北大白凡研究组连发Cell子刊等多篇文章解析肝癌分子机理

【字体: 时间:2019年05月30日 来源:生物通

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  原发性肝癌(简称肝癌)每年造成全球约70万病人死亡且过半死亡病例来自中国,其致死率在所有癌种中高居第二。肝癌主要分为三种类型,肝细胞癌(~80%)、肝内胆管癌(~15%)和混合型肝癌(~5%)。混合型肝癌兼具肝细胞癌和胆管细胞癌两种成分,是预后最差的一种肝癌。目前,混合型肝癌的分子特征未知,缺乏准确诊断标志物,因此其精确诊断和靶向治疗一直是原发性肝癌领域的重大难题。

  

肺癌是世界上发病率最高的癌症,其中13%的肺癌患者被诊断为小细胞肺癌(SCLC)。SCLC是一种侵袭性极强,极易转移的恶性肿瘤。由于多数患者初治即为晚期,SCLC组织标本获取常常受限,探索通过替代标本进行SCLC基因分析是重要的研究方向。此外,对于治疗过程中SCLC基因组的演变规律的研究也极其有限。循环肿瘤细胞(CTC)是游离于癌症病人外周血中的肿瘤细胞,通过CTC进行单细胞基因检测,是对SCLC病人基因变异及疾病进展进行监控的一种有效方式。

北京大学白凡、谢晓亮团队与中国医学科学院肿瘤医院王洁团队合作在题为“Inferring the Evolution and Progression of Small-Cell Lung Cancer by Single-Cell Sequencing of Circulating Tumor Cells”的研究论文中,作者团队通过使用单细胞基因组测序技术,深入探索了小细胞肺癌(SCLC)循环肿瘤细胞(CTC)基因组变异特征,演化过程和临床应用价值。

研究人员将循环肿瘤细胞中探测到的体细胞突变与同一患者肿瘤组织中突变进行对比,发现CTC中能准确检测到肿瘤组织大部分基因突变;对来自48位小细胞肺癌患者CTC的拷贝数变化(CNA)进行分析,并结合临床治疗信息,研究人员构建了基于CNA评分的化疗疗效预测模型;对其中一位患者不同治疗阶段CTC的等位基因特异性CNA分析发现了CNA异质性的演化规律。最后,研究人员还发现CTCs主要来自原发灶,且CTC、转移灶及复发肿瘤组织中DNA复制修复通路相关基因频繁发生突变,与SCLC的疾病进展和转移密切相关。

这一研究发现公布在国际专业临床及基础医学研究期刊Clinical Cancer Research上。

在研究中,作者团队系统分析了SCLC患者CTCs中单核苷酸变异(SNVs)和拷贝数变化(CNAs)在治疗过程中的动态变化。为了评估CTC中基因突变情况,研究人员对10位同时取得CTC及匹配原发灶、或转移灶肿瘤组织的患者样本进行外显子测序,对比发现在CTC中能检测到绝大多数肿瘤组织中所携带的基因突变(68%-99%)。这预示着通过CTC单细胞基因组测序能够反映肿瘤组织的基因突变状况,进一步推进CTC在“液体活检”中的应用。对CTC进行全基因组拷贝数变化分析同样具有重要的临床应用价值。作者团队对来自48位小细胞肺癌患者CTCs的CNA进行深入分析,绘制了精度更高的SCLC基因组CNA变化图谱。进一步结合这些患者的一线化疗疗效及中位生存时间等临床指标,研究人员构建了一个基于10个特定基因组区间CNA状态的分类模型,能有效地区分开SCLC一线化疗难治组及敏感组,并能够对SCLC的一线无疾病进展生存期以及总体生存时间进行预测。该研究有望将小细胞肺癌的治疗带入精准医学时代。

基因组异质性是肿瘤的重要特征之一。现在一个普遍被接受的观点是肿瘤异质性是基因组变异在不同区域不断产生和积累的结果。本研究通过对一个SCLC患者病程发展过程中四个时间点(化疗前,一线化疗过程中,二线化疗前,三线化疗中)的CTC的等位基因特异性CNA分析发现:早期癌细胞的CNA很一致,随着病程进展不同癌细胞维持早期较一致的处于亚稳态的变异区域的能力有差别,导致这些区域进一步产生差异性的拷贝数缺失。研究人员提出了一个新的CNA演化模式:癌症产生的早期事件导致细胞与细胞之间较一致的CNA, 随着时间推演,每个癌细胞保持这一致的CNA的能力不同造成肿瘤的基因组异质性。

最后,为分析与转移或者疾病进展相关的突变过程,作者团队分析了转移灶、CTC以及复发病灶中增加的突变基因,发现BRCA1/2,TOP2A及PRKDC等与DNA复制修复通路相关基因突变高频出现,可能与SCLC的进展和转移紧密相关。

这项研究开辟了一条新的描述单个CTC的基因组图谱和进化历史的途径。通过对CTC单细胞测序数据的生物信息学分析,作者团队展示在小细胞肺癌CTC中可以获取病人关键基因突变信息,并对病人的化疗治疗疗效进行预测。以CTCs检测为代表的癌症“液体活检”技术,可以避免反复穿刺给病人带来的伤害和痛苦, 能动态反映病人的疾病进程以及治疗过程中的疗效和预后,具有重大的临床应用价值。

另外一篇文章中,白凡团队与北京大学第一医院张宁团队、中山大学肿瘤防治中心曾木圣团队和日本理化研究所(RIKEN)中川英刀团队合作,在Cancer Cell发表了题为“Genomic and Transcriptomic Profiling of Combined Hepatocellular and Intrahepatic Cholangiocarcinoma Reveals Distinct Molecular Subtypes”的文章,作者团队综合利用多种测序方法、数据分析和实验手段,系统研究了混合型肝癌三种病理亚型的基因组特征,提出了混合型肝癌分子分型标准,揭示了混合型肝癌中肝细胞癌和胆管细胞癌两种成分的克隆起源关系,发现了新的诊断和预后标志物,这些结果为混合型肝癌的临床诊断、预后和治疗提供了关键信息。

此项研究中,研究人员从天津肿瘤医院、中山大学肿瘤防治中心、日本广岛医学中心和新加坡总医院等8家医院收集了133例混合型肝癌病例的临床样本和病例信息进行研究。为了深入探究混合型肝癌中两种病理成分的克隆起源关系,本研究根据两种成分的物理分布,将混合型肝癌分为三个亚型:Separate type (分开型)、Combined type (结合型) 和 Mixed type (混匀型),并且针对三种亚型分别设计了针对性研究方案。

首先,经过外显子测序,全基因组测序和转录组测序,研究人员系统分析了混合型肝癌的高频驱动事件,包括体细胞突变、HBV插入位点、拷贝数变异,融合基因,结构变异,差异表达基因等,全面绘制了混合型肝癌的基因组图谱。随后通过同TCGA,ICGC等国际和国内组织发表的肝细胞癌和胆管细胞癌数据综合比较,研究人员发现,混合型肝癌中显著富集TP53突变,同时缺乏肝细胞癌中富集的CTNNB1突变,缺乏胆管细胞癌中富集的KRAS突变,该结果初步揭示了混合型肝癌独特的基因组特征。

其次,通过分子分型探究,研究人员发现Combined type (结合型)混合型肝癌同胆管细胞癌分子图谱相近,而Mixed type (混匀型)混合型肝癌同肝细胞癌分子图谱相近,而且研究人员发现这两种亚型的免疫微环境也存在较大差异,暗示其对免疫治疗的应答会有所不同。这些结果提示这两种病理类型混合型肝癌应该采取不同的治疗方案。

第三,通过激光显微切割,突变肿瘤细胞占比分析和单细胞测序等技术,研究人员分析和比较了混合型肝癌中的肝细胞癌和胆管细胞癌两种成分,发现这两种成分既有单克隆起源也有多克隆起源。同时,通过重构亚克隆组分析,研究人员还推断了Separate type (分开型)的肿瘤转移路径,揭示了其表型转化和演化规律。

最后,研究人员发现Nestin蛋白表达可以作为混合型肝癌的诊断和预后标志物。 免疫组化分析结果显示,Nestin 蛋白在混合型肝癌中的表达水平和阳性率均显著高于肝细胞癌和胆管细胞癌。通过分析预后数据,Nestin 阳性表达病例在混合型肝癌中呈现显著较差的预后,而且这一发现同样适用于肝细胞癌和肝内胆管癌。这些结果说明,Nestin蛋白可以作为混合型肝癌乃至肝细胞癌和肝内胆管癌的预后标志物。


原文标题:

Inferring the Evolution and Progression of Small-Cell Lung Cancer by Single-Cell Sequencing of Circulating Tumor Cells

Genomic and Transcriptomic Profiling of Combined Hepatocellular and Intrahepatic Cholangiocarcinoma Reveals Distinct Molecular Subtypes





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