Epigenetic analysis of cell-free DNA by fragmentomic profiling

CpG站点 甲基化 DNA甲基化 胞嘧啶 劈理(地质) 分子生物学 照明菌甲基化试验 鸟嘌呤 亚硫酸氢盐测序 DNA 生物 化学 核苷酸 遗传学 基因 基因表达 古生物学 断裂(地质)
作者
Qing Zhou,Guannan Kang,Peiyong Jiang,Rong Qiao,Wah‐Kit Lam,Stephanie C Y Yu,L Mary-Jane,Junyan Lu,Suk Hang Cheng,Wanxia Gai,Wenlei Peng,Huimin Shang,Rebecca Wing-Yan Chan,Stephen L. Chan,Grace Lai Hung Wong,Linda T. Hiraki,Stefano Volpi,Vincent Wai‐Sun Wong,John Wong,Rossa W.K. Chiu,K.C. Allen Chan,Y.M. Dennis Lo
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:119 (44) 被引量:16
标识
DOI:10.1073/pnas.2209852119
摘要

Cell-free DNA (cfDNA) fragmentation patterns contain important molecular information linked to tissues of origin. We explored the possibility of using fragmentation patterns to predict cytosine-phosphate-guanine (CpG) methylation of cfDNA, obviating the use of bisulfite treatment and associated risks of DNA degradation. This study investigated the cfDNA cleavage profile surrounding a CpG (i.e., within an 11-nucleotide [nt] window) to analyze cfDNA methylation. The cfDNA cleavage proportion across positions within the window appeared nonrandom and exhibited correlation with methylation status. The mean cleavage proportion was ∼twofold higher at the cytosine of methylated CpGs than unmethylated ones in healthy controls. In contrast, the mean cleavage proportion rapidly decreased at the 1-nt position immediately preceding methylated CpGs. Such differential cleavages resulted in a characteristic change in relative presentations of CGN and NCG motifs at 5' ends, where N represented any nucleotide. CGN/NCG motif ratios were correlated with methylation levels at tissue-specific methylated CpGs (e.g., placenta or liver) (Pearson's absolute r > 0.86). cfDNA cleavage profiles were thus informative for cfDNA methylation and tissue-of-origin analyses. Using CG-containing end motifs, we achieved an area under a receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.98 in differentiating patients with and without hepatocellular carcinoma and enhanced the positive predictive value of nasopharyngeal carcinoma screening (from 19.6 to 26.8%). Furthermore, we elucidated the feasibility of using cfDNA cleavage patterns to deduce CpG methylation at single CpG resolution using a deep learning algorithm and achieved an AUC of 0.93. FRAGmentomics-based Methylation Analysis (FRAGMA) presents many possibilities for noninvasive prenatal, cancer, and organ transplantation assessment.
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