Chromatin solubility as a novel determinant of epigenome dysfunction in prostate cancer

Prostate cancer (PCa) is the second most recurrent male tumor, often characterized by an unfavorable outcome due to its high clinical and molecular heterogeneity and its frequent multifocality. Increasingly growing epigenetic research efforts are implicated in the detection of novel biomarkers improving PCa diagnosis and prognosis. Among the epigenetic layers, the chromatin nuclear architecture abides tight rules that ensure proper genome functions and cell identity maintenance, and its remodeling has emerged as a novel crucial player during malignant transformation. Yet, the occurrence and the functional implications of chromatin structural changes in cancer remains poorly characterized. We have recently developed a high-throughput sequencing based technique, named 4fSAMMY-seq (4 fractions Sequential Analysis of MacroMolecules accessibilitY), consisting of the sequential fractionation of the chromatin according to its accessibility and solubility status to isolate and characterize both heterochromatin and euchromatin. A key advantage of our method is that it only requires few thousands of living cells, making it suitable for analyses on limited materials as biopsy samples derived from clinical practice. In this study, we applied 4fSAMMY-seq on fresh biopsy specimens from patients undergoing explorative prostate mapping biopsy for prostate cancer diagnosis. We examined the genome conformation and its association with transcriptional profile in control tumor-free biopsies and prostate cancer biopsies. In bulk healthy tissues, containing a mix of epithelial cells, leukocytes and stroma, 4fSAMMY-seq allowed the detection of a conserved pattern of euchromatin and heterochromatin regions associated with the respective epigenetic signatures. We also found a quantitative correlation between chromatin solubility and gene expression. On the other hand, cancer biopsies are characterized by different degrees of genome architectural and transcriptome alterations, reflecting the heterogeneous nature of prostate tumors. On the basis of chromatin solubility, we identified a group of PCa tissues characterized by extensive chromatin remodeling and transcriptomic reprogramming involved in tumor migratory capacity. Our data highlight the impact of chromatin architecture on dysfunctional genome usage and propose 4fSAMMY-seq as an eligible tool to shed light on the epigenetic remodulations driving primary prostate tumor aggressiveness.

Il carcinoma prostatico (PCa) è il secondo tumore maschile più ricorrente, spesso caratterizzato da un esito sfavorevole a causa della sua elevata eterogeneità clinica e molecolare e della sua frequente multifocalità. Sempre più grandi sforzi della ricerca epigenetica si concentrano nel rilevamento di nuovi biomarcatori in grado di migliorare la diagnosi e la prognosi del PCa. Tra i livelli epigenetici, l'architettura nucleare della cromatina rispetta regole precise che garantiscono il corretto funzionamento del genoma e il mantenimento dell'identità cellulare, e il suo rimodellamento è emerso come un nuovo attore cruciale durante la trasformazione maligna. Tuttavia, l'occorrenza e le implicazioni funzionali dei cambiamenti strutturali della cromatina nel cancro rimangono scarsamente caratterizzate. Abbiamo recentemente sviluppato una tecnica basata sul sequenziamento ad alto rendimento, denominata 4fSAMMY-seq (4 fractions Sequential Analysis of MacroMolecules accessibilitY), consistente nel frazionamento sequenziale della cromatina in base al suo stato di accessibilità e solubilità che consente di isolare e caratterizzare sia l'eterocromatina che l'eucromatina. Un vantaggio chiave della nostra tecnologia è che richiede solo poche migliaia di cellule viventi, rendendola adatta per analisi su materiali limitati come campioni bioptici derivati dalla pratica clinica. In questo lavoro, abbiamo applicato 4fSAMMY-seq su campioni bioptici freschi di pazienti sottoposti a mappatura esplorativa della prostata per la diagnosi di cancro alla prostata. Abbiamo esaminato la conformazione del genoma e la sua associazione con il profilo trascrizionale nelle biopsie di controllo prive di tumore e in quelle del cancro alla prostata. Nei tessuti sani “bulk”, contenenti un mix di cellule epiteliali, leucociti e stroma, 4fSAMMY-seq ha consentito l’identificazione di un pattern conservato di regioni di eucromatina ed eterocromatina associate alle rispettive signatures epigenetiche. Abbiamo anche trovato una correlazione quantitativa tra la solubilità della cromatina e l’espressione genica. Contrariamente, le biopsie di cancro sono caratterizzate da diversi gradi di alterazioni dell'architettura del genoma e del trascrittoma, riflettendo la natura eterogenea dei tumori della prostata. Sulla base della solubilità della cromatina, abbiamo identificato un gruppo di tessuti PCa caratterizzati da un ampio rimodellamento della cromatina e da una riprogrammazione trascrittomica coinvolta nella capacità migratoria del tumore. I nostri dati evidenziano l'impatto dell'architettura della cromatina sull'utilizzo disfunzionale del genoma e propongono 4fSAMMY-seq come strumento idoneo a far luce sulle rimodulazioni epigenetiche che guidano l'aggressività del tumore prostatico primario.