今天跟大家分享的是2020年發(fā)表在NATURE COMMUNICATIONS （IF：12.121）雜志上的一篇文章"Divergent mutational processes distinguish hypoxic and normoxic tumours".在文章中作者采用缺氧評(píng)分，構(gòu)建了腫瘤缺氧的泛癌景觀，并分析了缺氧與癌基因的相關(guān)性，以及分析了缺氧相關(guān)的突變和亞克隆特征。
Divergent mutational processes distinguish hypoxic and normoxic tumours
不同的突變過(guò)程區(qū)分低氧和常氧腫瘤
（推文作者：科研菌 蝦餃皇）
約有一半的實(shí)體瘤中氧含量低（缺氧），缺氧的區(qū)域可能由氧氣供應(yīng)中斷引起，也可能是由需氧量的變化引起的。腫瘤細(xì)胞適應(yīng)這種供氧不平衡的狀況，且此前研究發(fā)現(xiàn)在幾種癌癥中缺氧與臨床預(yù)后不良有關(guān)，這很大可能是缺氧相關(guān)的基因組不穩(wěn)定和克隆選擇導(dǎo)致的。缺氧條件下TP53的突變發(fā)生頻率更高，且參與同源重組和非同源末端連接的蛋白質(zhì)大量減少，有效錯(cuò)配修復(fù)的核心基因也被下調(diào)。腫瘤缺氧和基因組的不穩(wěn)定性、特定的細(xì)胞形態(tài)或特定的突變的共存可以協(xié)同預(yù)測(cè)某些類型的腫瘤在明確的局部治療后會(huì)迅速?gòu)?fù)發(fā)。缺氧與DNA修復(fù)缺陷之間的關(guān)系，預(yù)示腫瘤微環(huán)境施加選擇性壓力，形成特定基因譜。
作者通過(guò)PCAWG聯(lián)盟收集了來(lái)自27種癌癥類型的1188個(gè)腫瘤樣本的隊(duì)列（所有樣本有匹配的正常組織的WGS和腫瘤的RNA測(cè)序數(shù)據(jù)），并采用線性混合效應(yīng)模型將低氧與其他因素相關(guān)聯(lián)進(jìn)行進(jìn)一步研究。
作者首先通過(guò)Buffa、Winter和Ragnum開(kāi)發(fā)的三個(gè)基于mRNA的缺氧信號(hào)對(duì)1188個(gè)腫瘤的腫瘤缺氧評(píng)分，并發(fā)現(xiàn)肺鱗癌（lung-SCC）、宮頸鱗狀細(xì)胞癌（Servix-SCC）、頭鱗癌（Head-SCC）缺氧程度最高，而慢性淋巴細(xì)胞性白血?。↙ymph-CLL）和甲狀腺腺癌（Thy-AdenoCA）缺氧程度低，與此前的研究結(jié)果是一致的；同時(shí)作者進(jìn)一步分析腫瘤和配對(duì)的正常組織的缺氧程度，發(fā)現(xiàn)有23種腫瘤缺氧程度比正常的高且缺氧評(píng)分大于0。作者進(jìn)一步評(píng)價(jià)同種腫瘤內(nèi)的缺氧程度的異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)有42%的腫瘤的缺氧評(píng)分有異質(zhì)性，其中膽腺腺癌、成熟B細(xì)胞淋巴瘤、肺腺癌和乳腺腺癌的異質(zhì)性最大，而慢性淋巴細(xì)胞性白血病和前列腺腺癌缺氧評(píng)分異質(zhì)性較低（圖1a）。作者還比較了TCGA數(shù)據(jù)集和PCAWG數(shù)據(jù)集的缺氧評(píng)分，發(fā)現(xiàn)同種腫瘤在兩個(gè)數(shù)據(jù)集之間缺氧程度類似（圖1b）。因此，在同種癌癥之內(nèi)和不同種癌癥之間的缺氧程度存在廣泛的異質(zhì)性。
圖1. 腫瘤缺氧的泛癌景觀
為了進(jìn)一步探究缺氧和不同突變?cè)斐傻幕蚪M不穩(wěn)定性是否相關(guān)，作者構(gòu)建了不同種突變類型（拷貝數(shù)變異CNA、結(jié)構(gòu)變異SV和單核苷酸變異SNV）的突變密度和缺氧的線性混合效應(yīng)模型，以拷貝數(shù)畸變改變的基因組百分比（PGA）代表基因組的不穩(wěn)定性作為陽(yáng)性對(duì)照組，發(fā)現(xiàn)堿基對(duì)的缺失是與缺氧的相關(guān)性最高，SV類中重復(fù)和截短也和缺氧程度高相關(guān)，此外拷貝數(shù)減少和SNV / Mbp增加也與缺氧程度高相關(guān)。為了進(jìn)一步確定SNV / Mbp為單獨(dú)影響因素，作者構(gòu)建了缺少SNV / Mbp因素的模型并使用ANOVA比較了兩個(gè)模型，確定SNV / Mbp與缺氧相關(guān)（圖2a）。因此缺氧與大多數(shù)類型的體細(xì)胞突變數(shù)量增加有關(guān)。
作者選用包含1096名患者的CNA、SV和SNV數(shù)據(jù)隊(duì)列進(jìn)一步探究缺氧是對(duì)染色體或基因是全面作用還是選擇性作用，作者先定義了在同一基因中有多個(gè)突變?yōu)閺?fù)合事件，并采用線性混合效應(yīng)模型將缺氧與驅(qū)動(dòng)基因相關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)有10個(gè)驅(qū)動(dòng)事件與癌癥低氧相關(guān)，其中無(wú)BCL2突變的腫瘤缺氧程度高，且所有BCL2的改變都是SV，而TP53、PTEN突變與缺氧程度高相關(guān)。因此，低氧程度與致癌基因和抑癌基因突變存在相關(guān)性。
圖2. 腫瘤缺氧的基因組相關(guān)性
作者進(jìn)一步構(gòu)建缺氧評(píng)分和不同比例突變的模型，發(fā)現(xiàn)在65個(gè)點(diǎn)突變（SBS）特征中，有9個(gè)SBS在低氧性腫瘤中表現(xiàn)出與非低氧性腫瘤不同的活性：在缺氧程度高的腫瘤中，有6個(gè)SBS活性更高，3個(gè)SBS活性更低。此前有研究缺氧會(huì)導(dǎo)致DNA修復(fù)受損，因此作者認(rèn)為缺氧程度高的腫瘤中高比例的突變可能是由于SBS3（與缺陷的同源重組修復(fù)有關(guān)）導(dǎo)致的；隨缺氧程度升高，較高比例的突變是由于SBS6和SBS21（DNA錯(cuò)配修復(fù)有關(guān)）造成的；隨缺氧程度升高，較低比例的突變是由于SBS1（與5-甲基胞嘧啶脫氨有關(guān)）造成的；此外，還有未知的SBS信號(hào)相關(guān)也與缺氧相關(guān)，如SBS5、SBS12、SBS17a和SBS17b。（圖3a）
同時(shí)，在插入和刪除（ID）中也有類似現(xiàn)象，在分析的17個(gè)ID中，有5個(gè)活性與腫瘤低氧評(píng)分相關(guān)，3個(gè)在缺氧升高的腫瘤中活性更高，而2個(gè)在缺氧性腫瘤中活性更低。隨著缺氧評(píng)分的增加，較高比例的突變是由于ID6（缺陷的同源重組標(biāo)記）和ID2（缺陷的DNA錯(cuò)配修復(fù)標(biāo)記）造成的。
圖3. 腫瘤缺氧的基因組相關(guān)性
此前研究表明，一些突變出現(xiàn)在尿毒癥早期，其他突變則發(fā)生在尿毒癥晚期，并且低氧與局限性前列腺癌中早期的CNA相關(guān)。為了探討腫瘤微環(huán)境與突變環(huán)境之間的這種相互作用是否在癌癥中更廣泛地存在，作者進(jìn)一步評(píng)估了缺氧是否與27種癌癥類型的1188個(gè)腫瘤中克隆或亞克隆突變的數(shù)量有關(guān)，其中克隆突變是腫瘤中所有細(xì)胞共有的，而亞克隆突變僅存在于某些細(xì)胞亞群中。通過(guò)構(gòu)建缺氧評(píng)分和克隆與亞克隆的線性混合效應(yīng)模型后發(fā)現(xiàn)，缺氧程度升高與克隆突變數(shù)量的增加顯著相關(guān)，特別是克隆SV。而腫瘤低氧與亞克隆突變數(shù)量不顯著相關(guān)。這些數(shù)據(jù)表明，在亞克隆多樣化之前，缺氧對(duì)腫瘤的早期發(fā)展施加了選擇性壓力。
作者又進(jìn)一步評(píng)估腫瘤的突變背景及其氧化水平是否與其進(jìn)化軌跡有關(guān)。此前作者先前證明患有缺氧性多克隆前列腺腫瘤且腫瘤抑制因子PTEN缺失的患者往往預(yù)后較差。作者進(jìn)一步在泛癌水平探究腫瘤缺氧與PTEN缺失之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)缺氧與PTEN突變存在顯著的相互作用，具有這兩種特征的腫瘤傾向于具有多克隆結(jié)構(gòu)（圖4b）；RNA數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)PTEN突變和缺氧程度高的腫瘤中PTEN的mRNA的豐度最低，進(jìn)一步確認(rèn)基因組與腫瘤微環(huán)境之間這種相互作用的下游影響（圖4c）。因此，在特定的微環(huán)境環(huán)境中，突變的存在可能會(huì)驅(qū)動(dòng)腫瘤的進(jìn)化軌跡（圖4d）。
圖4. 腫瘤缺氧的亞克隆特征
許多原發(fā)性腫瘤的分子氧水平較低，低氧性腫瘤對(duì)治療的反應(yīng)較差。在這項(xiàng)研究中，作者對(duì)涵蓋27種癌癥類型的1188例腫瘤中的缺氧情況進(jìn)行了量化。缺氧程度高與各種癌癥類型的突變負(fù)荷增加有關(guān)，而與潛在的突變類別無(wú)關(guān)。有幾個(gè)病因不明的突變特征與低氧水平相關(guān)，導(dǎo)致了不同的比例突變的發(fā)生，說(shuō)明某些潛在的突變是由于這些突變特征導(dǎo)致的。在基因水平上，TP53、MYC和PTEN中的驅(qū)動(dòng)程序突變富集于缺氧腫瘤中，而PTEN突變與缺氧相互作用以誘導(dǎo)腫瘤進(jìn)化軌跡。因此，缺氧在塑造癌癥的基因組和進(jìn)化景觀方面起著至關(guān)重要的作用。
聯(lián)系客服
