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基因組不穩(wěn)定性會導(dǎo)致癌癥的種族差異？
今天給大家分享一篇即將在Theranostics雜志（IF：11.556）發(fā)表的文章。這篇文章首次發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞癌的基因組不穩(wěn)定性與亞洲人和歐洲人之間的種族差異有關(guān)，為理解不同類型癌癥的種族差異提供了一個最好的例子。
一、研究背景
肝細(xì)胞癌(HCC)是世界上最致命的癌癥類型之一，其病因多種多樣。HCC的主要危險因素包括病毒感染、酒精攝入以及環(huán)境暴露(如黃曲霉毒素)，這些因素在世界的不同地理區(qū)域之間存在明顯差異。先前已經(jīng)有研究表征了HCC的多種分子事件和轉(zhuǎn)錄亞型。但是，HCC基因組的整合分析和跨隊列的種族比較仍然缺乏研究。
本篇文章首先整合了來自世界各地五個大隊列的1349名HCC患者的基因組，并應(yīng)用多種統(tǒng)計方法來識別驅(qū)動基因。隨后，使用TCGA隊列對亞洲人和歐洲人的HCC基因組和轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了系統(tǒng)的比較。研究發(fā)現(xiàn)了29個新的候選驅(qū)動基因，其中許多基因是驅(qū)動晚期腫瘤進(jìn)展的罕見腫瘤抑制基因。通過多模型整合分析，作者發(fā)現(xiàn)亞洲人有更高的基因組不穩(wěn)定性以及一系列分子事件：包括腫瘤突變負(fù)擔(dān)(TMB)、拷貝數(shù)改變以及兩個種族之間明顯分離的轉(zhuǎn)錄組亞型。作者還發(fā)現(xiàn)了一種亞洲人種特有的轉(zhuǎn)錄組亞型，該亞型具有多個種族豐富的基因組改變，特別是16號染色體的缺失。通過整合多模型信息，研究者發(fā)現(xiàn)亞洲患者的生存模型比歐洲患者的預(yù)后預(yù)測要好得多，這表明亞洲人種在精準(zhǔn)醫(yī)療應(yīng)用方面具有更高的潛力。總之，作者首次發(fā)現(xiàn)了不同種族間的HCC基因組差異，并強(qiáng)調(diào)了不同種族背景的HCC差異疾病生物學(xué)的重要性。
二、結(jié)果
1.TCGA隊列臨床表型的種族差異
為了系統(tǒng)的研究HCC的種族差異，本文使用的TCGA隊列包括來自兩個種族(161名亞洲患者和187名歐洲患者)的相似數(shù)量的多層基因組數(shù)據(jù)，是進(jìn)行種族比較的理想隊列。為了進(jìn)行系統(tǒng)的比較，作者重新處理了從基因組數(shù)據(jù)共享(GDC)門戶網(wǎng)站下載的原始測序數(shù)據(jù)，并跨多個層次對兩個隊列進(jìn)行了比較。比較兩個隊列的臨床變量，最顯著的差異是病毒狀態(tài)(p = 6.42e 31，圖1A)。大約60%的亞洲患者是乙肝病毒陽性，而只有25%的歐洲人是病毒攜帶者。此外，歐洲患者中女性患者比例較高(44% vs 21%， p = 7.79e 06，圖1B)，且診斷時年齡較大(中位年齡66歲vs 55歲，p = 3.66e 12，圖1C)。
2.不同種族背景的driver頻率相似，但亞洲人的TMB更高
為了評估基因組在多個層次上的種族差異，作者首先比較了兩個種族背景之間的腫瘤突變負(fù)擔(dān)(TMB)，發(fā)現(xiàn)亞洲患者的TMB顯著更高(p = 9.90e 03，圖1D)。亞洲人較高的TMB提出了一個有趣的問題: 兩組研究是否在其他分子表型上也存在差異。為了識別driver列表，作者收集了五大隊列的肝癌基因組包括：癌癥基因組圖譜(TCGA, n = 373), 國際癌癥基因組協(xié)會(ICGC)數(shù)據(jù)庫(n = 270 來自日本LIRI-JP數(shù)據(jù)集, n = 244來自日本LINC-JP數(shù)據(jù)集，n = 242來自法國LICA-FR數(shù)據(jù)集)，以及韓國隊列(n = 231)。利用大樣本量(n = 1349)，作者整合了三種不同的方法，確定了62個肝癌的候選驅(qū)動基因。在62個候選driver中，33個基因(53%)與文獻(xiàn)報道的driver列表重疊。最終，29個新的候選驅(qū)動因子被鑒定出來。之后作者利用公共隊列中發(fā)現(xiàn)的driver基因，系統(tǒng)地比較了TCGA隊列中亞洲和歐洲患者的driver頻率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了TP53和CDKN2A外，大多數(shù)driver的突變頻率相似(圖1E-F)。盡管兩組人群的病因背景不同(如病毒狀態(tài))，但亞洲人和歐洲人之間的driver基因譜相當(dāng)相似。
3.腫瘤發(fā)生過程中突變過程的種族差異
作者使用deconstructSigs將突變分解為HCC中發(fā)現(xiàn)的已知突變特征(n = 10)。利用不同突變簽名的貢獻(xiàn)，作者將患者聚類為五個簽名組(稱為SG1-5，圖2A)。SG1和SG2組以SBS5(clock like) 信號為主，在歐洲患者中富集(圖2B-2D)。SG3組具有強(qiáng)馬兜鈴酸(即AA)特征(SBS22)和較高的TMB在亞洲患者中更為常見(圖2A-B)。 SG4研究組的主要特征是SBS5，還有相當(dāng)比例的SBS4(吸煙)，以及其他特征的混合。SG5組具有更高頻率的肝臟相關(guān)信號(SBS12和SBS16)，也在亞洲患者中富集(圖2A-B)。通過時間和克隆性分析，作者發(fā)現(xiàn)吸煙等外部暴露相關(guān)的簽名在腫瘤發(fā)生的后期明顯較低，而MSI和肝臟相關(guān)簽名在腫瘤發(fā)生的后期比例較高。提示其在整個HCC發(fā)生和發(fā)展過程中發(fā)揮積極作用。
4.染色體CNV導(dǎo)致亞洲人有更高的基因組不穩(wěn)定性
作者發(fā)現(xiàn)亞洲人的臂部SCNA水平更高(圖2C, p = 0.00036)。在對臨床變量和其他協(xié)變量進(jìn)行控制后，臂部SCNA評分的種族差異仍然顯著(p = 0.02)。將SCNA整體得分分解為單個染色體的貢獻(xiàn)，得到11個組(4個擴(kuò)增和7個缺失)，其中，染色體16缺失和8q擴(kuò)增在兩個隊列中以不同的頻率發(fā)生改變，并且主要富集在亞洲人群中(圖2D)。除了臂水平差異，作者還使用GISTIC算法比較CNAs時，盡管每個隊列都存在私有峰，但隊列間的景觀在定性上保持相似(例如TERT和FGF19擴(kuò)增和AXIN1缺失，圖2E)。綜上所述，在亞洲HCC患者中，多臂水平的CNV事件導(dǎo)致了顯著更高的基因組不穩(wěn)定性。
5.亞洲人特有的一種更具臨床侵襲性的轉(zhuǎn)錄組亞型
這一部分作者探究了更高的基因組不穩(wěn)定性是否會導(dǎo)致表型分化，特別是種族背景之間的轉(zhuǎn)錄組差異。作者首先使用非負(fù)矩陣分解(NMF)，將TCGA中的亞洲和歐洲隊列聚類為兩個亞型(圖3A)，并使用SubMap比較亞型的相似性(圖3B)。在兩個隊列中，作者都觀察到一個亞組細(xì)胞周期上調(diào)(如G2M檢查點(diǎn))，但正常肝功能的代謝通路下調(diào)(如膽汁酸代謝)(圖3C-D)。盡管不同隊列的基礎(chǔ)分裂功能相似，但兩組亞型僅對亞洲隊列的總生存率進(jìn)行了分層。根據(jù)亞分區(qū)中激活的通路，作者將亞簇命名為P(增殖)和M(代謝)。接下來，將這兩個隊列進(jìn)一步劃分為三個亞組，亞洲的增殖組(P)和歐洲的代謝組(M)進(jìn)一步劃分為兩個亞組，匹配的亞組數(shù)量仍然是兩個(圖3B, 3E)。在亞洲人群中，P1亞型表現(xiàn)為EMT、炎癥反應(yīng)和血管生成通路的上調(diào)(圖3C、3E)，而P2亞型表現(xiàn)為未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response, UPR)和MYC靶基因的11個基因的上調(diào)。歐洲人群的M1亞型和M2亞型的表型分化類似于P亞型和M亞型的基礎(chǔ)表型分化，M1細(xì)胞周期活性更高，但代謝功能下調(diào)(圖3C-D)。接著將亞洲人分成4個亞組，代謝組進(jìn)一步分為M1/M2, 并且，M1/M2的差異類似于P1/P2的差異，M1具有更高的免疫相關(guān)通路表達(dá)和EMT。在比較來自亞洲的四種亞型和來自歐洲的三種亞型時，代謝組內(nèi)的兩個亞組(M1和M2)在兩種種族背景之間匹配良好，并且還有一個亞洲人特有的額外亞組(P2)(圖3B, 3E)。在所有的聚類分析中，亞洲患者的RNA亞組很好地分層了患者的總生存率，但歐洲患者沒有(圖3A)。將轉(zhuǎn)錄組亞型與臨床和分子表型相關(guān)聯(lián)，作者發(fā)現(xiàn)了一些臨床表型，如甲胎蛋白(AFP)水平在P亞型中富集，CTNNB1驅(qū)動突變在M2亞型中富集(圖3F)。
6.富含基因組變化的亞洲人被劃分為轉(zhuǎn)錄組P2亞型
亞洲富集轉(zhuǎn)錄組亞型(P2)是最具侵襲性的亞型之一，具有最高的AFP水平和最低的生存率(圖4A)。這就提出了一系列有趣的問題: 這種新的亞型有哪些特定的分子事件? 更重要的是，這些亞型的差異是否與種族差異相關(guān)? 這或許可以解釋這種種族特異性亞型的起源? 為了比較P2和其他亞群的基因組事件，作者發(fā)現(xiàn)了一系列P2特有的基因組變化: 1)AXIN1突變頻率顯著更高(圖3F, 4B)， 2) SCNA強(qiáng)烈升高，CIN70評分水平最高(圖4C)。將SCNA的整體水平分解為亞組時，作者發(fā)現(xiàn)P2的16號染色體缺失也顯著更高(圖4D)，并傾向于與AXIN1突變共發(fā)生(圖4B和4E, p值= 5.6e-12)。3) MYC靶蛋白和未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response, UPR)的表達(dá)明顯增加，表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)應(yīng)激可能對細(xì)胞周期產(chǎn)生了響應(yīng)。4)將轉(zhuǎn)錄組圖譜分解為免疫組分時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)P2和M2比其他免疫信號水平最低的亞型的免疫低得多，而P2的骨髓源性抑制細(xì)胞(MDSC)水平最高(圖4F-G)。為了了解P2亞型是否也存在于其他亞洲隊列中，作者檢索了兩個中國隊列，在這兩個隊列中也發(fā)現(xiàn)了P2亞型，且P2亞型患者具有相似的表型，如AFP水平更高、總生存率較低、和16號染色體缺失頻率更高。由于種族差異在驅(qū)動頻率上非常小，但在CNAs中更強(qiáng)，接下來，作者將拷貝數(shù)事件與整個基因組的基因表達(dá)聯(lián)系起來。正如預(yù)期的那樣，大多數(shù)拷貝數(shù)變異作為順式調(diào)控事件，積極影響基因組附近基因的表達(dá)(圖4H)。并且，第16號染色體上的CNV傾向于影響亞洲隊列中整個基因組的基因表達(dá)水平(圖4H)。此外，P2亞型患者的差異表達(dá)基因(DEGs)與16號染色體缺失患者的差異表達(dá)基因(DEGs)在亞洲隊列中高度相似(圖4I)。除了16號染色體的缺失，一系列定義P2亞型的其他基因組事件似乎共同作用于定義P2亞型。例如，以前的研究報道SCNA評分較高的腫瘤往往在癌癥類型中具有較低的免疫浸潤，在這個HCC隊列中也是如此(圖4J, p = 0.0095)。包括16號染色體在內(nèi)的較高的基因組不穩(wěn)定性與P2低免疫浸潤和高水平的MDSCs相關(guān)(圖4E, 4H, 4J)。最后，作者繪制了跨越臨床特征、基因組變化、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和免疫表型等多個層面的P2特異性事件之間的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個跨越多個層面的連接良好的網(wǎng)絡(luò)，定義了P2亞型(圖4K)。綜上所述，基因組不穩(wěn)定性的種族差異似乎驅(qū)動了基因組差異的集合，從而定義了亞洲特異性轉(zhuǎn)錄組亞型。
7.綜合生存模型預(yù)測的亞洲患者的生存期更好
為了整理臨床和分子特征來分層患者，作者從不同層次收集了多個變量，包括臨床表型(如分期(n = 7)，驅(qū)動基因(n = 12)和其他分子特征(n = 22)。由于腫瘤內(nèi)異質(zhì)性(ITH)越來越被認(rèn)為是驅(qū)動患者臨床結(jié)果的重要因素，但在HCC中還未被探索，作者制定了三個ITH指標(biāo): 1)晚期突變的百分比(pLM)，計算亞克隆突變的比例; 2)突變-等位基因腫瘤異質(zhì)性(MATH)評分，測量變異等位基因頻率的分布; 3)基于亞克隆比例計算的香農(nóng)s指數(shù)。為了選擇能夠?qū)颊哌M(jìn)行分層的變量，作者將隨機(jī)森林模型應(yīng)用于亞洲和歐洲隊列以及聯(lián)合隊列(圖5A)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以將患者分層的許多變量在兩個隊列中是共享的(圖5B)。當(dāng)計算多層特征之間的相關(guān)性并分別繪制兩個隊列的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)時，作者發(fā)現(xiàn)多個特征之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性(圖5C-D)。雖然大多數(shù)特征在單變量Cox模型下能夠顯著分層患者(n = 17)，但隨機(jī)森林模型選擇的一部分特征在單變量生存分析中不顯著(圖5C-D)，提示這些變量與患者總生存率之間存在潛在的非線性關(guān)系。通過使用隨機(jī)森林模型對這些變量的重要性排序，作者發(fā)現(xiàn)免疫特征(如MDSC)和驅(qū)動基因(如DOCK2)在患者生存中發(fā)揮非常重要的作用(圖5E)。歐洲隊列中ITH特征的高排名似乎反映了隊列中所有變量的不良預(yù)后能力。為了驗(yàn)證亞洲人和歐洲人之間的預(yù)測模型是否不同，作者首先使用交叉驗(yàn)證方法評估了預(yù)測模型的準(zhǔn)確性(圖5A)，并觀察到亞洲人的預(yù)測準(zhǔn)確性更高(圖5F)。在亞洲隊列中觀察到的預(yù)測模型(即c指數(shù))的精度更高(圖5F)。當(dāng)作者比較有P2亞型和沒有P2亞型對亞洲隊列的預(yù)測準(zhǔn)確性時，發(fā)現(xiàn)排除P2后準(zhǔn)確率顯著下降，這表明種族差異確實(shí)有助于亞洲人有更好的預(yù)測(圖5G)。綜上所述，肝癌的種族差異不僅提供了一個更好的預(yù)測亞洲患者生存的模型，而且也表明了對亞洲肝癌更有效的精準(zhǔn)醫(yī)療方案。
三、總結(jié)
隨著組學(xué)數(shù)據(jù)的發(fā)展，種族差異的研究現(xiàn)已成為癌癥基因組學(xué)的中心課題之一。通過比較亞洲和歐洲的組群，作者首次對HCC基因組進(jìn)行了系統(tǒng)的比較，并在兩個組群中發(fā)現(xiàn)了一系列基因組事件，尤其是較高的基因組不穩(wěn)定性，似乎推動了亞洲人獨(dú)特轉(zhuǎn)錄組亞型的進(jìn)化和更好的患者預(yù)后預(yù)測。這篇文章系統(tǒng)地探究了HCC基因組不穩(wěn)定性如何導(dǎo)致兩組人群之間的種族差異，為理解不同類型癌癥的種族差異提供了一個范本。
參考文獻(xiàn)
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