their expression levels are increased in correlation with the hypermethylation of intragenic regions. The reliable depth of the targeted bisulfite sequencing data enabled me to design highly optimized quantitative methylation-specific PCR primer sets that can successfully detect subtle changes in the methylation levels of candidate regions. Furthermore, these methylation levels can divide CRC patients into two groups denoting good and poor prognoses. My discovery of intragenic CpG island in the PDX1, EN2, and MSX1 as DNA methylation markers of CRC suggests their promising performance as prognostic markers and their clinical application in CRC patients. In parallel, I identified heterogeneous cancer subgroups within papillary thyroid cancer using the differentially methylated regions from targeted bisulfite sequencing of own cohort and TCGA cohort. Multiomics data (RNA-seq and ATAC-seq) from TCGA THCA project and GSE162515 were utilized to examine the molecular characteristics of these subgroups and to catalog the candidate biomarkers of PTC with worse prognosis. In this study, I present a streamlined workflow for screening clinically significant differentially methylated regions. DNA methylation의 변화와 암 진행의 관계에 대한 수많은 연구가 진행 되어오고 있지만 실제 암의 진단 바이오마커로 검증된 유전자는 몇 개에 지나지 않는다. DNA methylation의 변화를 더 효과적으로 검출하기 위해 targeted bisulfite sequencing (TBS)을 수행했다. RNA-seq과의 통합 분석을 통해 PDX1, EN2, MSX1 내부의 CpG island가 대장암에서 DNA methylation의 유의미한 차이를 보이는 것을 확인했다. 이 유전자들이 암 유발 특성을 가지고 있으며 발현량이 DNA methylation과 양의 상관관계를 갖는 것을 확인했다. TBS의 높은 read depth 덕분에 관심 유전체 영역에서 단일 CpG 수준의 미세한 DNA methylation 차이를 감지할 수 있는 quantitative MSP primer를 제작할 수 있었다. 이 유전자들의 DNA methylation 수준을 통해 대장암 환자들을 좋은 예후와 나쁜 예후를 보이는 두 그룹으로 나눌 수 있었다. 이는 PDX1, EN2, MSX1의 DNA methylation 수준이 예후 예측의 바이오마커로써 유망한 성능을 보이고 대장암 환자들에 임상적으로 응용될 수 있음을 암시한다. 또한, TBS를 갑상선암에도 적용하여 차등적인 수준을 보이는 DNA methylation 바이오마커를 동정했다. 해당 바이오마커를 통해 자체 코호트와 TCGA 코호트에서 갑상선 유두암의 이질적인 그룹을 동정하였고, 다중 오믹스 데이터를 통합하여 이들의 분자적 특성을 분석하였다. 이 연구를 통해 우리는 임상적으로 중요한 유전체 영역을 찾기 위한 간소화된 작업 흐름을 제시한다.