2023-04-19

Nature | 肺癌发生与转移期间基因组-转录组的演化

原创 鱼 图灵基因 2023-04-19 10:11 发表于江苏

撰文：鱼

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亮点：

本研究通过分析非小细胞肺癌转录多样性、等位基因特异性表达与RNA编辑等，揭示了肿瘤内异质性在肿瘤发生、演进和治疗中更深层次的潜在影响。

2023年3月17日，伦敦大学的Nicholas McGranahan教授在《Nature》发表了题为“Genomic-transcriptomic evolution in lung cancer and metastasis”的文章。

肿瘤内异质性（ITH）促进了肺癌的发展、演进和迁移，从而导致肿瘤免疫逃逸和对治疗的抵抗性。该研究使用配对全外显子组和RNA测序数据，研究了354例非小细胞肺癌肿瘤的瘤内基因组-转录组多样性。

该研究对947个原发和转移性肿瘤区域以及96个肿瘤邻近正常组织样本的分析表明，转录组改变是表型变异的主要来源。基因表达水平和肿瘤内异质性与肿瘤演进过程中的阳性和阴性选择模式有关。同时，频繁的拷贝数独立的等位基因特异性表达与表观基因组功能障碍有关。这些结果强调了基因组和转录组在肿瘤内异质性、肺癌演进和转移方面的相互作用。

本研究首先检测了肺癌样本的肿瘤表达形式。如图一a所示，样本集中在三个组，以肺腺癌(LUADs)、肺鳞状细胞癌(LUSCs)和肿瘤邻近的正常肺组织为主，其中有184例非肺腺癌肿瘤中合并有腺癌发生。这些肿瘤(包括4例肺鳞癌)携带肺腺癌特异性驱动突变的可能性比其他非肺腺癌高23倍。尽管被归类为非肺腺癌，67%的非肺腺癌(27例中的18例)表达常见的肺腺癌免疫组化标记物(如TTF-1)阳性或表现出肺腺癌形态。

在非小细胞肺癌中，肺腺癌驱动突变的富集与肺腺癌聚集表明，该肿瘤可能存在与肺腺癌相似的表型子。这一结果也与一些含有腺癌成分的肿瘤以及关于非肺腺癌中肺腺癌特异性驱动因素的研究结果一致。

随后，为了确定瘤间转录组和瘤内转录组多样性的决定因素，该研究在两种主要的非小细胞肺癌（肺鳞癌和肺腺癌）组织中进行了独立的主成分分析(PCAs)，并将其与39个潜在的基因组和临床病理变量联系起来（图1a）。与肺鳞癌相比，主成分在肺腺癌中显现出更显著的基因变量相关性（图1c）。这些结果提示肺腺癌中比肺鳞癌中更确定的基因组-转录组关系。

为了进一步评估独立于样本肿瘤区域数量的转录组肿瘤内异质性，该研究提出了瘤内表达距离(I-TED)作为衡量标准，该衡量标准是由给定区域与来自同一肿瘤的每个其他区域配对的平均归一化基因表达相关距离计算得出的(图1b)。瘤内表达距离值越高，肿瘤内异质性表达越高。

基于基因表达相关距离对所有样本进行分层聚类，发现来自特定患者的肿瘤区域倾向于聚集在一起(在280个多区域原发肿瘤中，有231个肿瘤内的所有区域聚集在一起)。在49个肿瘤中，其组成区域并非全部聚类，这些聚类分开的区域的加权基因组不稳定性指数得分增加。这一结果强调了亚克隆体细胞拷贝数改变与基因表达变化之间的联系。

图1d显示，在大量样本中，每个染色体拷贝，来自肿瘤细胞的基因表达倾向于超过非肿瘤细胞的基因表达，值得注意的是，肿瘤转录物分数比纯度更能预测瘤内表达距离，这指出了DNA对肿瘤多样性的预测并不总能代表表型多样性。

随后，该研究评估了等位基因特异性表达(ASE)导致的转录组学多样性（图2）。等位基因特异性表达可由基因组印迹，或截断突变导致突变等位基因的无义介导衰变引起。这是由于基因组中等位基因失衡(称为拷贝数依赖等位基因特异性表达)或每条染色体特异拷贝的等位基因表达(拷贝数非依赖的等位基因特异性表达)。

转录组多样性的另一个潜在来源是RNA编辑，这是一个以RNA分子核苷酸序列变化为特征的转录后过程（图3）。外显子RNA取代在本研究中被定义为DNA中不存在的、专属于RNA分子的单核苷酸变化。在队列筛查中，6019个特定位点上共鉴定出40,057个RNA取代(每个肿瘤平均每Mb 1.26个RNA取代)。大多数位点(平均每个肿瘤区域59.7%)发生的是A>G的取代，与RNA编辑酶ADAR催化的RNA编辑保持一致。

ADAR此前被认为与表观基因组失调有关。因此，该研究测试了RNA-SBS1活性是否受到肿瘤内表观基因组失调的影响。结果表明肿瘤区域的整体低甲基化水平与RNA-SBS1活性之间存在显著相关性，但在正常组织样本中没有。这一结果强调了RNA编辑过程可能与非小细胞肺癌的进化有关。

本研究表明，转录变异可能在非小细胞肺癌的演进中发挥重要作用。它揭示了癌症基因组集中分析无法识别的多样性来源，并强调了多组学测序和系统生物学方法对研究肿瘤进化的重要性。

然而，该研究仍然存在一些局限性。例如，它可能无法确定这些肿瘤中转录组变异的真实程度。本研究未分析其他形式的转录变异，包括选择性剪接等。此外，研究证实了含有表达单核苷酸多态性的少数基因中的等位基因特异性表达，并且应用了严格而具体的方法来定义拷贝数非依赖的等位基因特异性表达。同样，用于识别RNA变异而不是转录DNA突变的筛选是严格的，并且只分析外显子(仅筛取RNA编辑中的一小部分)。

因此，该研究可能低估了肿瘤中这些过程的变异和生物学影响。尽管如此，通过这种方式，我们能够识别之前未知的RNA-SBS标记，包括三个未知的病因。这一结果强调了在更大的数据集中进一步研究RNA编辑模式的必要性。

教授介绍

Nicholas McGranahan领导伦敦大学学院癌症基因组进化研究小组。该团队的研究重点是使用计算方法在进化框架内探索癌症的发展和抗肿瘤免疫。通过研究癌症是如何进化的，该小组最近探索了大规模总染色体畸变在癌症中的重要性，确定了肿瘤之间的一致模式，并揭示了全基因组复制在缓冲有害改变方面的重要性。

参考文献

Martínez-Ruiz C, Black JRM, Puttick C, et al. Genomic-transcriptomic evolution in lung cancer and metastasis.Nature. 2023;10.1038/s41586-023-05706-4. doi:10.1038/s41586-023-05706-4