撰文：榴蓮不酥
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1. 使用概括轉(zhuǎn)移性前列腺癌異質(zhì)性的類器官、PDX和細(xì)胞系的多種生物庫，創(chuàng)建了去勢抵抗性前列腺癌（CRPC）的染色質(zhì)可及性和轉(zhuǎn)錄組景觀圖。
2. 展示了如何使用轉(zhuǎn)錄組將CRPC 患者分層為四種亞型，從而可能為適當(dāng)?shù)呐R床決策提供信息。
2022年5月27日，在Science雜志上發(fā)表了一篇名為“Chromatin profiles classify castration-resistant prostate cancers suggesting therapeutic targets”的文章，驗(yàn)證了AP-1與YAP/TAZ和TEAD蛋白之間的相互作用，以維持亞型特異性染色質(zhì)的可及性和轉(zhuǎn)錄組景觀。這種分子分類共同揭示了藥物靶標(biāo)，并可以潛在地指導(dǎo)治療決策。
未經(jīng)處理的前列腺癌依賴于雄激素受體（AR）信號傳導(dǎo)生長和生存，為雄激素剝奪治療（ADT）的初始功效構(gòu)成了基礎(chǔ)。然而，該疾病可以復(fù)發(fā)并發(fā)展為致命的階段，稱為CRPC。AR信號的重新激活代表了CRPC生長的最常見驅(qū)動力，而下一代AR信號抑制劑（ARSI）現(xiàn)在與ADT一起用作一線治療。但是，ARSIS也會導(dǎo)致選擇性壓力，從而產(chǎn)生非AR依賴性腫瘤。CRPC中的機(jī)理研究受到概括疾病譜系的遺傳定義的患者衍生模型的限制。為了解決這個問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了由患者活檢產(chǎn)生的類器官的生物組，以研究轉(zhuǎn)移性CRPC的景觀并允許進(jìn)行功能驗(yàn)證測定法。
染色質(zhì)可及性景觀揭示了轉(zhuǎn)移性前列腺癌的四個分子亞型
研究團(tuán)隊(duì)對35個轉(zhuǎn)移性前列腺癌模型進(jìn)行了ATAC-SEQ（轉(zhuǎn)座酶可訪問染色質(zhì)測序的測定）測定法，包括22種患者衍生的類器官，6個患者衍生的異種移植物（PDX）和7個細(xì)胞系（每種生物學(xué)重復(fù)）?？傮w而言，研究團(tuán)隊(duì)確定了861,195個可再現(xiàn)峰。大多數(shù)ATAC-SEQ峰映射到遠(yuǎn)端基因間和內(nèi)含子區(qū)域，類似于其他組的報(bào)告。使用其他方法獲得了相同的四組，例如分層聚類和UMAP（均勻的歧管近似和投影）。為了進(jìn)一步的生物學(xué)表征，研究團(tuán)隊(duì)將ATAC-SEQ數(shù)據(jù)與RNA-Seq和DNA測序數(shù)據(jù)集成在一起。圖1：將轉(zhuǎn)移性前列腺癌分類為染色質(zhì)可及性的四個分子亞型
在四個CRPC亞型中的基因組表征和腫瘤抑制子的喪失
接下來，研究團(tuán)隊(duì)使用UMAP分析了40個樣品的轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)簇與使用ATAC-SEQ識別的亞型一致?；蚣患治觯?/span>GSEA）和選擇性標(biāo)記基因表達(dá)用于命名四個亞型，（i）CRPC-AR；（ii）CRPC-WNT；（iii）CRPC-NE；（iv）CRPC-SCL。
CRPC-AR中的樣品富含AR擴(kuò)增和/或AR突變。在CRPC-WNT中，所有四個樣品均顯示Wnt信號通路的改變。三個CRPC-WNT樣品在CTNNB1（β-catenin）中顯示了熱點(diǎn)突變。腫瘤抑制劑TP53、PTEN和RB1的喪失與CRPC中的譜系可塑性和攻擊性疾病有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)TP53是最常見的突變基因， RB1和PTEN分別在20％和43％的樣品中具有雙重變化?？傮w而言，與CRPC-AR相比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ar-Con/Low樣品中RB1損失的富集；CRPC-AR和其他人之間的PTEN和TP53改變沒有統(tǒng)計(jì)差異。 AR非依賴性CRPC的預(yù)后較差，因此這些結(jié)果與最近的研究一致，表明RB1改變，而不是TP53和PTEN改變與CRPC中較短的生存有關(guān)。這進(jìn)一步凸顯了轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳分析在定義CRPC亞型中的重要性。圖2：由ATAC-SEQ定義的四個CRPC亞型的轉(zhuǎn)錄組和基因組表征
監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和關(guān)鍵TFS的識別
為了識別驅(qū)動亞型特異性轉(zhuǎn)錄組的關(guān)鍵TF，研究團(tuán)隊(duì)首先鑒定了針對給定樣品中大量基因的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的集線器。通過集成ATAC-SEQ和RNA-SEQ數(shù)據(jù)構(gòu)建了調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，并基于ATAC-SEQ峰處的染色質(zhì)訪問性與±0.5 MB內(nèi)基因表達(dá)之間的相關(guān)性構(gòu)建了峰值鏈接。為了發(fā)現(xiàn)可訪問區(qū)域中的TF-DNA結(jié)合位點(diǎn)，他們使用了一種稱為Hint-ATAC的足跡方法和一個由CIS-BPS的809 TF的序列結(jié)合基序的集合集合。通過結(jié)合峰值基因和TF-peak鏈接，構(gòu)建了TF基因鏈接并生成了樣品特異性的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。
接下來，研究團(tuán)隊(duì)將每個亞型的關(guān)鍵TFS鑒定為基因調(diào)節(jié)層次結(jié)構(gòu)頂部的密鑰。每個TF根據(jù)三個指標(biāo)的組合進(jìn)行排名：（i）其微分出度O_diff，（ii）其主題A_DIFF的差異染色質(zhì)可訪問性和（iii）的差異基因表達(dá)E_DIFF在給定的亞型相對于其他亞型。他們根據(jù)三個指標(biāo)獨(dú)立地將排名分配給TFS，并將三個等級加起來以獲得最終的TF_RANK。圖3：識別每個亞型的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（TFS）
使用四個亞型的轉(zhuǎn)錄組特征對CRPC患者進(jìn)行分類
接下來，研究團(tuán)隊(duì)檢查了來自366名CRPC患者的RNA-SEQ數(shù)據(jù)集，以將每個患者分配給四個亞型?；蚪M改變，標(biāo)記基因表達(dá)和病理分析提供了患者分類的驗(yàn)證。與其他組相比，CRPC-AR患者顯示出AR擴(kuò)增的富集，并且具有更高的AR表達(dá)和AR評分。與其他人相比，CRPC-NE患者的SYP表達(dá)和NE評分更高。該類別中的大多數(shù)患者也被診斷為基于組織學(xué)分析的小細(xì)胞、NEPC或腺癌具有NE特征的小細(xì)胞。在 266 名 SU2C 患者中，56 名擁有下一代 ARSI 恩雜魯胺和醋酸阿比特龍的治療時間數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，被歸類為CRPC-SCL的患者使用COX Log-Rank統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在ARSI治療上表現(xiàn)出較短的時間，表明ARSI治療對CRPC-SCL患者的有效性較低。分類為CRPC-SCL的患者比例是聯(lián)合SU2C和WCM隊(duì)列中的第二大。因此，他們進(jìn)一步探索了該亞型中的樣品。并專注于MSKPCA3，一種AR-LOW類器官和DU145，即AR-Cell系，作為用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的CRPC-SCL模型。圖4：使用四個亞型的轉(zhuǎn)錄組特征對CRPC患者進(jìn)行分類
為了進(jìn)一步研究AP-1對CRPC-SCL樣品的調(diào)節(jié)，他們研究了從染色質(zhì)可及性概況中鑒定出的其他頂級TF。從ATAC-SEQ數(shù)據(jù)和已發(fā)表的文獻(xiàn)中，他們假設(shè)YAP、TAZ、TEAD和AP-1（FOSL1）可以共同起作用以促進(jìn)CRPC-SCL腫瘤的致癌生長。為了驗(yàn)證AP-1（FOSL1），TEAD，YAP和TAZ的共同結(jié)合，他們在MSKPCA3和DU145中進(jìn)行了ChIP-Seq。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在MSKPCA3和DU145中，這些蛋白質(zhì)的芯片序列之間的重疊顯著富集，指向它們的結(jié)合。所有這四種蛋白質(zhì)的ChIP-Seq峰都表現(xiàn)出與CRPC-SCL ATAC-SEQ峰的大重疊，但幾乎沒有CRPC-AR峰。相應(yīng)地，他們還觀察到相對于其他三個亞型的CRPC-SCL特異性ATAC-SEQ峰上的ChIP-Seq信號強(qiáng)烈富集。作為陰性對照，與CRPC-SCL相比，它們在CRPC-AR峰上顯示出更大的重疊和信號富集的趨勢與CRPC-SCL相反。圖5：AP-1與CRPC-SCL中的YAP、TAZ和TEAD一起發(fā)揮作用
FOSL1和YAP/TAZ的敲低顯示對染色質(zhì)的可及性和基因表達(dá)的影響
研究團(tuán)隊(duì)用FOSL1、YAP、TAZ和YAP/TAZ一起在MSKPCA3細(xì)胞中進(jìn)行了ATAC-SEQ和RNA-SEQ。結(jié)果觀察到在CRPC-SCL特異性開放染色質(zhì)位點(diǎn)以及在FOSL1、TEAD、TEAD、YAP和TAZ綁定的區(qū)域上，從FOSL1、YAP、YAP和YAP/TAZ敲除區(qū)域綁定的區(qū)域顯著降低了染色質(zhì)的可及性。該信號在FOSL1和Double YAP/TAZ敲低時最強(qiáng)，并突出了它們在維持CRPC-SCL組的染色質(zhì)可及性景觀方面的重要作用。與ATAC-SEQ結(jié)果一致，發(fā)現(xiàn)在所有敲低測定中RNA-Seq數(shù)據(jù)中YAP/TAZ靶標(biāo)的下調(diào)。YAP和TAZ的雙重敲低表現(xiàn)出對規(guī)范下游靶標(biāo)和細(xì)胞周期調(diào)節(jié)基因CCND1的更強(qiáng)抑制作用，已報(bào)道為YAP/TAZ靶標(biāo)在各種模型系統(tǒng)，相對于YAP或TAZ的個體敲低。
YAP/TAZ和FOSL1之間的積極反饋回路
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，YAP/TAZ雙重敲低導(dǎo)致MSKPCA3和DU145的RNA和蛋白質(zhì)水平在RNA和蛋白水平上引起FOSL1的強(qiáng)大耗竭。此外，在他們針對CRPC-SCL樣品的監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)中，FOSL1被預(yù)測為FOS/JUN本身和TEAD的目標(biāo)，Tead在他們建議的模型中與FOSL1合作，類似于其他癌癥的觀察結(jié)果。使用CHIP-SEQ數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)CRPC-SCL特異性FOSL1增強(qiáng)子由TEAD、YAP、TAZ和FOSL1結(jié)合。結(jié)果共同表明，YAP、TAZ、TEAD和FOSL1增加了FOSL1本身的表達(dá)，形成了一個正反饋回路以進(jìn)一步開放染色質(zhì)。圖6：FOSL1、YAP、TAZ和YAP/TAZ敲除的影響
FOSL1的外源表達(dá)改變了CRPC-AR到CRPC-SCL的染色質(zhì)的可及性和基因表達(dá)
為了確定FOSL1是否可以改變?nèi)旧|(zhì)的可及性景觀并激活CRPC-SCL特征，研究團(tuán)隊(duì)單獨(dú)表達(dá)了FOSL1或與LNCAP細(xì)胞中的YAP或TAZ結(jié)合使用。觀察到在CRPC-SCL特異性開放式染色質(zhì)位點(diǎn)的染色質(zhì)可及性在所有分析中具有FOSL1的外源表達(dá)，提供了其作為潛在譜系可塑性中的開創(chuàng)性因子的作用的證據(jù)。還觀察到在所有FOSL1過表達(dá)測定中，在CRPC-AR特異性開放式染色質(zhì)位點(diǎn)上的染色質(zhì)可及性降低，進(jìn)一步指向譜系轉(zhuǎn)化。 RNA-seq結(jié)果與ATAC-SEQ結(jié)果一致，我們觀察到具有FOSL1過表達(dá)的CRPC-SCL特征基因的顯著上調(diào)，無論是單獨(dú)或YAP或TAZ。
YAP/TAZ途徑富含CRPC-SCL患者
最后，研究團(tuán)隊(duì)檢查了來自SU2C和WCM的CRPC患者的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中的YAP/TAZ活性。 CRPC-SCL患者相對于所有樣品的YAP/TAZ途徑活性顯著較高。他們還觀察到所有SU2C樣品中AR表達(dá)與YAP/TAZ途徑活性之間存在顯著的負(fù)相關(guān)性。圖7：AP-1、YAP和TAZ在過表達(dá)、小分子抑制和患者轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)中作用的證據(jù)
總體而言，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)展示了如何使用轉(zhuǎn)錄組特征將 CRPC 患者分層為四種亞型的方法可能為適當(dāng)?shù)呐R床決策提供信息。
作者介紹
Ekta Khurana博士，計(jì)算生物醫(yī)學(xué)研究所計(jì)算基因組學(xué)副教授，梅耶癌癥中心遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)項(xiàng)目的聯(lián)合負(fù)責(zé)人，計(jì)算生物學(xué)和醫(yī)學(xué)三機(jī)構(gòu)博士項(xiàng)目副主任。研究興趣屬于基因組學(xué)、計(jì)算生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的廣泛類別。參與了多個國際基因組學(xué)聯(lián)盟，并與威爾康奈爾大學(xué)的科學(xué)家合作，開發(fā)新的方法來了解序列變異在人類疾病中的作用。開發(fā)了多種計(jì)算方法（例如，FunSeq 和RegNetDriver），整合了來自多種資源的大規(guī)模數(shù)據(jù)，以識別導(dǎo)致人類疾?。ㄓ绕涫前┌Y）的蛋白質(zhì)編碼基因和非編碼調(diào)控區(qū)域中的 DNA 點(diǎn)突變和重排。
參考文獻(xiàn)
Tang F, Xu D, Wang S, et al. Chromatin profiles classify castration-resistant prostate cancers suggesting therapeutic targets. Science. 2022 May 27;376(6596):eabe1505. doi: 10.1126/science.abe1505. Epub 2022 May 27. PMID: 35617398.
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