基于基因组缺失序列"新聚体"的癌症诊断新策略：高灵敏度检测早期肺癌与卵巢癌

本研究针对当前循环肿瘤DNA(cfDNA)检测技术在癌症早期诊断中的局限性，创新性地利用肿瘤特异性突变产生的"新聚体"(neomers)——健康基因组中缺失的13-17bp短序列，开发出高精度癌症诊断工具。研究人员通过分析2577例癌症基因组和465例cfDNA全基因组数据，证明该方法可准确区分21种癌症类型（AUC 0.89-0.94），尤其对缺乏筛查手段的早期卵巢癌检测效果显著（AUC 0.93）。该研究同时通过大规模并行报告分析(MPRA)揭示了新聚体对基因调控元件的功能影响，为癌症诊断和机制研究提供了双重突破。

　　

癌症是全球第二大死因，早期诊断可显著提高生存率，但目前仅有乳腺癌和宫颈癌具备成熟的群体筛查手段。循环游离DNA(cfDNA)因其半衰期短（16分钟至2.5小时）、可实时反映体内生物学过程的特点，被视为理想的癌症生物标志物。然而现有cfDNA检测技术面临五大挑战：片段长度局限（主要167bp）、肿瘤DNA占比低（约0.4%）、需预先知道特定突变或甲基化标记、白细胞体细胞突变干扰，以及早期阶段检测灵敏度不足。这些技术瓶颈使得直径约5mm的早期肿瘤难以被现有方法检出，亟需开发新型检测策略。

在此背景下，Ilias Georgakopoulos-Soares团队创新性地将目光投向"新聚体"(neomers)——这些13-17bp的DNA序列在健康人群中基本不存在，但会因肿瘤相关突变而重新出现。研究团队首先分析了来自癌症基因组图谱(TCGA)的2577例患者全基因组数据，涵盖21种癌症类型。通过开发专用算法，他们发现单个核苷酸置换平均产生2个新聚体，而插入缺失(indels)平均产生4个。引人注目的是，81%的驱动突变会产生新聚体，包括KRAS Gly12Asp/Val/Cys等经典驱动突变。这些癌症特异性"分子指纹"在不同癌种间重叠度极低（Jaccard指数<0.04），为精准分型奠定了基础。

为验证新聚体的诊断价值，研究人员建立了支持向量机(SVM)分类模型。结果显示该模型区分癌症类型的准确率达99%，F1分数0.92，优于当前最先进的深度学习算法。特别值得注意的是，针对微卫星不稳定(MSI)和DNA聚合酶ε(POLE)缺陷型肿瘤，通过特异性筛选含polyA/T重复或TCT>TAT突变的新聚体，分类准确率分别达到100%和96%。这些结果表明新聚体不仅能识别癌症存在与否，还能揭示关键的分子特征。

研究团队进一步将这一技术应用于临床实践中最具挑战性的场景——循环肿瘤DNA检测。通过对381例肺癌患者（含77例I期）和70例卵巢癌患者（含32例I-II期）的血浆样本进行5-10X全基因组测序，他们开发了基于逻辑回归(L2)的分类器。在肺癌检测中，整体AUC达0.93（I期AUC 0.94）；而对于缺乏有效筛查手段的卵巢癌，整体AUC为0.89，早期阶段更提升至0.93。与传统片段组学方法相比（肺癌AUC 0.83，卵巢癌AUC 0.87），新聚体检测展现出明显优势。

为阐明新聚体的生物学意义，研究人员通过双荧光素酶报告实验和大规模并行报告分析(MPRA)系统评估了其对基因调控的影响。在前列腺癌中筛选的5个启动子新聚体中，RPS2-SNHG9启动子活性显著增强，而TMEM127-CIAO1启动子活性完全丧失，与这些基因在癌症中的表达变化一致。MPRA分析4609个增强子区域新聚体，发现94个显著改变调控活性，其中CTNNA1内含子区新聚体通过获得TCF7/TCFL1转录因子结合位点使活性增加4.09倍，而HERC3基因内新聚体则导致2.7倍抑制。

关键技术方法包括：1) 从GRCh38基因组中提取13-17bp缺失序列作为新聚体库；2) 分析ICGC数据库2577例癌症全基因组和465例cfDNA样本（来源：ProteoGenex、IndiviuMed及合作医院）；3) 使用支持向量机(SVM)和逻辑回归建立分类模型；4) 通过双荧光素酶报告系统验证启动子新聚体功能；5) 采用lentiMPRA技术高通量筛选增强子新聚体。

主要研究结果：

"Annotation of mutations that lead to nullomers"：58.29%的肿瘤特异性突变产生新聚体，驱动突变产生新聚体的概率是随机突变的1.4倍，KRAS、TP53等经典驱动基因突变位列高频新聚体来源。

"Cancer subtype neomer classifier"：新聚体分类器区分21种癌症的准确率99%，对MSI和POLE缺陷型肿瘤的分类准确率分别达100%和96%。

"Neomers detect early-stage lung cancer"：肺癌检测AUC 0.93（I期0.94），灵敏度92.5%，特异性85%。

"Neomers detect early-stage ovarian cancer"：卵巢癌检测AUC 0.89（早期0.93），灵敏度71.9%，特异性95.12%。

"Neomers alter promoter activity"：RPS2-SNHG9启动子新聚体使活性增加2.1倍，TMEM127-CIAO1启动子新聚体完全抑制活性。

"Neomers alter enhancer activity"：MPRA鉴定出94个功能增强子新聚体，48个激活型和46个抑制型，CTNNA1内含子新聚体通过获得TCF7结合位点使活性提升4.09倍。

这项发表于《Communications Medicine》的研究开辟了癌症诊断新范式。新聚体检测兼具高灵敏度（早期卵巢癌AUC 0.93）和高特异性（肺癌85%），且仅需3X测序深度即可获得可靠结果，大幅降低了临床应用门槛。该方法克服了传统cfDNA检测对预先知道突变信息的依赖，能同时捕获编码区和非编码区（占98%）的癌症相关变异。尤为重要的是，新聚体可作为"分子探针"发掘功能性的基因调控突变，为理解癌症发生机制提供新视角。研究者已开发用户友好型软件包Nullomerator，并申请相关专利。随着样本量的扩大和检测流程的优化，这项技术有望成为癌症早筛的标准化工具，特别是为目前缺乏有效筛查手段的癌种（如卵巢癌）带来临床突破。未来，结合CRISPR检测技术或与其他生物标志物联用，新聚体检测可能进一步推动精准肿瘤学发展。