清華新聞網(wǎng)5月15日電 液體活檢是近年來發(fā)展起來的新型無創(chuàng)診斷技術(shù),，可以實時動態(tài)地監(jiān)測人體的健康和疾病狀態(tài),。細胞游離RNA（cell-free RNA，cfRNA）由于具有高度的敏感性,、動態(tài)性和組織溯源能力,，為腫瘤、自身免疫疾病,、孕期疾病,、神經(jīng)退行性疾病等復雜性疾病的無創(chuàng)檢測帶來了新的希望。cfRNA廣泛存在于血液等多種人類體液中,，通常被包裹在細胞外囊泡（EV）中或與蛋白結(jié)合形成核糖核酸蛋白復合體（RNP）,。然而cfRNA本身高度碎片化、異質(zhì)性高且信噪比低（病灶來源的cfRNA占比低）,，為其靈敏識別和臨床應用帶來了諸多挑戰(zhàn),。另一方面，被核小體或轉(zhuǎn)錄因子保護的碎片化cfRNA的片段組學近年來已有很多研究的積累,，被證明在腫瘤診斷和預后等多個場景均有一定應用潛力,，而具有廣闊臨床應用前景的cfRNA中的片段化特征則由于生物信息學分析方法的缺乏很少被研究。
5月8日,，清華大學生命學院魯志團隊,、北京協(xié)和醫(yī)院李夢濤團隊,、北京口腔醫(yī)院秦力錚團隊的毛明惠在《基因組生物學》（Genome Biology）雜志上發(fā)表題為“細胞游離RNA峰值分析揭示具有臨床潛力的高頻保護的短片段區(qū)域”（Peak analysis of cell-free RNA finds recurrently protected narrow regions with clinical potential）的論文，開發(fā)了針對cfRNA數(shù)據(jù)的片段化分析方法cfPeak,，填補了cfRNA片段化分析的空白,，為cfRNA片段組學的發(fā)展鋪平了道路。
圖1. 文章主題概覽示意圖
魯志團隊多年來一直專注于cfRNA相關(guān)的技術(shù)開發(fā)和臨床應用研究,，在這項最新發(fā)表的工作中,，研究人員通過統(tǒng)計建模與機器學習方法開發(fā)了一個新型的生物信息學方法cfPeak，該方法在真實和模擬數(shù)據(jù)集中均表現(xiàn)出比其他峰值鑒定方法更敏銳的片段化峰區(qū)識別能力,。該研究為cfRNA片段組學的系統(tǒng)分析提供了可行方案,，揭示了cfRNA保護性片段在生物學及臨床應用中的重要意義。同時,，該研究還強調(diào)了低豐度,、潛在組織來源cfRNA信號在液體活檢中的臨床應用價值。
為了確認在體液細胞外數(shù)據(jù)中也可以檢測到穩(wěn)定的cfRNA信號,，研究人員對比了細胞內(nèi)CLIP-seq（CL-CLIP-seq）,、細胞內(nèi)小RNA-seq（CL-smRNA-seq）和細胞外小RNA-seq（CF-smRNA-seq）的讀段覆蓋圖譜。使用經(jīng)典的CLIPper工具進行傳統(tǒng)的峰值/峰區(qū)的識別/檢出,。在已知cfRNA種類的轉(zhuǎn)錄本中展示了四個示例區(qū)域（峰區(qū)所在轉(zhuǎn)錄本）,。總體上,，對于未捕獲或未免疫共沉淀的測序數(shù)據(jù),，如CL-和CF-smRNA-seq，不同轉(zhuǎn)錄本類型中均存在可穩(wěn)定識別的峰區(qū)信號,。
圖2.在細胞內(nèi)外的RNA測序數(shù)據(jù)中識別到長RNA前體上頻繁出現(xiàn)的碎片化信號峰區(qū)
考慮到本研究之前提到的不同工具的差異,，在使用傳統(tǒng)的峰區(qū)識別工具探索片段化cfRNA時，可能會面臨建模不恰當或參數(shù)不適合的風險,。為此，研究人員引入了信號峰區(qū)識別方法cfPeak來填補這一空白,。cfPeak借鑒了其他方法的多項優(yōu)點,，整體可分解為六個主要模塊（圖3A），并搭建了片段化cfRNA峰區(qū)分析的整個流程（圖3B）,。
為了在理想條件下更好地評估不同方法的性能和檢測極限,，研究人員還對血漿cfRNA的多組織來源特點進行了簡化和建模，將其視為由主要來源（如血細胞來源）和次要來源（如結(jié)腸組織/細胞來源）組成,，并人工生成了測試數(shù)據(jù)集（圖3C）,。研究人員進一步在該人工數(shù)據(jù)集中測試了cfPeak，發(fā)現(xiàn)其能夠更敏感地檢測到RNA混合物中次要來源的低豐度峰區(qū)（在50%,、5%和0.5%次要來源比例下的召回率分別為90%,、90%和70%）,，這些峰區(qū)在傳統(tǒng)方法中常被忽略或遺漏（圖3D）。
圖3.cfPeak的模塊和cfPeak-pipe的流程結(jié)構(gòu)以及在人工數(shù)據(jù)中的評測效果
在被應用到腫瘤液體活檢時,，cfPeak在體液數(shù)據(jù)中有效識別了與結(jié)直腸癌相關(guān)的cfRNA信號峰（圖4AB）,，并提供了有關(guān)實體瘤位點（圖4CD）和口腔癌轉(zhuǎn)移（圖4EF）的信息。臨床應用中的結(jié)果揭示了癌組織起源的低豐度cfRNA的重要性,，表明cfPeak具有在血漿樣本中識別出具有癌癥檢測,、癌種區(qū)分及轉(zhuǎn)移狀態(tài)指示能力的片段化cfRNA峰區(qū)信號的潛力。
圖4.cfPeak在幾種臨床場景中的應用
總的來說,，該研究通過建立cfPeak峰區(qū)識別方法和cfPeak-pipe分析框架,，填補了cfRNA片段化分析的空白，為體液cfRNA片段組學的科學發(fā)現(xiàn)及其在各類疾病檢測中的廣泛應用搭建了橋梁,。
魯志副教授,、李夢濤主任醫(yī)師、毛明惠主任醫(yī)師為論文通訊作者,；清華大學生命學院已畢業(yè)博士生鮑鵬飛,、北京大學前沿交叉學院2021級博士生王泰惟和清華大學生命學院已畢業(yè)博士生劉曉帆為論文共同第一作者。
研究得到來自國家重點研發(fā)計劃,、國家自然科學基金,、“生物信息學”教育部重點實驗室、“綠色生物制造”全國重點實驗室,、清華大學精準醫(yī)療研究院,、清華大學國強研究院、合肥綜合性國家科學中心大健康研究院等的支持,。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1186/s13059-025-03590-x
cfPeak代碼鏈接：
https://github.com/lulab/cfPeak
供稿：生命學院
編輯：李華山
審核：郭玲
