© المؤلفون 2024

اكتشاف موت الخلايا (2024) 10:28؛https://doi.org/10.1038/s41420-024-01803-z

يتم تعبئة الحمض النووي الجينومي في الخلايا حقيقية النواة حول الهيستونات في هيكل يسمى النيوكليوسوم، الذي يطوى بشكل إضافي لإنتاج هيكل الكروماتين عالي الترتيب. النيوكليوسومات هي الوحدات الهيكلية الأساسية للكروماتين. تتكون من 146 قاعدة من الحمض النووي ملفوفة في ثمانيات من أربعة هيستونات أساسية. ، وثنائيات H2B) [1]. التنظيم المكاني الديناميكي للكروماتين أمر حاسم لموقع النيوكليوسومات، وتجنيد المنظمات النسخية، والوصول إلى الكروماتين، وتنظيم التعبير الجيني. الهيكل المكاني المضغوط للنيوكليوسومات يمارس تأثيرًا مثبطًا عالميًا على نسخ mRNA، بينما يسمح الهيكل المكاني القابل للوصول للمنظمات النسخية وبوليميراز RNA بالوصول إلى الحمض النووي [2]. التغيرات في هيكل الكروماتين يتم تنظيمها بشكل أساسي من خلال العمليات الوراثية. إعادة تشكيل النيوكليوسومات المعنية في الطي العالي الترتيب لألياف الكروماتين تستجيب للتغيرات في التعديلات الوراثية، بما في ذلك ميثلة الحمض النووي، وتعديل الهيستون، والعمليات التي تتوسطها RNA [3]. تعديلات ذيول الهيستون (بشكل أساسي في ألياف الكروماتين) تعمل كعلامات للتعبير أو القمع من خلال الأسيتيل والتعديل الميثيلي للعديد من الأحماض الأمينية المختلفة [4]. يمكن للكروماتين تخزين ونقل الرموز الوراثية في شكل ميثلة الحمض النووي أو تعديلات ما بعد الترجمة للهيستون [5]. هذه التعديلات تُورث خلال انقسام الخلايا؛ لذلك، فإن عدم تنظيم الوراثة هو سمة من سمات جميع أنواع السرطان البشري تقريبًا. بشكل أكثر تحديدًا، العوامل التنظيمية (المقترنة بوجود غير منتظم

هيكل الجينوم أو التعبير الجيني غير الطبيعي) يحفز تحول أنواع مختلفة من الخلايا والأنسجة الطبيعية إلى أورام خبيثة.

السرطان هو مرض متعدد العوامل ناتج عن التغيرات الجينية، والخلل في التنظيم الجيني، والعوامل البيئية. التعديلات الجينية التي تنظمها التنظيم ثلاثي الأبعاد (3D) للجينوم ديناميكية وقابلة للعكس. لذلك، فإن عكس الطفرات الجينية هو التطبيق الأساسي لمثبطات الجزيئات الصغيرة. لقد ساهم ظهور تكنولوجيا التسلسل من الجيل التالي (NGS) والذكاء الاصطناعي (AI) في تعزيز فهمنا للتنظيم الجيني في السرطان. في الواقع، تظهر العلاجات المضادة للسرطان التي تستهدف أنواعًا محددة من الآليات الجينية إمكانيات في التجارب السريرية، سواء كعامل منفرد أو بالاشتراك مع علاجات أخرى.

يتم تعريف علم الوراثة اللاجينية على أنه سلسلة من العمليات البيولوجية التي تتضمن تنظيم قالب الحمض النووي بواسطة الكروماتين، بغض النظر عن التغيرات في تسلسل الحمض النووي الأصلي. يمكن تقسيم المجمعات البروتينية التي تتحكم في التعديلات اللاجينية (بما في ذلك ميثلة الحمض النووي وتعديل الهيستون التساهمي) إلى كُتّاب، وقُرّاء، ومُحَيات. يضيف كُتّاب اللاجينية تعديلات كيميائية لاجينية مميزة إلى الحمض النووي أو الهيستونات في شكل علامات لاجينية. القُرّاء هم بروتينات مرتبطة بمناطق ميثيل-سي جي (MBPs) التي تحدد وتفسر المجالات المتخصصة للبروتينات المعدلة. تعمل إنزيمات تعديل الكروماتين كمُحَيات من خلال إزالة العلامات اللاجينية. يرتبط عدم تنظيم اللاجينية، بما في ذلك عيوب ميثلة الحمض النووي والحمض النووي الريبي وعمليات التعديل بعد الترجمة غير الطبيعية، بشكل شائع بجميع أنواع السرطان.

يتميز ميثيل الحمض النووي بإضافة مجموعة ميثيل إلى الموضع C5 من بقايا السيتوزين بواسطة ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي (DNMT). تميز مجموعات الميثيل الإبيجينية الناتجة بين الخلايا الطبيعية والخلايا السرطانية وغيرها من الخلايا المريضة. يشفر الجينوم البشري ثلاثة أنواع فرعية محفوظة من DNMT: DNMT1 وDNMT3A وDNMT3B. يشارك DNMT1 بشكل أساسي في الحفاظ على نمط الميثيل الموجود مسبقًا أثناء تكرار الحمض النووي والنمط أثناء تكرار الخلايا الطبيعية والسرطانية. تشارك أشكال DNMT3 في الميثيل الجديد والميثيل غير السيتوزين/الغانين (CpG). من الجدير بالذكر أن DNMT3A وDNMT3B يعززان الميثيل الجديد للحمض النووي في المواقع التي لم تكن ميثلة سابقًا لتنظيم الوظائف البيولوجية لتطور الجنين، وتمايز الخلايا، وترجمة الجينات، وبقاء الخلايا السرطانية. يلعب DNMT أدوارًا مزدوجة في مقاومة الأدوية السرطانية. تظهر مستويات التعبير عن mRNA لـ DNMT حساسية متعارضة تمامًا للمثبطات في أورام مختلفة. على سبيل المثال، يزيد تثبيط DNMT3B بشكل كبير من حساسية المثبط في سرطان البنكرياس، بينما تكون سرطانات المبيض ذات التعبير العالي لـ DNMT أكثر حساسية لعلاج المثبط.

يضمن ميثيل الحمض النووي التنظيم الدقيق للتعبير الجيني [17]. تعتبر الزيادة والنقص في الميثيلation عمليات مستقلة نسبيًا في جينوم السرطان وفي تقدم الورم [18، 19]. غالبًا ما تقع جزر CpG الميثيلة بشكل مفرط في الأورام في مناطق محفزات الجينات، على عكس المناطق الميثيلة بشكل عام. في الواقع، تتميز خلايا السرطان بوجود نقص عام في الميثيلation وميثيلation مفرط محلي في المحفزات (الشكل 1A). يرتبط الميثيلation المفرط لمناطق محددة (مثل جزر CpG لجينات مثبطات الورم) بمجموعة متنوعة من التسرطن، بما في ذلك سرطان الثدي [20]، وسرطان الكبد [21]، وسرطان البروستاتا [22]، وسرطان المثانة صغير الخلايا [23]. يشارك الميثيلation في العديد من العمليات الفسيولوجية والمرضية المرتبطة بالاضطرابات النسخية في السرطان، ويعتبر الميثيلation المفرط للمحفزات الآلية الأساسية لتعطيل الجينات. الميثيلation غير الطبيعي خارج جزر CpG.
يساهم في زيادة تعبير الجينات المسرطنة [24، 25]. يمكن أن تؤدي الطفرات وتفعيل جينات كابحة الورم إلى تلف الحمض النووي أو نمو الخلايا غير المنضبط، مما يعزز تقدم السرطان [26]. بالإضافة إلى ذلك، فإن القابلية المحتملة لعكس نشاط الميثيل ترانسفيراز تجعلها هدفًا جذابًا للتدخلات العلاجية، على عكس التغيرات الجينية.

الميثلة الهيستونية هي عامل رئيسي في تحديد حالة الكروماتين المعقدة وتُنظم بشكل رئيسي بواسطة ميثيل ترانسفيراز الليسين (KMT) ودي ميثيلاز الليسين (KDM). تلعب KMT وKDM أدوار الكتاب والممحاة، على التوالي، في التنظيم الوراثي [27]. تُوجد مواقع الميثلة الكلاسيكية لليسين في البشر عند K4 وK9 وK27 وK36 وK56 وK79 على الهيستون H3، وعند الليسين K20 على الهيستون H4 [28]. قد تشمل إضافة مجموعات الميثيل في ذيول الهيستون من بقايا الأرجينين والليسين الميثلة الأحادية (me1) والدي ميثلة (me2) والميثلة الثلاثية (me3) [29] (الشكل 1B). KMT وKDM محددان للغاية لبقايا الليسين في الركيزة ودرجة الميثلة.

تستخدم عائلة KMT S-أدينوزيل-L-ميثيونين كمانح ميثيل لتحفيز أحداث ميثلة الليسين المختلفة التي تعدل الهيستونات الأساسية. KMT2D هو KMT يزيد من تعبير جين مثبط الورم (PER2) من خلال تنظيم السوبر-معززات بشكل إيجابي. يمثل بروتين مجموعة بولي كومب EZH2 KMT آخر متحور بشكل كبير في العديد من أنواع الأورام ويؤثر على تعبير الجينات المستهدفة السفلية من خلال ثلاثي ميثلة Lys-27 في H3 (H3K27me3). وبالتالي، فإن EZH2 متورط في مجموعة واسعة من عمليات الورم [بما في ذلك تكوين الورم، تقدم دورة الخلية، النقائل، مناعة السرطان، والاستماتة] وهو هدف علاجي واعد. مثيلة الهيستون 3 Lysine-79 (H3K79) المعروفة باسم DOT1L هي ميثيل ترانسفيراز تنظم تفعيل النسخ والإطالة في لوكيميا السلالة المختلطة. وهي متورطة في تنظيم الخلايا الجذعية/السابقة في الأورام الصلبة. ميثيل ترانسفيراز H3K9 SET domain bifurcated 1 (SETDB1) له تأثير مثبط واسع بشكل رئيسي في المناطق الجينومية المفتوحة ويزداد تنظيمه في أورام مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، فإن عائلة ميثيل ترانسفيراز الهيستون الليسين الإيوكروماتيني (EHMT أو G9a) (بما في ذلك EHMT1 وEHMT2) تتوسط بشكل أساسي في ثنائي ميثلة H3 Lysine 9 (H3K9me2) وتلعب أدوارًا بيولوجية مهمة في السرطانات.

تستخدم عائلة KDM مجال Jumonji-C (JmjC) لتحفيز إزالة الميثيل من خلال أكسدة مجموعة الميثيل [30]. تلعب عائلة JmjC من KDMs (JMJC-KDMs) أدوارًا مهمة في التحكم في التعبير الجيني وبنية الكروماتين [37]. على سبيل المثال، يعتبر مزيل الميثيل المحدد لليزين 1 (LSD1 أو KDM1A) عضوًا في عائلة JmjC الذي يزيل الميثيل بشكل محدد من بقايا الليزين في الهيستون H3K4me1/2 وH3K9me1/2. في الواقع، يمكن أن يتداخل مع استجابة خلايا T لسرطان الميلانوما [38] وسرطان المعدة [39]. وقد تم الإبلاغ عن أن KDMs مثل KDM1B وKDM6B يمكن أن تعزز من هروب خلايا السرطان من المناعة، مما يجعلها هدفًا علاجيًا محتملاً [40، 41]. يمكن أن يمنع تثبيط KDM1B توسع خلايا الساق السرطانية الناتج عن IFN-I [40]؛ يمكن أن يؤدي حذف KDM6B إلى تعزيز سلسلة من المسارات المناعية المؤيدة للالتهابات مثل استجابة الإنترفيرون، وعرض المستضد، والبلعمة في بيئة الورم المناعي للورم الدبقي (GBM)، مما يشير إلى أن تثبيط KDM6B يمكن أن يتغلب على قمع المناعة المستمد من الخلايا النخاعية ويعزز الاستجابة للعلاج المناعي في GBM [41].

تعد التعديلات ما بعد الترجمة للهستونات (بما في ذلك الأسيتيل، والميثيل، والفوسفات، واليوبيكويتين) تلعب أدوارًا مهمة في التنظيم الوراثي الجيني. تعتبر أسيتيل الهستون وإزالة الأسيتيل من أكثر التعديلات ما بعد الترجمة الوراثية نموذجية التي تحدث في ذيل الطرف النهائي لبروتينات الهيستون الأساسية [42]. عائلتان متنافستان من الإنزيمات [نقل الأسيتيل لليسين الهيستون (HATs) وإزالة الأسيتيل من الهيستون (HDACs)]

تنظم الأسيتيلation الهيستونية. بشكل أكثر تحديدًا، تقوم إنزيمات HAT بتحفيز نقل مجموعات الأسيتيل من الأسيتيل-CoA إلى المجموعة الأمينية لبقايا الليسين الهيستونية. تعزز هذه الأسيتيلation لذيول الهيستون وصول الكروماتين الذي يسهل النسخ الإيجابي. في الوقت نفسه، تقوم إنزيمات HDAC بإزالة مجموعات الأسيتيل من بقايا الليسين -أمينو في ذيول الهيستون، وتقلل بشكل فعال من وصول عوامل النسخ من خلال تشكيل تكوين كروماتين مغلق لتغيير نسخ الجينات المسرطنة وجينات مثبطات الورم [43] (الشكل 1C).

يوجد 18 إنزيمًا معروفًا من إنزيمات HDAC البشرية التي تقوم بإزالة الأسيتيل عن الركائز الليسين من خلال ارتباط الزنك أو NAD. -المواد الفرعية المعتمدة [44]. يتم تصنيف هذه الإنزيمات إلى أربع فئات. الفئة الأولى من HDACs هي مكونات لعدة مجمعات مثبطة
(بما في ذلك HDAC1 و HDAC2 و HDAC3 و HDAC8) التي تتواجد بشكل أساسي في النواة وعادة ما يتم التعبير عنها في الجينوم البشري. تتواجد HDACs من الفئة الثانية في النواة والسيتوبلازم وتظهر أنماط تعبير محددة حسب الأنسجة ونشاط إزالة الأسيتيل غير الهيستوني. وهي مقسمة إلى فئتين فرعيتين، Ila (HDAC4 و 5 و 7 و 9) و Ilb (HDAC6 و 10) [44]. تتكون HDACs من الفئة الثالثة من بروتينات شبيهة بـ SIR2 (بما في ذلك SIRT1 و SIRT2 و SIRT3 و SIRT4 و SIRT5 و SIRT6 و SIRT7) التي تشارك في تنظيم عمليات خلوية متعددة مثل البقاء، الشيخوخة، استجابة الإجهاد، والتمثيل الغذائي [43]. تتكون HDACs من الفئة الرابعة فقط من HDAC11، التي تشترك في تشابه جزئي مع HDACs من الفئة الأولى والثانية وتعمل كإزالة الأسيتيل للأحماض الدهنية طويلة السلسلة [45]. تعتمد HDACs من الفئات الأولى والثانية والرابعة على الركائز المرتبطة بالزنك و

إزالة الأسيتيل التحفيزية، في حين أن بروتينات SIR2 الشبيهة من الفئة الثالثة تستخدم كعامل تفاعل لإزالة الأسيتيل من بقايا الأحماض الأمينية للبروتينات [46].

غالبًا ما يُلاحظ عدم تنظيم HDAC في أنواع مختلفة من السرطان وفي مراحل متعددة من السرطان، بما في ذلك (ولكن لا تقتصر على) التمايز [47]، دورة الخلية [48]، تكوين الأوعية الدموية [49]، موت الخلايا المبرمج [50]، والالتهام الذاتي [50]. ومن الجدير بالذكر أن تثبيط HDAC يقلل من تعبير البروتينات المرتبطة بموت الخلايا المبرمج. لذلك، يمكن استخدام HDAC كهدف علاجي لنمو الخلايا غير الطبيعي وتكاثرها في السرطان.

تعديل RNA هو مجال بارز في الإيبترانسكريبتوميات. تمثل التعديلات الديناميكية على RNA مستوى جديدًا من التحكم في المعلومات الجينية. يمكن إيداعها بشكل انتقائي على مجموعة من النسخ بواسطة عوامل النسخ الانتقائية وتسهيل الاستخدام المنسق وتدوير النسخ. هذه آلية أساسية لتنظيم النسخ الخلوية خلال التطور. يعتبر ميثيل RNA عملية مهمة في علم الوراثة اللاجينية. -ميثيل أدينوسين ( ) هو التعديل الأكثر وفرة في الميثيل RNA الداخلي الذي يسرع معالجة ما قبل RNA و نقل mRNA ليؤثر على استقرار mRNA و التقطيع و الترجمة في خلايا الثدييات [51]. إن فقدان METTL3 أو METTL14، كعناصر رئيسية في مركب ميثيل ترانسفيراز RNA، يعزز بشكل كبير نمو وتجديد الخلايا و تكوين الأورام في خلايا الجذعية للورم الدبقي البشري [53]. تثبيط بروتين الكتلة الدهنية المرتبط بالسمنة (FTO، يمكن أن يقلل إنزيم ديميثيلاز من تحويل الخلايا الناتج عن الأورام في اللوكيميا [54]. وبالمثل، فإن انخفاض تعبير ALKBH5 (إنزيم آخر تقلل إنزيمات إزالة الميثيل (demethylase) من نسبة خلايا سرطان الثدي الجذعية، مما يقلل من إمكانية تكوين الأورام [55]. بشكل جماعي، تنظم إنزيمات تعديل RNA هم الكتاب (بما في ذلك METTL3 و METTL14)، والقراء (YTHDCs)، والمزيلات (FTO أو ALKBH5) في أنواع مختلفة من السرطان (الشكل 1D).

هناك أدلة متزايدة على أن ليس فقط RNAs المرتبطة بتشفير البروتين (mRNA وtRNA وrRNA)، ولكن أيضًا RNAs غير المشفرة (ncRNAs)، مثل microRNAs (miRNAs) وlong non-coding.

الـ RNAs (IncRNAs) لها تأثيرات وظيفية مباشرة على التعبير الجيني. تُعرف الـ LncRNAs بأنها RNAs أطول من 200 نيوكليوتيد وقد تنظم التعبير الجيني على مستويات متعددة. يمكنها تنظيم هيكل ووظيفة الكروماتين من خلال التفاعل مع الحمض النووي، والـ RNA، والبروتينات لتشكيل هجن متعددة. تنسق التنظيمات الذاتية والعابرة على المستويات النسخية وما بعد النسخية تنظيم الموقع النووي ووظيفة الـ IncRNAs، مما يؤثر على حالة الكروماتين، وفي النهاية ينظم حالات الجينات في الأطراف القريبة والبعيدة. يمكن أن تعمل الـ LncRNAs كمحركات وراثية من خلال الوساطة في استقطاب منظمات الكروماتين في مواقع كروماتينية محددة، وقد يُستخدم النمط التنظيمي المحدد للـ IncRNAs الوظيفية كعلامات حيوية للسرطان وأهداف علاجية. على سبيل المثال، HOTAIR هو IncRNA يتم التعبير عنه بشكل مفرط في عدة سرطانات ظهارية. إنه يحفز كبت H3K27me3 لجينات HNF1a وHNF4a المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بكبت الانتقال الظهاري-المتوسط (EMT) من خلال استقطاب المعدل الكروماتيني، EZH2. يمكنه أيضًا استقطاب PRC2 لميثيل الهستونات على المحفز CDKN2B/P15-INK4b لتسهيل كبت النسخ. ببتيد سرطاني مشفر بواسطة IncRNA غير موصوف (LINC00266-1) يجعل “التعرف ويعزز توظيف مثبّتات RNA لزيادة الاستقرار ومستوى التعبير عن c-Myc، مما يعزز الأورام في سرطان القولون والمستقيم (CRC) [59]. تعتبر miRNAs محفوظة بشكل كبير وهي صغيرة داخلية ( الـ ncRNAs التي تشارك في التنظيم الجيني الوبائي للأورام كجزيئات تنظيمية حاسمة. يمكن أن يؤدي ميثلة المحفز أو أسيتيل الهستون إلى تنظيم غير طبيعي لتعبير miRNA في السرطان. على سبيل المثال، يمكن لعائلة miR-29 استهداف DNMT3A وDNMT3B بشكل مباشر. علاوة على ذلك، ترتبط miRNAs بشكل مباشر بالآليات الجينية الوبائية لمكوناتها الإنزيمية من خلال حلقات تنظيمية، مما يؤثر على تعبير مجموعة واسعة من العوامل التنظيمية. التغيرات في miRNAs هي نتيجة لتكون الأورام وتساهم بنشاط في تطور السرطان. تعتبر ملفات تعبير miRNA خيارات أفضل لتوقع نوع السرطان ومرحلته مقارنة بملفات تعبير mRNA؛ لذلك، يُقترح أن تكون miRNAs أدوات مفيدة لتشخيص السرطان أو التنبؤ به. يثبط فرط ميثلة CpG miR-9-1 في
سرطان الثدي وmiR-124a في الأورام القولونية مقارنة بالأنسجة الطبيعية [64، 65]. قد يعكس كتم الجينات غير الوراثية للـmiRNAs خصوصية الأنسجة. يؤثر التعبير الخاص بالأنسجة ونوع الخلايا للـmiRNAs بشكل واسع على تمايز الخلايا، ودوراتها، وشيخوختها، والتمثيل الغذائي [66]. ومن ثم، يمكن أن تساعد تحليل تعبير الـmiRNA في أنسجة الأورام أو خزعات السوائل في توجيه تشخيص السرطان، وتوقع تشخيص المرضى، وتحديد الأهداف العلاجية المحتملة.

تظهر خلايا مختلفة في أنسجة الورم أنماط تعديل جيني متغيرة عبر الجينوم أو عند جينات فردية؛ مما يشير إلى وجود تباين جيني على المستوى الخلوي. تعتبر قابلية عكس أنماط الميثيل والأسيتيل غير الطبيعية للحمض النووي هدفًا شائعًا لعلاج السرطان. العديد من مثبطات الجزيئات الصغيرة التي تستهدف إنزيمات تعديل الكروماتين والهستون لعكس التغيرات الجينية في الأورام واستعادة الحالة الجينية الطبيعية تحقق نجاحًا كعلاجات للسرطان في التجارب السريرية. التأثير العلاجي متغير في الأورام الصلبة بسبب نقص العلاجات المستهدفة المدفوعة بالعلامات الحيوية، مما يؤدي إلى استجابة غير متجانسة للغاية. تظل الفوائد السريرية للعلاج الجيني الأحادي غير معروفة؛ ومع ذلك، فقد توسع فهمنا لتنظيم الجينات في الأورام، مما أدى إلى تقدم في تحليل العلاجات الجينية في التجارب السريرية.

يتراكم الميثيلين غير الطبيعي للحمض النووي الوراثي وكتم الجينات في خلايا السرطان. تم تطوير مثبطات دوائية للميثيلين للحمض النووي لعكس التغيرات الوراثية عبر تثبيط DNMT. أزاسيتيدين (AZA) وديستابين (DAC) هما أول مثبطات DNMT تم استخدامها سريرياً وتمت الموافقة عليها من قبل إدارة الغذاء والدواء لعلاج متلازمات خلل التنسج النقوي (MDS). تحتوي هذان الأزانوكليوسيدين على نيتروجين في الموضع C-5 من حلقة البيريميدين الخاصة بهما، مما يمنع النشاط التحفيزي لـ DNMTs، مما يؤدي إلى تحلل DNMT1 وهايبو ميثيلين الحمض النووي على مستوى الجينوم، ويسهل إعادة التعبير عن الأورام التي كانت مكتومة سابقاً بواسطة الميثيلين للحمض النووي. تؤدي هذه المثبطات إلى زيادة تنظيم تفضيلي للجينات التي تحتوي على ميثيلين في المحفز وتظهر انتقائية استهداف عالية في خلايا السرطان.

AZA هو خيار علاج آمن وفعال للمرضى الذين يعانون من الأورام النقوية المرتبطة بالعلاج [71]. في الوقت نفسه، يظهر DAC أداءً جيدًا في العلاج الأولي وعلاج الإنقاذ للمرضى الذين يعانون من سرطان الدم النخاعي الحاد (AML) والذين لديهم توقعات سيئة وليسوا مرشحين للعلاج الكيميائي المكثف [72]. بالإضافة إلى ذلك، فإن CP-4200 وSGI-110 هما نظيران لـ AZA وDAC يظهران نشاطًا مثيرًا للاهتمام في تثبيط DNMT في AML [73، 74]. MG98 هو مثبط واعد للبشر من DNMT1 لا يتطلب الإدماج في الحمض النووي لأنه يقلل من تعبير DNMT1 وتكاثر خلايا السرطان عن طريق تقليل تركيز mRNA الخلوي بطريقة تعتمد على الجرعة في سرطان الخلايا الكلوية [75]. علاوة على ذلك، فإن nanaomycin A له تأثير مثبط انتقائي على DNMT3B وتأثيرات مضادة للتكاثر في سرطان الكبد الخلوي [76]. تحدد فعالية هذه المثبطات المضادة للورم وخصائصها محركات DNMT والأهداف المحتملة في السرطان.

غالبًا ما يظهر السرطان تعديلات غير طبيعية في الأسيتيل التي يمكن أن تؤدي إلى كتم جينات مثبطات الأورام الرئيسية. يمكن لمثبطات إنزيمات إزالة الأسيتيل (HDACis) أن تمنع نشاط إنزيمات إزالة الأسيتيل. هذا يعيد توازن الأسيتيل في الخلايا ويؤدي إلى نشاط غير مقيد لإنزيمات إضافة الأسيتيل. وهذا يؤدي إلى زيادة في نسخ الجينات وفي النهاية يحفز سلسلة من الاستجابات البيولوجية لعرقلة نمو أو بقاء خلايا الورم، بما في ذلك إعادة تشكيل الكروماتين، ونسخ جينات مثبطات الأورام، وتثبيط النمو، والاستماتة. على وجه الخصوص، الآلية الرئيسية لمثبطات إنزيمات إزالة الأسيتيل هي تنشيط مسارات الاستماتة الداخلية.
إكس. يو وآخرون.
الخلايا في الدراسات ما قبل السريرية. وهذا يؤدي إلى الموافقة على عدة أدوية لعلاج بعض الأورام الدموية.

تسلط مثبطات هيستون ديستيلز (HDACis) الضوء على تصنيف العلاج في الأورام الصلبة. على سبيل المثال، يمثل سرطان الرئة صغير الخلايا (SCLC) غير المدفوع بـ YAP1 والأورام الدماغية التي تحتوي على طفرات IDH1/2 مجموعات فرعية من السرطان مناسبة للعلاج المستهدف بمثبطات HDAC [79]. تُقسم مثبطات HDAC إلى مثبطات انتقائية وغير انتقائية وفقًا لاختيار الهدف. الأكثر دراسة واستخدامًا هي مثبطات HDAC غير الانتقائية. تم اعتماد فوريستات (SAHA) وروميديبسين (ديبسيبيبتيد) من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية لعلاج لمفومة الخلايا التائية الجلدية (CTCL) [80، 81]، بينما تم اعتماد بيلينستات (Beleodaq/PXD101) وبانوبينستات (LBH-589) لعلاج لمفومة الخلايا التائية المحيطية ومتلازمة المايلوما المتعددة (MM) على التوالي [82، 83]. يوفر ظهور مثبطات HDAC الانتقائية أداة موثوقة لحل وظيفة أنواع HDAC الفرعية، وخيارًا أكثر أمانًا وفعالية من مثبطات HDAC واسعة الطيف. تريشوساتين A (TSA) هو مثبط من الفئة I و II لمثبطات HDAC مع تأثيرات غير تنافسية ونشاط مضاد للورم يعتمد على الجرعة ضد سرطان الثدي [84]. ومن الجدير بالذكر أن توباسين هو مثبط انتقائي محدد من الفئة llb يمكن أن يزيد من الإفراز الخارجي لـ الحويصلات خارج الخلوية (علامة لخلايا السرطان الجذعية) في خلايا الميلانوما النقيلي FEMX-I وخلايا الكولوركتال كاكو-2 [85]. MC1568 و MC1575 هما مشتقات من الأريل-بيرول-هيدروكسياميد التي تكون انتقائية لفئة HDAC من النوع الثاني و HDAC6، على التوالي، وتظهر تأثيرات مضادة للتكاثر في خلايا سرطان الثدي الإيجابية لمستقبلات الاستروجين [86] وخلايا الميلانوما البشرية [87]. علاوة على ذلك، المثبط الانتقائي لـ HDAC6 ريكولينوسات (ACY-1215) يثبط بشكل كبير نمو خلايا GBM [88]. في الوقت نفسه، تظهر مثبطات HDAC الجديدة آفاق واعدة لتشخيص وعلاج الأورام. على سبيل المثال، يظهر IN2001 نشاطًا مضادًا للأورام في خلايا سرطان الثدي البشرية [89]، بينما يظهر AR-42 إمكانيات في تشخيص وعلاج الأورام السحائية. علاوة على ذلك، يمارس جفينوستات (ITF2357) نشاطًا مضادًا للأورام ويقتل بشكل انتقائي خلايا السرطان في اللوكيميا اللمفاوية الحادة من سلالة B-cell [90، 91]. بشكل جماعي، تظهر مثبطات HDAC قيمة كبيرة في تشخيص وعلاج أنواع مختلفة من السرطان.

تعتبر بروتينات مجال البرومودومين والمجال الخارجي (BET)، بما في ذلك BRD2 وBRD3 وBRD4 وBRDT، قادرة على التعرف على الأسيتيل كولين من الليسين الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بتكرار الحمض النووي، وإصلاح تلف الحمض النووي، وإعادة تشكيل الكروموسومات، ونسخ الجينات المسرطنة. يحتوي كل عضو من عائلة BET على مجالين برومودومين متتاليين في الطرف N (BD1 وBD2) ومجال إضافي في الطرف C يعمل كقارئ رئيسي للإبيجينيتك للشبكات المسرطنة في أنواع مختلفة من السرطان. يُعتبر BRD4 منظمًا عالميًا للنسخ مع تركيز على المعززات الفائقة التي تدفع تعبير الجينات الخاصة بالسرطان. في الوقت نفسه، تُعتبر مثبطات BET جيلًا جديدًا من الأدوية الانتقائية المضادة للسرطان التي تتداخل مع بدء النسخ وإطالته عن طريق حجب وظائف BET. تقوم مثبطات BET بإزاحة BRD4 من المنطقة التنظيمية لمنع تعبير الجينات، وتظهر فعالية مضادة للورم لمثبطات عائلة BET وعودًا واعدًا بشكل خاص للسرطانات التي تزداد فيها تعبير عوامل النسخ المسرطنة، مثل c-Myc.

يساهم BRD4 في الحفاظ على تعبير لتعزيز التجديد الذاتي غير الطبيعي لخلايا AML [94]. في الوقت نفسه، JQ1 هو مثبط BRD4 نموذجي له فوائد علاجية مثبتة في MM [94]، AML [95]، لمفوما الخلايا B الكبيرة المنتشرة (DLBCL) [96]، سرطان البروستاتا [97]، وسرطان الثدي [98]. OTX015 (MK-8628) هو مثبط BRD2/3/4 من الفئة الأولى الذي يثبط تكاثر الخلايا في الأورام الدموية والورم العصبي، ويقلل من تعبير c-Myc وMYCN وغيرها من الجينات المسرطنة المرتبطة بالمُعزِّزات الفائقة [99، 100]. علاوة على ذلك، MS645 هو مثبط BRD4 ثنائي التكافؤ يثبط تكاثر خلايا سرطان الثدي الثلاثي السلبي عن طريق حجب ارتباط BRD4 بعوامل النسخ MED1 وYY1 [101]. ABBV-075 هو مثبط BET جديد يحفز موت الخلايا المبرمج في خلايا AML، غير هودجكين.

سرطان الدم النخاعي الحاد مستقبل الأندروجين -ALL سرطان الدم اللمفاوي الحاد من سلالة الخلايا البائية، BET مجال برومودومين ومجال خارجي، CTCL لمفومة الخلايا التائية الجلدية، CRC سرطان القولون والمستقيم، DLBCL لمفومة الخلايا البائية الكبيرة المنتشرة، DNMT ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي، GBM ورم دبقي، HDAC مزيل الأسيتيل من الهيستون، KDM مزيل الميثيل من الليسين، KMT ميثيل ترانسفيراز الليسين، MM ورم النقيلة المتعددة، MLL سرطان الدم من سلالة مختلطة، SCLC سرطان الرئة ذو الخلايا الصغيرة.
سرطان الغدد اللمفاوية، وخلايا MM [102]، بينما يستهدف ABBV-744 بشكل انتقائي مجال BD2، ويزيح BRD4 من المحسنات الفائقة المحتوية على مستقبل الأندروجين (AR)، ويثبط النسخ المعتمد على AR. يظهر هذا نشاطًا مضادًا للورم أفضل من ABBV075 في نموذج زراعة الفئران باستخدام خلايا سرطان البروستاتا البشرية [103]. CC-90010 هو مثبط BET من الجيل التالي مع
نشاط مضاد للورم مشجع في المرضى الذين يعانون من أورام صلبة متقدمة [104]. تزداد وفرة BRD2 و BRD4 بشكل كبير في GBM. لذلك، فإن العلاج بمثبط بروتين BET (I-BET151) يثبط تكاثر خلايا GBM [105]. علاوة على ذلك، يظهر OTX015 تأثيرًا مضادًا للتكاثر أعلى من نظيره (JQ1) في خطوط خلايا GBM [106]. في الوقت نفسه، يعمل JQ1 و I-BET 762 بشكل فعال

CMML سرطان الدم النقوي المزمن، CRC سرطان القولون والمستقيم، MDS متلازمات خلل التنسج النقوي، MM الورم النقوي المتعدد، T-ALL سرطان الدم اللمفاوي الحاد من نوع T.
تتداخل مع مسارات متعددة مرتبطة بنمو الخلايا في سرطان البنكرياس [107]. بشكل عام، يظهر مثبط BRD4 التقليدي JQ1 ومثبطات BET المطورة حديثًا نتائج واعدة في أنواع مختلفة من السرطانات البشرية.

شهد العقد الماضي تقدمًا هائلًا في تحديد تنظيم التعديلات الميثيلية بواسطة KMTs و KDMs. كما جذبت مثبطات هذين الإنزيمين الكثير من الاهتمام في علاج السرطان. على سبيل المثال، تم تقييم تأثير مثبط انتقائي لـ LSD1/KDM1A (ORY-1001) في المرضى الذين يعانون من اضطرابات دموية [104، 108]. BIX-01294 هو مثبط جزيئي صغير لـ EHMT2 يثبط تكاثر الخلايا ويحفز موت الخلايا المبرمج لخلايا السرطان في DLBCL [109] وسرطان الأعصاب البشري [110]. وبالمثل، UNC0638 هو مثبط لـ EHMT2 يقلل بشكل كبير من نمو الخلايا ويحفز موت الخلايا في خلايا غير SCLC [111]. إن مشاركة DOT1L في عمليات السرطان المتعددة توفر دعمًا قويًا لتثبيته كأساس للعلاجات المستهدفة ضد السرطانات. Pinometostat (EPZ5676) هو مثبط DOT1L من الجيل الأول، لعلاج سرطان الدم الحاد لدى البالغين [112]. EPZ004777 هو مثبط DOT1L انتقائي قوي آخر يقتل بشكل انتقائي الخلايا الحاملة لانتقال الجين المرتبط بـ MLL ويطيل البقاء في المختبر [113]. يثبط العلاج بـ GSK126 (مثبط EZH2) نمو خلايا الورم المناعي الناقص [114]. بالإضافة إلى ذلك، تقضي مثبطات EZH2 الجزيئية الصغيرة على نمو خلايا الورم في الورم الدبقي الجذري المنتشر من خلال آلية تحفزها بروتين مثبط الورم، p16 [115]. تشير هذه الدراسات والتجارب السريرية إلى أن مثبطات KDMs و KMTs هي واعدة للتشخيص والعلاج السرطاني.

التحديان الرئيسيان المرتبطان بالعلاج الأحادي الجيني هما القابلية للمقاومة والنشاط المحدود. يمكن حل ذلك من خلال العلاجات المركبة التي تستهدف علامات جينية مختلفة. معظم التجارب السريرية للعلاج المركب جارية، بينما تظهر بعض النتائج المشجعة (الجدول 2).

تكون مثبطات DNMT انتقائية للغاية لجينات مرتبطة بالسرطان، بينما تكون بعض مثبطات HDAC غير انتقائية. وهذا يشير إلى أن الجمع بين هذه المثبطات سيوفر فعالية علاجية أفضل. العلاج المركب الذي يتضمن فوري نوسات و AZA أكثر فعالية من العلاج الأحادي في MDS وسرطان الدم النقوي المزمن (CMML) [116]. في الوقت نفسه، يزيد الجمع بين DAC و KDM1A أو EHMT2 أو مثبطات EZH2 بشكل تآزري من تنظيم الجينات مع الحفاظ على انتقائية DAC مقارنةً بجمع DAC مع HDACi [70]. علاوة على ذلك، فإن الاستخدام المشترك لـ AZA مع HDACi، إنتينوسات، يحسن بشكل كبير النشاط المضاد للورم لمثبطات نقاط التفتيش في الفئران CT26، وهو نموذج لسرطان القولون والمستقيم الذي يتمتع بإصلاح عيوب [117]. بالإضافة إلى ذلك، يمارس الجمع بين DNMTi و HDACi تأثيرًا تآزريًا على التعبير عن جينات مثبط الورم الصامت [118، 119]. يؤدي العلاج المركب لـ DNMTi و HDACi في نفس الوقت إلى تحفيز التعبير عن جينات مثبط الورم الرئيسية في خلايا MM ويثبط التعبير عن الجينات المسرطنة الرئيسية، مثل MYC و IRF4 [120]. لذلك، فإن الجمع بين مثبطين يحفز بشكل تآزري التعبير الجيني مع الحفاظ على الانتقائية لزيادة احتمالية استهداف أنواع معينة من الأورام بناءً على ملفات التعبير الجيني.

يمثل الجمع بين العلاج الجيني والعلاجات السرطانية الأخرى نهجًا علاجيًا فعالًا. تم دمج عوامل جينية مختلفة مع أدوية مستهدفة. على سبيل المثال، يمكن دمج مثبطات DNMT مع مثبطات تستهدف الميثيل في الهيستون لتحقيق تأثيرات تآزرية تستهدف بشكل تفضيلي الجينات المرتبطة بالسرطان [70]. ACY-1215 هو مثبط انتقائي لـ HDAC6 يظهر تفاعلات واعدة قبل السريرية مع بورتزوميب في MM [121]. علاوة على ذلك، يزيد الجمع بين TSA وجزيئات نانوية من البالاديوم بشكل تآزري من الإمكانية لعلاج ناجح لسرطان عنق الرحم [122]. في الوقت نفسه،
يجمع بين JQ1 و -مثبطات السكريز في علاج سرطان الدم اللمفاوي الحاد من نوع T (T-ALL) لمواجهة المقاومة للعلاج المستهدف مع -مثبطات السكريز [123].

يمكن أن تحسن العلاجات الجينية من فعالية العلاجات المناعية. من الجدير بالذكر أن العلاج الجيني قد يجعل المرضى أكثر حساسية لعكس التسامح المناعي، بينما يؤدي العلاج المركب بين الجينات والمناعية إلى إزالة الميثيل من الحمض النووي للورم، وزيادة النسخ RNA، وتعديل المناعة [124]. في الواقع، تغير مثبطات DNMT أنماط التعبير للجينات المرتبطة بالمناعة الفطرية والتكيفية، والتجنب المناعي في أنسجة الورم [125]. كما تحفز مثبطات DNMT الاستجابات المناعية ضد السرطانات، مما يؤدي إلى جعلها أكثر حساسية للعلاج المناعي. يحسن الجمع بين بانوبينستات (HDACi) وبورتزوميب (مثبط بروتيازوم) وديكساميثازون (دواء مناعي) البقاء بدون تقدم في المرضى الذين يعانون من MM وتمت الموافقة عليه من قبل FDA [126]. علاوة على ذلك، يؤدي العلاج بمزيج من حاصرات PD-1 و DAC إلى تثبيط نمو الورم بشكل أكبر وإطالة البقاء في الفئران CT26 المصابة بـ CRC [127]. تظهر تجربة المرحلة الثانية أن AZA و بيمبروليزوماب يثيران نشاطًا مضادًا للورم في بعض المرضى الذين يعانون من MDS. من المهم أن يكون هذا العلاج المركب آمنًا نسبيًا مع سمية قابلة للتحكم [128].

تعزز طريقة بناء تركيبات متعددة الأهداف التأثير المضاد للورم من خلال تنشيط مسارات مضادة للسرطان متعددة في الوقت نفسه، وهي بديل محتمل للعلاج المركب. تعمل مثبطات الهجين متعددة الأهداف التي تنظم في الوقت نفسه هدفين أو أكثر وتثبط الأهداف المرتبطة كيميائيًا على تحسين استجابة العلاج ومقاومة الأدوية لدى مرضى الأورام. C02S هو مركب هجين مثبط مزدوج لـ DNMT و HDAC يظهر نشاطًا مثبطًا إنزيميًا كبيرًا ضد DNMT1 و DNMT3A و DNMT3B و HDAC1. يحفز التعبير عن p16 و p21 و TIMP3 ويسبب تلفًا في الحمض النووي، بينما يعدل علامات السرطان المتعددة ويؤدي إلى كبح نمو الورم في نموذج فأر لسرطان الثدي. مثبط مزدوج لـ LSD1/HDAC يسمى كورين له نشاط مضاد للتكاثر ملحوظ في خطوط خلايا الميلانوما وخطوط خلايا سرطان الخلايا الحرشفية الجلدية. الجزيء الهجين المزدوج 5، الذي يستهدف HDAC و EZH2، يثبط التكاثر ويقتل خلايا السرطان عند تركيزات ميكرومولية منخفضة في عدة أنواع من خلايا السرطان. تظهر الاستراتيجيات الدوائية الجينية المختلطة التي تعمل على مسارات بيولوجية مختلفة كنهج جديد نحو العلاج الحديث للسرطان.

“الطب الدقيق” مصمم خصيصًا لخصائص كل مريض الطبية أو الفرعية لتحقيق أعلى تأثير علاجي ممكن وتقليل السمية والآثار الجانبية. ومن الجدير بالذكر أن المرضى الذين لديهم نفس الطفرة الجينية يمكن أن يستجيبوا بشكل مختلف للعلاجات باستخدام نفس الأدوية. تتطلب الاختبارات التشخيصية الجينية والوراثية لتحديد إمكانيات الطب الشخصي. التعديلات الوراثية واستجابات الأدوية تتنظم بشكل متبادل. وبالتالي، فإن معالجة التوافق بين الأبحاث الوراثية والتطبيقات السريرية تمثل تحديًا كبيرًا في الطب الدقيق.

لقد أبرزت الدراسات متعددة الأوميات والذكاء الاصطناعي الدور الحاسم للآليات الوراثية في السرطان. إنها توفر فرصًا جديدة لتحديد العلامات البيولوجية الوراثية للأورام من أجل الفحص المبكر والتشخيص وتطوير العلاج المخصص (الشكل 2).

النمط الفريد للإبيجينيتك للكروماتين يقود التعبير المحدد لنوع الخلايا. تسهل التقدمات في تقنيات تسلسل الجينوم الجديدة (NGS) تحديد الأنماط الإبيجينيتكية المعقدة الخاصة بخلايا السرطان وتوفر رؤى مهمة لتوجيه تحديد أهداف علاجية جديدة وعلامات حيوية تنبؤية. علاوة على ذلك، تعتبر البيانات الجينية والإبيجينيتكية، (بما في ذلك التغيرات الهيكلية، ملفات التعبير الجيني، أنماط ميثلة الحمض النووي، ملفات تعديل الهيستون، والهياكل ثلاثية الأبعاد لجينوم السرطان) عوامل رئيسية في الطب الشخصي (الشكل 2A). متعددة الأوميات
التقنيات التي يمكن أن تحدد الجينوميات، والترنسكريبتوميات، والجينوميات ثلاثية الأبعاد وتوضح التفاعلات بين التغيرات الجينية والوراثية في بيولوجيا السرطان، فعالة في إدارة المرض بدقة والتنبؤ به. يمكن لتسلسل الجينوم الكامل وتسلسل الإكسوم الكامل تتبع التغيرات الجينومية في الأورام المختلفة. في الوقت نفسه، يمكن لتقنية RNA-seq التقاط ملفات النسخ الميكروية وتحليل تباين الأورام. حاليًا، يُعتبر تسلسل البيسلفيت للجينوم الكامل هو الطريقة القياسية الذهبية لتحليل بيانات ميثيل الحمض النووي على نطاق الجينوم بدقة قاعدة واحدة. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر إمكانية الوصول إلى الكروماتين على ارتباط الحمض النووي بعوامل النسخ والعناصر التنظيمية. وهذا يوفر رؤى مهمة حول الآليات التي يتم من خلالها تنشيط الجينومات السرطانية وإسكاتها. يمكن لاختبار الكروماتين القابل للوصول بواسطة الترانسبوزاز باستخدام التسلسل (ATAC-seq) تقييم مشهد إمكانية الوصول إلى الكروماتين في السرطانات البشرية الأولية. في الوقت نفسه، يمكن أن يؤدي التدخل في الهيكل ثلاثي الأبعاد للجينوم إلى تنشيط الأورام الغريبة من خلال التفاعل مع المعززات القريبة أو البعيدة ومناطق المحفزات التي تبدأ نسخ الأورام. وبالتالي، يمكن استخدام تقنية ترسيب المناعة للكروماتين والتسلسل (ChIP-seq) لتحديد نشاط المعززات والمعززات الفائقة على نطاق الجينوم بناءً على علامات الهيستون H3K4me1 وH3K27ac، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تحدد تحليل التقاط الكروماتين المكاني على نطاق الجينوم (HiC) التفاعلات غير الطبيعية بين المعززات والمحفزات في جميع أنحاء جينوم الورم. إن التطور السريع لهذه التقنيات يسهم في تحديد بانوراما الإبيجينوم للسرطان ويسهل المزيد من دمج مؤشرات الإبيجينوم في التطبيقات السريرية. في الواقع، ستوفر مجموعة تقنيات الإبيجينetics مع المنصات الأكثر استخدامًا (مثل تسلسل الجينوم الكامل وRNA-seq) رؤى شاملة بشأن الشذوذات الجينومية والإبيجينومية لدى المرضى المصابين بالسرطان. بالإضافة إلى ذلك، ستعمل تطبيقات الأساليب متعددة الأوميات لتحديد العلامات البيولوجية التشخيصية على تحسين التدخلات العلاجية من خلال توفير بيانات للعلاج الشخصي.

الذكاء الاصطناعي هو أداة طبية جديدة تشمل التعلم الآلي والتعلم العميق؛ تطبيقه يحسن بشكل كبير من الطب الدقيق المرتبط بالسرطان (الشكل 2B). بشكل أكثر تحديدًا، يمكن للذكاء الاصطناعي أتمتة عملية فك تشفير الصور الأولية، وقياس صور شريحة الورم الملون أو ميزات الصور الشعاعية، والتفريق بدقة بين خلايا السرطان وخلايا غير السرطان، وتحديد شكل الورم وحجمه ونوع السرطان وانتشار الآفة [140]. يتيح الاختبار المدعوم بالحاسوب المعالجة المنهجية لميزات الورم (مثل اكتشاف التكلسات الدقيقة المتجمعة في تصوير الثدي بالأشعة السينية) كمؤشر على سرطان الثدي في مراحله المبكرة [141، 142]. الشبكات العصبية العميقة هي خوارزميات قوية بدقة عالية في معالجة الصور الرقمية لتمييز خلايا السرطان عن الخلايا الطبيعية، والأنسجة الحميدة عن الأنسجة الخبيثة [143، 144]. مؤخرًا، ارتبط المجال الناشئ “علم الجينوم التصويري” بالميزات الشعاعية مع البيانات البيولوجية، بما في ذلك الطفرات الجسدية، وتعبير الجينات، وأعداد نسخ الكروموسومات، من بين ميزات جزيئية أخرى. على وجه الخصوص، تطبق طريقة التعلم العميق القائمة على الشبكات العصبية العميقة الشبكات العصبية العميقة على طفرات النقاط الجينومية لتحليل العلاقة بين التباين الجينومي والظاهرة بشكل فعال [145]. يمكن أن تفسر التكتلات الكبيرة [بما في ذلك موسوعة عناصر الحمض النووي (ENCODE) ومشروع خريطة الإبيجينوم] مجموعة غير متجانسة من آلاف مجموعات البيانات الإبيجينومية في مجال الإبيجينetics. في الواقع، تم إجراء العديد من التحليلات على أنواع مختلفة من خلايا الإنسان، مع إجراء آلاف القياسات الإبيجينومية على كل زوج قاعدي في الجينوم البشري [146]. بعد ذلك، تم دمج برنامج Chromlmpute وأداة PaRallel Epigenomics Data Imputation with Cloud-based Tensor Decomposition (PREDICTD) لتكملة رسم خرائط البيانات الإبيجينومية على نطاق واسع وإظهار فائدة تحليل الموترات والحوسبة السحابية [147، 148]. اقترح شرايبر وآخرون المقياس المتعدد.
نموذج التعلم الآلي، أفوكادو، الذي هو مزيج من تحليل الموترات والشبكات العصبية العميقة التي تضغط البيانات الإبيجينية إلى تمثيلات كثيفة وغنية بالمعلومات. يتفوق أفوكادو على النماذج المدربة مباشرة على البيانات الإبيجينية في مجموعة متنوعة من المهام الجينومية ويحقق توقعات دقيقة عالية لتعبير الجينات وتفاعلات المحفزات والمعززات، بما في ذلك المناطق التي تتفاعل بشكل متكرر في بيانات HiC، ووقت النسخ، وبنية الكروماتين ثلاثية الأبعاد. يمكن للذكاء الاصطناعي اكتشاف كميات صغيرة من العلامات الحيوية، مما يحسن بشكل كبير من تشخيص السرطان المبكر ويخصص الرعاية السريرية بينما يساعد في اكتشاف أدوية جديدة لمكافحة السرطان. يوفر نضوج التحليل الإبيجيني فرصًا تآزرية لجهود التصوير المعتمدة على الذكاء الاصطناعي. بشكل عام، فإن تطبيق الذكاء الاصطناعي في تشخيص السرطان الدقيق وعلاجه يقدم آفاقًا واسعة، مما يؤدي إلى تطوير علاجات ذكية للسرطان.

التحولات في الإبيجينوم لخلايا الورم (بما في ذلك ميثلة الحمض النووي، وتعديل ذيول الهيستون، وتوطين النوكليوسوم، وأنماط غير طبيعية لتنظيم الكروماتين ثلاثي الأبعاد داخل النواة) تعتبر مؤشرات حيوية فعالة محتملة لاكتشاف خلايا السرطان وتصنيف أنواع الأورام. إن تطوير أدوية متنوعة تستهدف المعدلات الإبيجينية لا يوفر فقط علاجات قائمة على الإبيجينetics تُستخدم لعلاج الأورام الدموية، بل يظهر أيضًا إمكانيات علاجية قابلة للتطبيق للأورام الصلبة في التجارب ما قبل السريرية والسريرية. نظرًا لقيود العلاج الإبيجيني في علاج الأورام الصلبة، فإن العلاجات الفعالة المحتملة لمختلف الأورام (لا سيما استراتيجيات الدمج) تستحق الاعتبار السريري. في الواقع، يحدد الإبيجينوم السرطاني كيفية استجابة خلايا السرطان للتدخلات العلاجية؛ لذلك، من الضروري تعزيز فهمنا لمشهد الإبيجينetics السرطاني بينما يتم السعي نحو مسار الطب الدقيق. يوفر العلاج الإبيجيني المتقدم رؤى فريدة في نماذج علاج السرطان المختلفة التي تكشف عن التغيرات الإبيجينية غير الطبيعية. يمثل هذا خطوة مهمة إلى الأمام في تطوير تشخيص دقيق شخصي وعلاج الأورام الخبيثة. ستفتح التكرارات الجديدة للتكنولوجيا بما في ذلك (ولكن لا تقتصر على) تقنيات التسلسل والذكاء الاصطناعي، والتقدم المستمر في العلاجات الإبيجينية، آفاقًا جديدة لتأسيس تشخيصات وعلاجات دقيقة.

معلومات إضافية حول تصميم البحث متاحة في ملخص تقارير أبحاث Nature المرتبط بهذه المقالة.

نحن نُقر بجميع زملائنا الذين لم يُمكن الإشارة إلى أعمالهم المهمة بسبب قيود المساحة.

كان أنغوي بينغ مسؤولاً عن كتابة الأدب واسترجاع الوثائق في المخطوطة. كتب المخطوطة شين يانغ يو، ييهاو صن. قام هاو تشاو، رويكي وانغ، وينغ يين تشين بمراجعة المخطوطة. أعدت شومي أويانغ وونتينغ لي
الجدول والأشكال. قام أنغوي بينغ بمراجعة المخطوطة وأخيرًا وافق على النسخة التي ستُنشر.

تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (32100561، 32100447). مؤسسة قوانغدونغ للبحث الأساسي والبحث التطبيقي الأساسي (2020A1515110057، 2022A1515011932)، ومؤسسة شيانغشان للبحث العلمي الموهوب في مستشفى الشعب في تشوهاي (2020XSYC-03، 2020XSYC-07، 2021XSYC-02، 2020XSYC-10).

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على مواد إضافية متاحة فيhttps://doi.org/10.1038/s41420-024-01803-z.

يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى ييهاو سون أو أنغوي بينغ.

معلومات إعادة الطباعة والإذن متاحة علىhttp://www.nature.com/إعادة طباعة

ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينجر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح إذا ما تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فسيتعين عليك الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلف(ون) 2024

© The Author(s) 2024

Cell Death Discovery (2024)10:28; https://doi.org/10.1038/s41420-024-01803-z

Genomic DNA in eukaryotic cells is packaged around histones into a structure called the nucleosome, which further folds to produce the higher-order chromatin structure. Nucleosomes are the basic structural units of chromatin. They comprise of 146 bp of DNA wrapped in octamers of four core histones ( , and H2B dimers) [1]. The dynamic spatial organization of chromatin is critical for nucleosomes localization, the recruitment of transcriptional regulators, chromatin accessibility, and gene expression regulation. The compact spatial structure of nucleosomes exerts a universal inhibitory effect on mRNA transcription, whereas accessible spatial structure allows transcriptional regulators and RNA polymerases to access the DNA [2]. Changes to the chromatin structure are primarily regulated by epigenetic processes. Nucleosome remodeling involved in higher order folding of chromatin fibers responds to changes in epigenetic modifications, including DNA methylation, histone modification and RNA-mediated processes [3]. Modifications of histone tails (primarily in chromatin fibers) act as expression or repression markers through the acetylation and methylation of many different amino acids [4]. Chromatin can store and transmit epigenetic codes in the form of DNA methylation or post-translational histone modifications [5]. These modifications are inherited during cell replication; therefore, epigenetic dysregulation is a feature of nearly all human cancers. More specifically, regulatory factors (coupled with an irregular

genome structure or abnormal gene expression) trigger the transformation of various normal cell and tissue types into malignances.

Cancer is a multifactorial disease caused by genetic variation, epigenetic dysregulation, and environmental factors [6]. Epigenetic modifications regulated by the three-dimensional (3D) organization of the genome are dynamic and reversible [7]. Therefore, epimutations reversal is the core application for smallmolecule inhibitors. The emergence of next-generation sequencing (NGS) technology and artificial intelligence (AI) has advanced our understanding of epigenetic regulation in cancer. In fact, anticancer therapies targeting specific types of epigenetic mechanisms show potential in clinical trials, either as a single agent or in combination with other therapies.

Epigenetics is defined as a series of biological processes involving chromatin-mediated DNA template regulation, independent of changes in the original DNA sequence [8]. Protein complexes that control epigenetic modifications (including DNA methylation and covalent histone modification) can be divided into writers, readers, and erasers [9]. Epigenetic writers add distinct epigenetic chemical modifications to DNA or histones in the form of epigenetic markers. Readers are methyl-CpG-binding domain proteins (MBPs) that identify and interpret the specialized domains of modified proteins. Chromatin-modifying enzymes function as erasers by removing epigenetic markers (Fig. 1). Epigenetic dysregulation, including DNA, RNA methylation defects and abnormal posttranslational modification processes, is commonly associated with all cancer types.

DNA methylation is characterized by the addition of a methyl group to the C5 position of cytosine residues by a DNA methyltransferase (DNMT). The resulting epigenetic methylation groups differentiate normal cells from cancerous and other diseased cells [10, 11]. The human genome encodes three conserved DNMT subtypes: DNMT1, DNMT3A, and DNMT3B [12]. DNMT1 is primarily involved in maintaining the pre-existing methylation pattern during DNA replication and the pattern during normal and cancer cell replication [13]. DNMT3 isoforms participate in de novo methylation and non-cytosine/guanine (CpG) methylation. Notably, DNMT3A and DNMT3B promote de novo DNA methylation of previously unmethylated sites to regulate the biological functions of embryonic development, cell differentiation, gene transcription, and cancer cell survival [14]. DNMT plays dual roles in tumor drug resistance. The mRNA expression levels of DNMT show diametrically opposed sensitivity to inhibitors in different tumors. For example, DNMT3B inhibition significantly increases the sensitivity of the inhibitor in pancreatic cancer [15], while ovarian cancers with high DNMT expression of are more sensitive to inhibitor treatment [16].

DNA methylation ensures the precise regulation of gene expression [17]. Hyper- and hypomethylation are relatively independent processes in the cancer genome and in tumor progression [18, 19]. Hypermethylated CpG islands in tumors are frequently located in gene promoter regions, in contrast to the overall hypomethylated regions. In fact, cancer cells are characterized by overall hypomethylation and local hypermethylation of promoters (Fig.1A). Hypermethylation of specific regions (such as tumor suppressor gene CpG islands) is associated with a myriad of carcinogenesis, including breast cancer [20], liver cancer [21], prostate cancer [22], and small-cell bladder cancer [23]. Methylation is involved in many physiological and pathological processes associated with transcriptional disorders in cancer and promoter hypermethylation is considered the primary mechanism of gene inactivation. Abnormal hypomethylation outside of CpG islands
contributes to the increased expression of oncogenes [24, 25]. Mutation and inactivation of tumor suppressor genes can lead to DNA damage or uncontrolled cell growth, thereby promoting cancer progression [26]. Additionally, the potential reversibility of methyltransferase activity makes it an attractive target for therapeutic interventions, unlike genetic changes.

Histone methylation is a key determinant of complex chromatin state and is mainly regulated by lysine methyltransferase (KMT) and lysine demethylase (KDM). KMT and KDM play the roles of writers and erasers, respectively, in epigenetic regulation [27]. The canonical lysine methylation sites in humans are found at K4, K9, K27, K36, K56, and K79 on histone H3, and at lysine K20 on histone H4 [28]. The addition of methyl groups in the histone tails of arginine and lysine residues may involve monomethylation (me1), demethylation (me2), and trimethylation (me3) [29] (Fig. 1B). KMT and KDM are highly specific to the lysine residues in the substrate and the degree of methylation.

The KMT family uses S-adenosyl-L-methionine as a methyl donor to catalyze various lysine methylation events that modify core histones [30]. KMT2D is a KMT that increases the expression of the tumor suppressor gene (PER2) by positively regulating super-enhancers [31]. Polycomb group protein EZH2 represents another KMT that is highly mutated in many types of tumors and affects the expression of downstream target genes by the trimethylation of Lys-27 in H 3 (H3K27me3). Hence, EZH2 is involved in a wide range of tumor processes [including tumorigenesis, cell cycle progression, metastasis, cancer immunity, and apoptosis [32]] and is a promising therapeutic target. Disruptor of telomeric silencing 1 -like (DOT1L) is a histone 3 Lysine-79 (H3K79) methyltransferase that regulates transcriptional activation and elongation in mixed lineage leukemia (MLL) [33]. It involved in stem/progenitor cell regulation in solid tumors [34]. H3K9-methyltransferase SET domain bifurcated 1 (SETDB1) has a broad inhibitory effect mainly in open genomic compartments and is upregulated in various tumors [35]. Additionally, the euchromatin histone lysine methyltransferase (EHMT or G9a) family (including EHMT1 and EHMT2) primarily mediates H3 Lysine 9 dimethylation (H3K9me2) and plays important biological roles in cancers [36].

The KDM family utilizes the Jumonji-C (JmjC) domain to catalyze demethylation through oxidation of the methyl group [30]. The JmjC family of KDMs (JMJC-KDMs) plays important roles in the control of gene expression and chromatin structure [37]. For example, Lysine-specific demethylase 1 (LSD1 or KDM1A) is a member of the JmjC family that specifically demethylates histone lysine residues H3K4me1/2 and H3K9me1/2. In fact, it can interfere with the T-cell response of melanoma [38] and gastric cancer [39]. KDMs such as KDM1B and KDM6B has been reported to be able to promote cancer cell immune evasion, making them a potential therapeutic target [40, 41]. KDM1B inhibition can prevent the expansion of cancer stem cells induced by IFN-I [40]; KDM6B deletion can enhance a series of immune pro-inflammatory pathways such as interferon response, antigen presentation and phagocytosis in the glioblastoma (GBM) tumor immune microenvironment, indicating that KDM6B inhibition can overcome myeloid-derived immune suppression and enhance response to immunotherapy in GBM [41].

Post-translational modifications of histones (including acetylation, methylation, phosphorylation, and ubiquitylation) play important roles in the epigenetic regulation of gene transcription. Histone acetylation and deacetylation are the most typical epigenetic post-translational modifications that occur in the terminal tail of core histones [42]. Two competing families of enzymes [histone lysine acetyltransferases (HATs) and histone deacetylases (HDACs)]

regulate histone acetylation. More specifically, HATs catalyze the transfer of acetyl groups from acetyl-CoA to the amino group of histone lysine residues. This acetylation of histone tails promotes chromatin accessibility that facilitates positive transcription. Meanwhile, HDACs remove acetyl groups from the -amino lysine residues in histone tails, and effectively reduce access to transcription factors by forming a closed chromatin conformation to alter the transcription of oncogenes and tumor suppressor genes [43] (Fig. 1C).

There are 18 known human HDACs that deacetylate lysine substrates through zinc-binding or NAD -dependent substrates [44]. These enzymes are further categorized into four classes. Class I HDACs are components of multiple inhibitory complexes
(including HDAC1, HDAC2, HDAC3, and HDAC8) that are primarily localized in the nucleus and are generally expressed in the human genome. Class II HDACs are in the nucleus and cytoplasm and exhibit tissue-specific expression patterns and non-histone deacetylation activity. They are further divided into two subclasses, Ila (HDAC4, 5, 7, and 9) and Ilb (HDAC6 and 10) [44]. Class III HDACs are comprised of SIR2-like proteins (including SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT4, SIRT5, SIRT6, and SIRT7) that are involved in regulating multiple cellular processes such as survival, aging, stress response, and metabolism [43]. Class IV HDACs only comprise HDAC11, which shares partial homology with class I and II HDACs and acts as a long-chain fatty acid deacylase [45]. Class I, II, and IV HDACs rely on zinc-binding substrates and

catalytic deacetylation, whereas Class III SIR2-like proteins use as a reactant to deacetylate the acetyl acid residues of protein substrates [46].

Dysregulation of HDAC is often observed in various cancers and in many different stages of cancer, including (but not limited to) differentiation [47], cell cycle [48], angiogenesis [49], apoptosis [50], and autophagy [50]. Notably, HDAC inhibition downregulates the expression of apoptosis-related proteins. Therefore, HDACs can be used as a therapeutic target for abnormal cell growth and proliferation in cancer.

RNA modification is a prominent field of epitranscriptomics [51]. Dynamic RNA modifications represent a new level of control over genetic information. They can be selectively deposited to a set of transcripts by selective transcription factors and facilitate the coordinated utilization and turnover of the transcriptome. This is a fundamental mechanism for regulating the cellular transcriptome during development [52]. RNA methylation is an important process in epigenetics. -Methyladenosine ( ) is the most abundant internal RNA methylation modification that accelerate pre-mRNA processing and mRNA transport to affect mRNA stability, splicing, and translation in mammalian cells [51]. The loss of METTL3 or METTL14, as key components of the RNA methyltransferase complex, significantly promotes the growth, self-renewal, and tumorigenesis of the human GBM stem cell [53]. Inhibition of the fat mass and obesity-associated protein (FTO, a A demethylase), can reduce oncogene-mediated cell transformation in leukemia [54]. Similarly, decreased expression of ALKBH5 (another demethylase) reduce the percentage of breast cancer stem cells, thereby reducing the possibility of tumorigenesis [55]. Collectively, RNA-modifying enzymes that regulate are writers (including METTL3 and METTL14), readers (YTHDCs), and erasers (FTO or ALKBH5) in various cancers (Fig. 1D).

There is growing evidence that not only protein coding associated RNAs (mRNA, tRNA and rRNA), but also non-coding RNAs (ncRNAs), such as microRNAs (miRNAs) and long non-coding

RNAs (IncRNAs), have direct functional effects on gene expression. LncRNAs are defined as RNAs longer than 200 nucleotides and may regulate gene expression at multiple levels. They can regulate the structure and function of chromatin by interacting with DNA, RNA, and proteins to form multiple hybrids. The cis- and transregulation at the transcriptional and post-transcriptional levels coordinates the regulation of nuclear localization and function of IncRNAs, affecting the chromatin state, and ultimately regulates gene states at the proximal and distal ends [56]. LncRNAs can act as epigenetic drivers by mediating the recruitment of chromatin regulators at specific chromatin loci, and the specific regulatory pattern of functional IncRNAs may be used as cancer biomarkers and therapeutic targets. For instance, HOTAIR is a IncRNA that is overexpressed in several epithelial cancers. It triggers H3K27me3mediated repression of HNF1a and HNF4a genes closely related to repression of the epithelial-mesenchymal transition (EMT) by recruiting the chromatin modifier, EZH2 [57]. It can also recruit PRC2 to methylate histones on the CDKN2B/P15-INK4b promoter to facilitate transcriptional inhibition [58]. An oncopeptide encoded by an uncharacterized IncRNA (LINC00266-1) sensitizes recognition and enhances the recruitment of RNA stabilizers to increase the stability and expression level of c-Myc, which promotes oncogenesis in colorectal cancer (CRC) [59]. miRNAs are highly conserved endogenous small ( ) ncRNAs that participate in the epigenetic regulation of tumors as critical regulatory molecules. Promoter methylation or histone acetylation can abnormally regulate miRNA expression in cancer [60]. For example, the miR-29 family can directly target DNMT3A and DNMT3B [61]. Moreover, miRNAs are directly associated with the epigenetic mechanisms of their enzyme components through regulatory loops, thereby affecting the expression of a wide range of regulatory factors [62]. Alterations in miRNAs are the result of tumorigenesis and actively contribute to cancer development. miRNA expression profiles are better options for predicting cancer type and stage compared to mRNA expression profiles; therefore miRNAs are proposed as useful tools for cancer diagnosis or prognosis [63]. CpG hypermethylation suppresses miR-9-1 in
breast cancer and miR-124a in colorectal tumors relative to normal tissues [64, 65]. Epigenetic silencing of miRNAs may reflect tissue specificity. Tissue- and cell-type-specific expression of miRNAs widely affect cell differentiation, cycling, aging, and metabolism [66]. Hence, the analysis of miRNA expression in tumor tissues or liquid biopsies can help direct cancer diagnosis, predict patient prognosis, and identify potential therapeutic targets.

Different cells in tumor tissues exhibit variable epigenetic modification patterns throughout the genome or at individual genes; this suggests that there is epigenetic heterogeneity at the cellular level [67]. The reversibility of abnormal DNA methylation and acetylation patterns is a common target of cancer treatment. Many small-molecule inhibitors targeting chromatin- and histonemodifying enzymes to reverse epigenetic alterations in tumors and restore the normal epigenetic state are successful as cancer therapeutics in clinical trials (Table 1). The therapeutic effect is variable in solid tumors owing to the lack of biomarker-driven targeted therapies, which leads to a highly heterogeneous response. The clinical benefits of epigenetic monotherapy remain unknown; however, our understanding of tumor epigenetic regulation has expanded, leading to progress in the analysis of epigenetic therapies in clinical trials.

Aberrant inherited DNA methylation and gene silencing accumulates in cancer cells. Pharmacological inhibitors of DNA methylation were developed to reverse epigenetic changes via DNMT inhibition. Azacitidine (AZA) and decitabine (DAC) are the first clinically used DNMT inhibitors (DNMTis) that have been approved by the FDA to treat myelodysplastic syndromes (MDS) [68, 69]. These two azanucleosides contain a nitrogen at the C-5 position of their pyrimidine ring that blocks the catalytic activity of DNMTs, resulting in DNMT1 degradation and genome-wide DNA hypomethylation, and facilitating the re-expression of tumor previously silenced by DNA methylation [70]. These inhibitors lead to the preferential upregulation of genes with promoter DNA methylation and exhibit high targeting selectivity in cancer cells.

AZA is a safe and effective treatment option for patients with therapy-related myeloid neoplasms [71]. Meanwhile, DAC performs well in first-line and salvage therapy for patients with acute myeloid leukemia (AML) that have a poor prognosis and are not candidates for intensive chemotherapy [72]. Additionally, CP-4200 and SGI-110 are respective analogs of AZA and DAC that exhibit potential DNMT inhibitory activity in AML [73, 74]. MG98 is a promising human DNMT1 antisense inhibitor that does not require incorporation into DNA since it downregulates DNMT1 expression and cancer cell proliferation by reducing the cellular mRNA concentration in a dose-dependent manner in renal cell carcinoma [75]. Moreover, nanaomycin A has a selective inhibitory effect on DNMT3B and antiproliferative effects in hepatocellular carcinoma [76]. The antitumor efficacy and characteristics of these inhibitors define DNMT drivers and potential targets in cancer.

Cancer often exhibits abnormal acetylation modifications that can lead to the silencing of key tumor suppressor genes [77]. HDAC inhibitors (HDACis) can block HDAC deacetylase activity. This restores cellular acetylation homeostasis and results in unrestricted HAT activity. This leads to increased gene transcription and ultimately triggers a series of biological responses to hinder tumor cell growth or survival, including chromatin remodeling, tumor suppressor gene transcription, growth inhibition, and apoptosis. In particular, the main mechanism of HDACis is the activation of intrinsic apoptosis pathways [78]. HDACis selectively target tumor
X. Yu et al.
cells in preclinical studies. This results in the approval of several drugs to treat certain hematologic malignancies.

HDACis highlight treatment stratification in solid tumors. For example, non-YAP1-driven small cell lung cancer (SCLC) and brain tumors with IDH1/2 mutations represent cancer subsets that are suitable for HDAC-targeted therapy [79]. HDACis are divided into selective and nonselective inhibitors according to target selection. The most widely studied and commonly used are non-selective HDACis. Vorinostat (SAHA) and romidepsin (depsipeptide) have been approved by the FDA for the treatment of cutaneous T-cell lymphoma (CTCL) [80, 81], whereas belinostat (Beleodaq/PXD101) and panobinostat (LBH-589) have been approved for the treatment of peripheral T-cell lymphoma and multiple myeloma (MM), respectively [82, 83]. The emergence of selective HDACis provides a reliable tool to resolve the function of HDAC subtypes, and a safer and more effective option than broad-spectrum HDACis. Trichostatin A (TSA) is an inhibitor of class I and II HDACs with noncompetitive effects and potent dose-dependent antitumor activity against breast cancer [84]. Notably, tubacin is a specific selective HDACi of class llb that can increase the extracellular release of extracellular vesicles (a cancer stem cell marker) in human FEMX-I metastatic melanoma and Caco-2 colorectal carcinoma cells [85]. MC1568 and MC1575 are derivatives of arylyl-pyrrole-hydroxyamide that are selective for class lla HDAC and HDAC6, respectively, and exhibit antiproliferative effects in estrogen receptor-positive breast cancer cells [86] and human melanoma cells [87]. Moreover, the HDAC6-selective inhibitor ricolinostat (ACY-1215) significantly inhibits GBM cell growth [88]. Meanwhile, newly developed HDACis shows promising prospects for tumor diagnosis and treatment. For example, IN2001 exhibits potential antitumor activity in human breast cancer cells [89], whereas AR-42 demonstrates potential in the diagnosis and treatment of meningiomas. Moreover, givinostat (ITF2357) exerts antitumor activity and selectively kills cancer cells in B-cell precursor acute lymphoblastic leukemia [90, 91]. Collectively, HDACis show considerable value in the diagnosis and treatment of various cancers.

Bromodomain and extraterminal domain (BET) proteins, including BRD2, BRD3, BRD4, and BRDT can recognize lysine acetylation that is closely associated with DNA replication, DNA damage repair, chromosomal remodeling, and oncogene transcription. Each BET family member contains two tandem N-terminal bromodomains (BD1 and BD 2 ) and an extra C -terminal domain that functions as a key epigenetic reader of oncogenic networks in various cancers [92]. BRD4 is considered a universal transcriptional regulator with enrichment on super-enhancers that drive the expression of cancer-specific genes [93]. Meanwhile, BET inhibitors are a new generation of selective anticancer drug that interfere with transcriptional initiation and elongation by blocking BET functions. BET inhibitors displace BRD4 from the regulatory region to inhibit gene expression, and the antitumor efficacy of BET family inhibitors is particularly promising for cancers with increased expression of oncogenic transcription factors, such as c-Myc.

BRD4 contributes to the maintenance of expression to promote the abnormal self-renewal of AML cells [94]. Meanwhile, JQ1 is a prototype BRD4 inhibitor with proven therapeutic benefits in MM [94], AML [95], diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) [96], prostate cancer [97], and breast cancer [98]. OTX015 (MK-8628) is a first-in-class BRD2/3/4 inhibitor that inhibits cell proliferation in hematological malignancies and neuroblastoma, and downregulates the expression of c-Myc, MYCN, and other oncogenes associated with super-enhancers [99, 100]. Furthermore, MS645 is a bivalent BRD4 inhibitor that suppresses the proliferation of triple-negative breast cancer cells by blocking the binding of BRD4 to MED1 and YY1 transcription factors [101]. ABBV-075 is a novel BET inhibitor that triggers apoptosis in AML cells, non-Hodgkin

acute myeloid leukemia, androgen receptor, -ALL B-cell precursor acute lymphoblastic leukemia, BET bromodomain and extraterminal domain, CTCL cutaneous T-cell lymphoma, CRC colorectal carcinoma, DLBCL diffuse large B-cell lymphoma, DNMT DNA methyltransferase, GBM glioblastoma, HDAC histone deacetylase, KDM lysine demethylase, KMT lysine methyltransferase, MM multiple myeloma, MLL mixed lineage leukemia, SCLC small cell lung cancer.
lymphoma, and MM cells [102], whereas ABBV-744 selectively targets the BD2 domain, displaces BRD4 from androgen receptor (AR)-containing super-enhancers, and inhibits AR-dependent transcription. This shows better antitumor activity than ABBV075 in a mouse xenograft model using human prostate cancer cells [103]. CC-90010 is another next-generation BET inhibitor with
encouraging antitumor activity in patients with advanced solid tumors [104]. The abundances of BRD2 and BRD4 are significantly increased in GBM. Therefore, treatment with BET protein inhibitor (I-BET151) inhibits GBM cell proliferation [105]. Moreover, OTX015 exhibits a higher antiproliferative effect than its analog (JQ1) in GBM cell lines [106]. Meanwhile, JQ1 and I-BET 762 effectively

CMML chronic myelomonocytic leukemia, CRC colorectal carcinoma, MDS myelodysplastic syndromes, MM multiple myeloma, T-ALL T-cell acute lymphoblastic leukemia.
interfere with multiple pathways associated with cell growth in pancreatic cancer [107]. Overall, the traditional small-molecule BRD4 inhibitor JQ1 and the newly developed BET inhibitors show promising results in various human cancers.

The past decade has seen tremendous progress in the characterization of the regulation of methyl modifications by KMTs and KDMs. Inhibitors of these two enzymes have also attracted much attention in the treatment of cancer. For instance, the effect of a LSD1/KDM1A selective inhibitor (ORY-1001) was evaluated in patients with blood disorders [104, 108]. BIX-01294 is a smallmolecule inhibitor of EHMT2 that inhibits cell proliferation and induces apoptosis of cancer cells in DLBCL [109] and human neuroblastoma [110]. Similarly, UNC0638 is a EHMT2 inhibitor that substantially reduces cell growth and induces apoptosis in nonSCLC cells [111]. The involvement of DOT1L in multiple cancer processes provides compelling support for its inhibition as a basis for targeted therapeutics against cancers. Pinometostat (EPZ5676) is a first-in-class small-molecule DOT1L inhibitor, for the treatment of adult acute leukemia [112]. EPZ004777 is another potent selective DOT1L inhibitor that selectively kills cells carrying MLL-associated gene translocation and prolongs survival in vitro [113]. Treatment with GSK126 (an EZH2 inhibitor) inhibits the growth of immune-deficient tumor cells [114]. In addition, smallmolecule EZH2 inhibitors eliminate tumor cell growth in diffuse intrinsic pontine glioma through a mechanism induced by the tumor suppressor protein, p16 [115]. These studies and clinical trials suggest that KDMs and KMTs inhibitors are prospective for cancer clinical diagnosis and treatment.

The two main challenges associated with epigenetic monotreatment are vulnerability to resistance and limited activity. This may be solved by combined therapies targeting different epigenetic markers. Most combination therapy clinical trials are ongoing, while some show encouraging results (Table 2).

DNMTis are highly selective for cancer-related genes, while certain HDAC inhibitors are nonselective. This suggests that combining these inhibitors will provide better therapeutic efficacy. Combinatorial therapy comprising vorinostat and AZA is more effective than monotherapy in MDS and chronic myelomonocytic leukemia (CMML) [116]. Meanwhile, combining DAC with KDM1A, EHMT2, or EZH2 inhibitors synergistically increases gene regulation while maintaining DAC selectivity compared to the combination of DAC with HDACi [70]. Moreover, the combined use of AZA with the HDACi, entinostat, significantly improves the antitumor activity of checkpoint inhibitors in computed tomography 26 (CT26) mice, a model of mismatch repair-proficient CRC [117]. Additionally, the combination of DNMTi and HDACi exerts a synergistic activating effect on silent tumor suppressor gene expression [118, 119]. Combination therapy of DNMTi and HDACi simultaneously induces the expression of major tumor suppressor genes in MM cells and inhibits the expression of key oncogenes, such as MYC and IRF4 [120]. Therefore, the combination of two inhibitors synergistically induces gene expression while maintaining selectivity to increase the likelihood of targeting specific tumor types based on gene expression profiles.

The combination of epigenetic therapy with other cancer treatments represents an effective therapeutic approach. Various epigenetic agents were combined with targeted drugs. For example, DNMTis can be combined with inhibitors targeting histone methylation to achieve synergistic effects that preferentially target cancer-associated genes [70]. ACY-1215 is a selective HDAC6 inhibitor showing promising preclinical interactions with bortezomib in MM [121]. Moreover, the combination of TSA and palladium nanoparticles synergistically increases the potential for successful treatment of cervical cancer [122]. Meanwhile, the
combination of JQ1 and -secretase inhibitors in the treatment of T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) counter the resistance to targeted therapy with -secretase inhibitors [123].

Epigenetic therapies can improve the efficacy of immune checkpoint therapies. Notably, epigenetic therapy may sensitize patients to the reversal of immune tolerance, while epigenetic and immunomodulatory combination therapy results in tumor DNA demethylation, increased RNA transcription, and immunomodulation [124]. In fact, DNMTis alter the expression patterns of genes associated with innate and adaptive immunity, and immune evasion in tumor tissues [125]. DNMTis also stimulate immune responses against cancers, resulting in their sensitization to immunotherapy. The combination of panobinostat (HDACi) with bortezomib (a proteasome inhibitor) and dexamethasone (an immunomodulatory drug) improves progression-free survival in patients with MM and is approved by the FDA [126]. Moreover, treatment with a combination of PD-1 blockers and DAC results in more significant tumor growth inhibition and prolonged survival in CT26 mice with CRC [127]. A phase II trial demonstrates that AZA and pembrolizumab elicit antitumor activity in some patients with MDS. Importantly, this combination therapy is relatively safe with controllable toxicity [128].

The approach of multi-target combination construction enhances the antitumor effect by simultaneously activating multiple anticancer pathways and is a potential alternative to combination therapy. Multi-target hybrid inhibitors concomitantly regulating two or more targets and inhibiting biochemically related targets improve the treatment response and drug resistance of tumor patients. C02S is a dual DNMT and HDAC inhibitor hybrid compound that exhibits significant enzymatic inhibitory activity against DNMT1, DNMT3A, DNMT3B and HDAC1. It induces the expression of p16, p21, and TIMP3 and causes DNA damage, while modulating multiple cancer markers and exerting tumor growth suppression in a mouse model of breast cancer [129]. A dual LSD1/HDAC co-inhibitor called corin has marked antiproliferative activity in melanoma cell lines and cutaneous squamous cell carcinoma cell lines [130]. Double hybrid molecule 5, targeting HDAC and EZH2 inhibits proliferation and kills cancer cells at low micromolar concentrations in several cancer cell types [131]. The epigenetic pharmacological strategies of drug mixtures acting on different biological pathways are emerging as a new approach towards modern cancer therapy.

“Precision medicine” is tailored to the individual medical or subgroup characteristics of each patient to achieve the highest possible therapeutic effect and minimize toxicity and side effects [132]. Notably, patients with the same gene variant can respond differently to treatments using the same drugs. Genetic and epigenetic diagnostic testing are required to establish the potential of personalized medicine. Epigenetic modifications and drug responses are mutually regulated. Thus, addressing the compatibility between epigenetic research and clinical applications is a major challenge in precision medicine.

Multi-omics and AI have highlighted the critical role of epigenetic mechanisms in cancer. They provide new opportunities to identify tumor epigenetic biomarkers for early screening, diagnosis, and the development of personalized treatment (Fig. 2).

The unique epigenetic pattern of chromatin drives cell-typespecific expression. Advances in NGS technologies facilitate the identification of complex epigenetic patterns specific to cancer cells and provide important insights to guide the identification of new therapeutic targets and predictive biomarkers. Moreover, genetic and epigenetic data, (including structural variations, gene expression profiles, DNA methylation patterns, histone modification profiles, and 3D structures of the cancer genome) are key factors in personalized medicine (Fig. 2A). Multi-omics
technologies that can profile genomics, transcriptomics, and 3D genomics and elucidate the interactions between genetic and epigenetic changes in cancer biology, are effective in precise disease management and prediction. Whole-genome and wholeexome sequencing can trace genomic variations in different tumors [133]. Meanwhile, RNA-seq can capture microarray transcription profiles and dissect tumor heterogeneity [134]. Currently, whole-genome bisulfite sequencing is the gold standard method for analyzing DNA methylation data on a genome-wide scale at single-base resolution [135]. Additionally, chromatin accessibility affects the DNA binding to transcription factors and regulatory elements. This provides important insights into the mechanisms by which cancer genomes are activated and silenced [136]. The assay for transposase-accessible chromatin using sequencing (ATAC-seq) can assess the chromatin accessibility landscape of primary human cancers [137]. Meanwhile, interference with the 3D structure of the genome can lead to ectopic oncogene activation by interacting with proximal or distant enhancers and promoter regions that initiate oncogene transcription. Thus, chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq) technology can be employed to identify activity enhancers and super-enhancers on a genome-wide scale based on H3K4me1 and H3K27ac histone markers, respectively [138]. Additionally, high-throughput genome-wide chromatin spatial capture (HiC) analysis can identify abnormal enhancer-promoter interactions throughout the tumor genome [139]. The rapid development of these technologies is conducive to defining the epigenomic panorama of cancer and facilitates further integration of epigenomic indicators in clinical applications. Indeed, the combination of epigenetic techniques with more commonly used platforms (such as whole-genome sequencing and RNA-seq) will provide comprehensive insights regarding genomic and epigenomic abnormalities in patients with cancer. Additionally, the application of multi-omics approaches to identify diagnostic biomarkers will improve therapeutic interventions by providing data for personalized treatment.

Al is a novel medical tool that includes machine and deep learning; its application significantly improves cancer-associated precision medicine (Fig. 2B). More specifically, AI can automate the initial image decoding process, quantify stained tumor slice images or radiological image features, accurately distinguish cancer cells from non-cancer cells, and identify the specific tumor shape, size, cancer subtype, and lesion spread [140]. Computeraided testing enables the systematic processing of tumor features (such as the detection of clustered microcalcifications in screening mammography) as an indicator of early-stage breast cancer [141, 142]. Deep neural networks are powerful algorithms with high precision in digital image processing to distinguish cancer cells from normal cells, and benign tissues from malignant tissues [143, 144]. Recently, the emerging field of “imaging genomics” has correlated radiographic features with biological data, including somatic mutations, gene expression, and chromosome copy numbers, among other molecular features. In particular, the deep neural network-based method of genome deep learning applies deep neural networks to genome point mutations to effectively analyze the relationship between genomic variation and phenotype [145]. Large consortia [including the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) and the Roadmap Epigenomics Project] can interpret a heterogeneous collection of thousands of epigenomic datasets in the field of epigenetics. In fact, numerous analyses were performed on different human cell types, with thousands of epigenomic measurements performed on every base pair in the human genome [146]. Subsequently, the Chromlmpute software and the PaRallel Epigenomics Data Imputation with Cloud-based Tensor Decomposition (PREDICTD) tool were combined to complement the large-scale mapping of epigenomic data and demonstrate the utility of tensor decomposition and cloud computing [147, 148]. Schreiber et al. proposed the multi-scale
machine learning model, Avocado, which is a combination of tensor factorization and deep neural networks that compresses epigenomic data into dense, information-rich representations [149]. Avocado outperforms models trained directly on epigenomic data in a variety of genomic tasks and achieves high precision predictions of gene expression and promoter-enhancer interactions, including frequently interacting regions in HiC data, replication time, and 3D chromatin structure. Al can detect small amounts of biomarkers, significantly improve early cancer diagnosis and personalize clinical care while aiding in the discovery of new anticancer drugs. The maturation of epigenomic analysis provides synergistic opportunities for Al-based imaging efforts [150]. In general, the application of AI in precision cancer diagnosis and treatment presents broad prospects, resulting in the development of intelligent cancer treatments.

The altered epigenome of tumor cells (including DNA methylation, histone tail modification, nucleosome localization, and abnormal patterns of 3D chromatin organization within the nucleus) are potentially effective biomarkers to detect cancer cells and classify tumor types. The development of various drugs targeting epigenetic modulators not only provide epigenetic-based therapies that are used to treat hematologic malignancies, but also demonstrate viable therapeutic potential for solid tumors in preclinical and clinical trials. Due to the limitations of epigenetic therapy in the treatment of solid tumors, potentially effective therapeutics for different malignancies (particularly combination strategies) deserve clinical consideration. Indeed, the cancer epigenome determines how cancer cells respond to therapeutic interventions; therefore, it is necessary to advance our understanding of the cancer epigenetics landscape as the clinical course of precision medicine is pursued. Advanced epigenetic therapy provides unique insights into various cancer treatment models that detect abnormal epigenetic changes. This represents an important step forward in the development of personalized precision diagnosis and malignant tumor treatment. New iterations of technology including (but not limited to) sequencing techniques and Al , and the continuous advancement of epigenetic therapies will open new avenues to establish precision diagnostics and therapeutics.

Further information on research design is available in the Nature Research Reporting Summary linked to this article.

We acknowledge all our colleagues whose important work could not be cited due to space limitations.

Anghui Peng was responsible for the literature writing and document retrieval in the manuscript. Xinyang Yu, Yihao Sun co-wrote the manuscript. Hao Zhao, Ruiqi Wang, Yingyin Chen revised the manuscript. Xumei Ouyang and Wenting Li prepared the
table and figures. Anghui Peng reviewed the manuscript and finally approved the version to be published.

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (32100561, 32100447). Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2020A1515110057, 2022A1515011932), and Xiangshan Talented Scientific Research Foundation of Zhuhai People’s Hospital (2020XSYC-03, 2020XSYC-07, 2021XSYC-02, 2020XSYC-10).

The authors declare no competing interests.

Supplementary information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/10.1038/s41420-024-01803-z.

Correspondence and requests for materials should be addressed to Yihao Sun or Anghui Peng.

Reprints and permission information is available at http://www.nature.com/ reprints

Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons license, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons license and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this license, visit http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024