Nat Cancer | 多组学整合发现肿瘤转移微环境和表观遗传驱动因素

炫炫

原创 夏天 图灵基因 2023-01-11 16:34 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学机制




撰文：夏天
IF=38.585
推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐
亮点：
1、本项回顾性研究将对转移性乳腺肿瘤的体细胞遗传学变化扩展到表观遗传学景观。确定了一个关键表观遗传机制，即通常在基底样/TNBC转移疾病中，HLA-A和HLA-A局灶缺失的DNA甲基化可导致HLA-A表达降低和相关的免疫细胞特征表达降低。
2、通过系统筛选转移相关的DNA甲基化变化，发现了导致转移性肿瘤中JAM3表达下调的机制，即ESR1远端结合位点的DNA低甲基化和基因启动子的DNA高甲基化。
3、本文提出的转移性疾病的多平台基因组数据资源与原发疾病的TCGA资源高度互补，并且开始阐明MBC的分子景观。




近日来自北卡罗来纳大学的Charles M. Perou 等人在《nature cancer》杂志上发表了名为“Multiomics in primary and metastatic breast tumors from the AURORA US network finds microenvironment and epigenetic drivers of metastasis ”的研究文章。在这篇文章中，研究者通过RNA测序、肿瘤/种系DNA外显子组、低通全基因组测序和整体DNA甲基化微阵列对55例转移性乳腺癌女性进行了检测。在30%的样本中观察到表达亚型的改变，特别是涉及到HER2，并与DNA克隆性的转移相一致。在转移瘤中观察到介导细胞-细胞粘附基因的雌激素受体通过DNA甲基化机制下调。微环境差异因肿瘤亚型不同而异。在17%的转移瘤中，DNA高甲基化和/或局灶性缺失在HLA-A附近被发现，并与表达减少和免疫细胞浸润降低相关，特别是在脑和肝转移瘤中。这些发现可能对免疫和HER2靶向治疗转移性乳腺癌患者有意义。





转移性疾病的早期重点是识别基于体细胞DNA的改变，许多关于MBC基因组学的研究表明，几乎没有复发性突变是转移性领域所特有的，其中大多数被认为与内分泌治疗耐药性有关。相反，在转移瘤中发现了已知致病体细胞变异（即TP53、PTEN和RB1）和/或突变特征，DNA扩增/缺失的频率也同样增加。因此，许多转移性疾病的侵袭性行为仍然无法通过基于DNA的变化来解释，这就需要对这种疾病环境进行多组学评估。MBC中最具影响力的治疗进展之一是CDK4/CDK6抑制剂、新型her2定向药物和靶向CTLA4、PD-1或PD-L1的免疫检查点抑制剂（ICIs），后一种治疗方法针对免疫抑制的肿瘤免疫微环境，从而突出了非肿瘤内在因素作为疾病预后的主要决定因素的重要性。在这项研究中，作者展示了美国极光项目的结果，该项目和极光欧盟项目一起，提高了我们对MBC在分子层面的认识。

队列的临床特征和整体基因组模式




本回顾性研究的合格标准包括新鲜冷冻转移标本的可用性、相关原发肿瘤、正常DNA的来源以及相应的肿瘤病理和分子分析指标。确定了55个个体，从每个标本中分离肿瘤DNA和RNA，并用于四种不同的检测： DNA外显子组和低通全基因组测序，使用rRNA缺失（RNAseq）全转录组RNA测序和DNA甲基化微阵列。153个标本中有88个成功完成了4项检测，141个完成了3项；对DNA甲基化景观进行全局分析，显示在大多数原发肿瘤转移对中，总体甲基化谱显著保守；还确定了每个原发肿瘤转移对的个体性，其中39对中有31对在树状图中共聚集，最后，体细胞突变景观发现TP53、KMT2C、FLG和PIK3CA是最常见的突变基因，同时在4个雌激素受体阳性（ER+）BC AF94、AER2、AD9I和AD9E转移的个体中存在ESR1突变。

基因表达亚型的转换和基因组特征的差异




为了评估原发肿瘤及其转移瘤之间的基因表达差异，我们对123个标本的RNAseq数据进行了PAM50分子分型，并检测了每个个体内部的亚型一致性。当在一个基因表达亚型中进行分析时，观察到亚型特异性的差异。具体来说，管腔内/ER+亚型转移（LumA、LumB和HER2E联合）表现出成纤维细胞和内皮信号的低表达，很少有适应性免疫特征不同。相反，基底样/TNBC转移瘤的适应性免疫特征的表达显著降低，包括多个T细胞、B细胞、自然杀伤细胞（NK）细胞和HLA相关的信号，而成纤维细胞和内皮细胞的信号没有变化。




免疫特征可能因转移部位的不同而系统地发生变化。为了直接解决这一假设，我们利用包含14名参与者的a-RAP数据集，通过RNAseq分析以检测同一个体内不同转移部位的免疫特征水平。该分析显示，14个个体中的9个，GP2-免疫元基因特征水平最低的是在肝转移瘤中，低于匹配的原发肿瘤，但在肺转移中通常更高。

HLA-A的调节失调及其对抗肿瘤免疫的影响




通过检查HLA-A、HLA-B、HLA-C和B2M的启动子CpG岛，在23例肿瘤中发现HLA-A甲基化，在比较未配对数据时，HLA-A启动子甲基化在原发肿瘤中更频繁，配对分析不显著，但呈相同的趋势，只有3个肿瘤显示HLA-B的甲基化，只有1个肿瘤显示HLA-C或B2M的甲基化。为了进一步验证这些结果，在62个转移性样本中定量分析了HLA-A蛋白，发现HLA-A蛋白与HLA-AmRNA和HLA-B mRNA呈正相关，而与HLA-C mRNA没有正相关。研究还观察到HLA-A甲基化肿瘤中HLA-A mRNA表达较低并且HLA-A蛋白表达与HLA-A DNA甲基化之间呈接近显著的阳性趋势。DNA拷贝数分析也显示，在3名参与者的13个样本中，只有位于HLA基因附近的病灶缺失。这些局灶性缺失在名义上与HLA-A甲基化的样本相互排斥。在对HLA-A基因应用相同的阈值后，来自三个不同个体的三个肿瘤的B2M基因存在局灶性缺失。

一致的是，与匹配的原代样本相比，具有HLA-A甲基化或局灶性缺失的转移性样本中HLA基因的mRNA和多种免疫信号减少。在增加转移治疗线后获得的转移样本中，观察到MHC I类基因的低表达。

转移瘤中细胞粘附的表观遗传学抑制




比较原发肿瘤和转移性肿瘤时发现，123个转移性肿瘤的CpG位点显著低甲基化。参与雌激素信号通路的蛋白主导了这些低甲基化CpG的结合。我们通过对ESR1调控的推测靶基因进行基因本体论（GO）富集分析，进一步研究了ESR1和FOXA1结合的远端元件。研究发现，参与细胞粘附调控的基因经常出现在靶基因中出现。研究还发现远端元件低甲基化与这些相关基因的表达降低显著相关，这表明在仅分析ER+ BC个体，甚至在分析所有个体时，雌激素信号对这些基因的负调控。研究证实了TCGA中远端元素低甲基化与TCGA中JAM3和FOXF1表达降低之间的显著相关性。

克隆进化和亚型转换




研究重点关注了3个亚型转换的案例。受试者AER8被诊断为ER+/PR+/HER2-LumA亚型原发肿瘤，并接受了新辅助化疗和辅助内分泌治疗加依维莫司；治疗20个月后被诊断为肝转移，接受了3线治疗并最终死亡。活检示两个肝转移具有相同的克隆系（橙色），与原发优势克隆系不同（紫色），这一发现也得到了DNA高甲基化谱的支持。通过RNAseq检测显示HER2E（临床上仍为HER2-）增殖特征增加，HLA-A mRNA水平和免疫细胞特征下降。

第二个案例AFR3被诊断为ER+/PR+/HER2-LumABC。接受化疗后接受内分泌治疗，进展为多发性转移，其中脑转移被手术切除。大脑样本显示ER-/PR-/HER2+，基因表达分析证实HER2表达增加。这种DNA克隆变化与ESR1和PGR的下调和ERBB2 mRNA的上调有关。

第三个案例AFE4出现ER+ /PR+ /HER2+ BC，临床HER2免疫组化结果为2+，HERmark检测呈阳性。曲妥珠单抗30个月后肿瘤进展，肺活检提示ER+/Her2-状态，18个月后去世。尸检时获得了多个转移性肿瘤标本，RNAseq检测的3个转移标本显示亚型转换为LumA或LumB，DNA克隆性改变和HER2扩增丢失，HER2 mRNA水平略有下降。除DNA肿瘤纯度评分最低外的右肺转移（M1）与DNA克隆进化特征外，其余右肺转移特征与DNA克隆进化基本一致。

作者总结道：在对原发性肿瘤和转移瘤进行多平台分析时，研究中发现了几种可以解释一些转移性肿瘤行为的模式，包括来自表观遗传学、基因组学和转录组学进化的事件。

教授介绍




Charles M. Perou，就职于北卡罗来纳大学，在免疫学、生物信息学、蛋白质组学等多学科均有杰出的贡献。

参考文献
Garcia-Recio, S., Hinoue, T., Wheeler, G.L.et al. Multiomics in primary and metastatic breast tumors from the AURORA US network finds microenvironment and epigenetic drivers of metastasis. Nat Cancer (2022). https://doi.org/10.1038/s43018-022-00491-x

>>>关于我们<<<



图灵基因面向科研工作者推出的 TB-1 数字病理切片扫描仪，自带AI建模和模型解释功能，有望帮助您发现更多细胞和组织空间结构规律。
简单易用，轻松构建原创模型，成本可控，门槛低联系微信号：aipathology       电话：18121496883 （刘经理）