Nature Cancer | 結合WGS、RNA-seq、DNA甲基化的多組學分析揭示胃癌腹膜轉(zhuǎn)移...
胃癌是全球癌癥相關性死亡的第三大原因，其中腹膜轉(zhuǎn)移和惡性腹水是晚期胃癌患者最常見的死亡原因，尤其是難治性彌漫型胃癌（DGC）。研究人員利用下一代測序揭示了胃癌基因組中的一些基因改變?yōu)榭故荏w酪氨酸蛋白激酶erbB-2（ERBB2）治療或免疫檢查點治療提供了一條可能的途徑。但分子靶向治療的臨床應用僅限于一小部分患者受益。目前尚無DGC特效療法。一方面是因為這類腫瘤中富含基質(zhì)，難以精確分析癌細胞的轉(zhuǎn)錄組學、表觀遺傳學和基因組改變，也就無法確定分子亞型和治療靶點；另一方面是目前只有極少數(shù)DGC細胞系可用，無法廣泛開展DGC細胞系的藥物試驗。
近日，來自日本國家癌癥中心研究所的Hiroyuki Mano研究團隊首次應用多組學全面描繪了胃癌腹膜轉(zhuǎn)移的分子圖譜，并在Nature Cancer雜志上發(fā)表了題為“Multi-omic profiling of peritoneal metastases in gastric cancer identifies molecular subtypes and therapeutic vulnerabilities”的研究文章。研究團隊對來自98名患者的惡性腹水樣本及相應的腫瘤細胞系進行了全基因組測序（WGS）、RNA測序（RNA-seq）、DNA甲基化和增強子圖譜分析。結果發(fā)現(xiàn)，DGC可分為兩種不同的分子亞型。其中一種亞型中，TEAD通路的抑制可規(guī)避治療耐藥性，有望開發(fā)針對該亞型難治性胃癌的潛在分子指導治療策略。文章發(fā)表在Nature Cancer上
研究團隊利用76名DGC患者的腹水樣本純化了腫瘤細胞，并基于59例惡性腹水樣本建立了胃癌細胞系（圖1a）。通過三種互補的驅(qū)動基因檢測算法，研究團隊對來自98名患者的233個樣本（76個純化腫瘤細胞樣本、98名匹配的PBMC樣本和59個細胞系）鑒定了正選擇的單核苷酸變體（SNV）（圖1b）。結果顯示，CDH1、TP53、ARID1A、RHOA、KRAS和PIGR被確定為所有三種算法支持的重要驅(qū)動基因。此外，檢測數(shù)據(jù)集的突變特征揭示了六個獨特的單堿基替換（SBS） 特征。圖1.胃癌伴惡性腹水的分子改變圖譜。來源：Nature Cancer編碼聚合物免疫球蛋白受體的PIGR被證明是胃癌的強大驅(qū)動因素，并且在統(tǒng)計上得到了三個算法的支持。PIGR的表達受白細胞介素-17、Toll樣受體和核因子-κB輕鏈增強子途徑的調(diào)節(jié)。研究團隊在樣本中檢測到三種途徑相關基因的體細胞突變（圖2a）：5個移碼突變，3個無義突變，1個剪接位點突變（圖2b）。PIGR突變在癌癥基因組圖譜（TGCA）數(shù)據(jù)庫中也得到了驗證：多數(shù)是截斷突變。以上數(shù)據(jù)表明，PIGR是一種積極作用于DGC進展的腫瘤抑制基因。圖2.從腹水和患者來源細胞系純化的腫瘤細胞中的驅(qū)動基因改變。來源：Nature Cancer
基于基因表達譜，研究人員基于層次聚類將59個胃癌細胞系分成兩個不同的簇（圖3a）。兩組間表達差異最大的基因集與上皮細胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）有關（圖3b）?？紤]到TGF-β信號在EMT中的突出作用，研究團隊檢測了參與TGF-β通路的基因表達。如圖3c所示，EMT組SMAD3/7和TGF-β受體配體的表達顯著升高。隨后，研究團隊分析了TGF-β1/2蛋白是否直接從胃癌細胞產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)TGF-β1在胃癌細胞培養(yǎng)物的上清液中含量豐富（圖3d）。由于TGF-β通路可能對癌癥生長產(chǎn)生積極或消極影響，研究人員評估了該配體表達是否發(fā)揮促腫瘤發(fā)生作用或抗腫瘤作用。結果顯示，TGF-β1僅在非EMT組中的細胞系中抑制生長，但不影響EMT組中細胞系生長（圖3d）?？傮w而言，EMT組的體細胞突變數(shù)量顯著低于非EMT組。圖3.GC中EMT簇伴腹膜轉(zhuǎn)移。來源：Nature CancerEMT和非EMT組之間的基因集富集分析（GSEA）顯示，基因集YAP_CONSERVED_SIGNATUR和GO_HIPPO_SIGNALING在EMT組中富集（圖4a，b）。TEAD1、TEAD2、TEAD4和WWTR1在EMT細胞系中顯著過表達（圖4c）。在EMT組中，TEAD1、SMAD3和 pSMAD3的蛋白質(zhì)水平在兩種細胞系（圖4d）中均增加。在EMT組的原代組織中也觀察到SMAD3和TEAD1蛋白的上調(diào)（圖4e）。癌細胞系百科全書（CCLE）數(shù)據(jù)庫中細胞系的表達譜揭示了SMAD3的表達水平并且參與YAP-TEAD途徑的基因在包括GC細胞系在內(nèi)的所有癌細胞系中都成比例，在EMT組細胞系中很明顯（圖4f）。圖4.EMT簇中YAP–TAZ–TEAD通路的激活。來源：Nature Cancer研究團隊在44個細胞系中對組蛋白H3的乙?；嚢彼?H3K27ac)進行了ChIP-seq分析。由于癌細胞經(jīng)常依賴超級增強子（SE）構成的轉(zhuǎn)錄回路，研究人員分析了SE的存在，確定了EMT/非EMT組特定的SE（圖5a、b）。有趣的是，EMT組和非EMT組中的關鍵轉(zhuǎn)錄因子完全不同。SMAD3是EMT組核心調(diào)控回路中唯一的主要轉(zhuǎn)錄因子，其次是RUNX1、BHLHE40和TEAD1轉(zhuǎn)錄因子（圖5c）。44個胃癌細胞系的全基因組甲基化分析顯示EMT組中有216個甲基化位點，非EMT組中有359個甲基化位點（圖5d）。這些基因參與EMT過程或Hippo途徑，并且在EMT組中高表達，其甲基化和基因表達水平呈負相關（圖5e）。圖5.胃癌腹膜轉(zhuǎn)移的表觀遺傳控制。來源：Nature Cancer
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