Epigenetic reprogramming using DNA demethylating drugs is a promising approach for cancer therapy, but its efficacy is highly dependent on the dosing regimen. Low-dose treatment for a prolonged period shows a remarkable therapeutic efficacy, despite its small demethylating effect. Here, we aimed to explore the mechanisms of how such low-dose treatment shows this remarkable efficacy by focusing on epigenetic reprograming at the single-cell level. Expression profiles in HCT116 cells treated with decitabine (DAC) were analyzed by single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq). Functional consequences and DNA demethylation at the single-cell level were analyzed using cloned HCT116 cells after DAC treatment. scRNA-seq revealed that DAC-treated cells had highly diverse expression profiles at the single-cell level, and tumor-suppressor genes, endogenous retroviruses, and interferon-stimulated genes were upregulated in random fractions of cells. DNA methylation analysis of cloned HCT116 cells revealed that, while only partial reduction of DNA methylation levels was observed in bulk cells, complete demethylation of specific cancer-related genes, such as cell cycle regulation, WNT pathway, p53 pathway, and TGF-β pathway, was observed, depending upon clones. Functionally, a clone with complete demethylation of CDKN2A (p16) had a larger fraction of cells with tetraploid than parental cells, indicating induction of cellular senescence due to normalization of cell cycle regulation. Epigenetic reprogramming of specific cancer-related pathways at the single-cell level is likely to underlie the remarkable efficacy of low-dose DNA demethylating therapy.

中文翻译：

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低剂量 DNA 去甲基化疗法可在单细胞水平诱导多种癌症相关通路的重编程。

使用 DNA 去甲基化药物进行表观遗传重编程是一种很有前景的癌症治疗方法，但其疗效高度依赖于给药方案。尽管其去甲基化作用很小，但长时间的低剂量治疗显示出显着的治疗效果。在这里，我们旨在通过关注单细胞水平的表观遗传重编程来探索这种低剂量治疗如何显示出这种显着疗效的机制。通过单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 分析了用地西他滨 (DAC) 处理的 HCT116 细胞中的表达谱。使用 DAC 处理后的克隆 HCT116 细胞分析单细胞水平的功能后果和 DNA 去甲基化。scRNA-seq 显示 DAC 处理的细胞在单细胞水平上具有高度多样化的表达谱，肿瘤抑制基因，内源性逆转录病毒和干扰素刺激的基因在细胞的随机部分中被上调。克隆 HCT116 细胞的 DNA 甲基化分析表明，虽然在大块细胞中仅观察到 DNA 甲基化水平的部分降低，但特定癌症相关基因（如细胞周期调节、WNT 通路、p53 通路和 TGF-β 通路）的完全去甲基化，观察到，取决于克隆。在功能上，CDKN2A (p16) 完全去甲基化的克隆具有比亲本细胞更大比例的四倍体细胞，表明由于细胞周期调节的正常化而诱导细胞衰老。在单细胞水平上特定癌症相关通路的表观遗传重编程可能是低剂量 DNA 去甲基化治疗显着疗效的基础。和干扰素刺激的基因在细胞的随机部分中上调。克隆 HCT116 细胞的 DNA 甲基化分析表明，虽然在大块细胞中仅观察到 DNA 甲基化水平的部分降低，但特定癌症相关基因（如细胞周期调节、WNT 通路、p53 通路和 TGF-β 通路）的完全去甲基化，观察到，取决于克隆。在功能上，CDKN2A (p16) 完全去甲基化的克隆具有比亲本细胞更大比例的四倍体细胞，表明由于细胞周期调节的正常化而诱导细胞衰老。在单细胞水平上特定癌症相关通路的表观遗传重编程可能是低剂量 DNA 去甲基化治疗显着疗效的基础。和干扰素刺激的基因在细胞的随机部分中上调。克隆 HCT116 细胞的 DNA 甲基化分析表明，虽然在大块细胞中仅观察到 DNA 甲基化水平的部分降低，但特定癌症相关基因（如细胞周期调节、WNT 通路、p53 通路和 TGF-β 通路）的完全去甲基化，观察到，取决于克隆。在功能上，CDKN2A (p16) 完全去甲基化的克隆具有比亲本细胞更大比例的四倍体细胞，表明由于细胞周期调节的正常化而诱导细胞衰老。在单细胞水平上特定癌症相关通路的表观遗传重编程可能是低剂量 DNA 去甲基化治疗显着疗效的基础。克隆 HCT116 细胞的 DNA 甲基化分析表明，虽然在大块细胞中仅观察到 DNA 甲基化水平的部分降低，但特定癌症相关基因（如细胞周期调节、WNT 通路、p53 通路和 TGF-β 通路）的完全去甲基化，观察到，取决于克隆。在功能上，CDKN2A (p16) 完全去甲基化的克隆具有比亲本细胞更大比例的四倍体细胞，表明由于细胞周期调节的正常化而诱导细胞衰老。在单细胞水平上特定癌症相关通路的表观遗传重编程可能是低剂量 DNA 去甲基化治疗显着疗效的基础。克隆 HCT116 细胞的 DNA 甲基化分析表明，虽然在大块细胞中仅观察到 DNA 甲基化水平的部分降低，但特定癌症相关基因（如细胞周期调节、WNT 通路、p53 通路和 TGF-β 通路）的完全去甲基化，观察到，取决于克隆。在功能上，CDKN2A (p16) 完全去甲基化的克隆具有比亲本细胞更大比例的四倍体细胞，表明由于细胞周期调节的正常化而诱导细胞衰老。在单细胞水平上特定癌症相关通路的表观遗传重编程可能是低剂量 DNA 去甲基化治疗显着疗效的基础。观察到特定癌症相关基因的完全去甲基化，例如细胞周期调节、WNT 途径、p53 途径和 TGF-β 途径，这取决于克隆。在功能上，CDKN2A (p16) 完全去甲基化的克隆具有比亲本细胞更大比例的四倍体细胞，表明由于细胞周期调节的正常化而诱导细胞衰老。在单细胞水平上特定癌症相关通路的表观遗传重编程可能是低剂量 DNA 去甲基化治疗显着疗效的基础。观察到特定癌症相关基因的完全去甲基化，例如细胞周期调节、WNT 途径、p53 途径和 TGF-β 途径，这取决于克隆。在功能上，CDKN2A (p16) 完全去甲基化的克隆具有比亲本细胞更大比例的四倍体细胞，表明由于细胞周期调节的正常化而诱导细胞衰老。在单细胞水平上特定癌症相关通路的表观遗传重编程可能是低剂量 DNA 去甲基化治疗显着疗效的基础。表明由于细胞周期调节的正常化而诱导细胞衰老。在单细胞水平上特定癌症相关通路的表观遗传重编程可能是低剂量 DNA 去甲基化治疗显着疗效的基础。表明由于细胞周期调节的正常化而诱导细胞衰老。在单细胞水平上特定癌症相关通路的表观遗传重编程可能是低剂量 DNA 去甲基化治疗显着疗效的基础。