前列腺癌基因组驱动变异的分子异质性与临床影响：基于961例原发性前列腺肿瘤全基因组测序的整合分析

《Nature Communications》：The molecular heterogeneity and clinical impact of genomic driver alterations in prostate cancer

前列腺癌是一种常见恶性肿瘤，其疾病进程具有异质性（heterogeneous disease course）。既往研究已发现蛋白质编码基因中点突变（point mutations）稀少，且仅有少数具有临床相关性的驱动改变（driver alterations）。在此，研究人员利用来自1001名男性的泛前列腺癌协作组（Pan Prostate Cancer Group, PPCG）全基因组测序（whole genome sequencing, WGS）数据集，对961份原发性前列腺肿瘤样本中的小突变、结构变异（structural variants, SVs）和拷贝数改变（copy number alterations, CNAs）中的复发性基因组改变进行量化，从而开展癌症驱动基因的整合分析。研究人员在97%的肿瘤中鉴定到至少一种复发性体细胞（somatic）或种系（germline）改变，并鉴定推定的驱动基因和失调机制，包括频繁改变的调控元件（regulatory elements）。一个突出例子是结构变异介导的溶质载体（solute carrier, SLC）基因家族（包括SLC30A4）的癌增强子（onco-enhancers）劫持导致癌基因激活。其他复发性改变，包括FOXA1、MDM4、COL5A1、TP53和BRCA1，与转移性疾病分层相关，并且在非洲血统（African ancestry）肿瘤中富集了额外驱动因素。四分之一肿瘤具有基于基因组信息获得的治疗靶点（therapeutic targets）。对改变的无监督分析（unsupervised analysis）揭示四种具有不同遗传和临床特征的oncotypes（肿瘤基因组型），包括两种临床不利的oncotypes，其无转移生存期（metastasis-free survival, MFS）较短。该研究揭示原发性前列腺癌中基因组驱动改变的全谱和复发模式，并为生物标志物（biomarker）开发、机制研究和潜在治疗干预提供靶点。

论文解读：该研究论文发表在《Nature Communications》。前列腺癌是男性最常见恶性肿瘤之一，占男性癌症相关死亡的10%，临床轨迹高度异质，从长期惰性且常无需治疗，到需根治性治疗的早发癌症及威胁生命的转移性前列腺癌。新诊断管理主要依赖临床病理信息和小型基因或mRNA panel。最紧迫未满足临床需求包括可靠预后方法以减少过度治疗，以及鉴定治疗靶点。该病分子异质性显著，基因组景观由结构变异（SVs）和拷贝数改变（CNAs）驱动，而单核苷酸变异（SNVs）和插入缺失（indels）等小突变驱动相对少。已知驱动包括约50%前列腺癌中的ETS癌基因融合，TP53、FOXA1、SPOP蛋白编码突变，MYC癌基因增益，以及PTEN、TP53等抑癌基因（TSGs）丢失。然而，非编码突变或SV驱动知识有限，多数研究使用基因panel、外显子测序或较小WGS数据集，发现全基因组驱动能力不足。相当部分前列腺癌仍无或仅一个驱动可解释，且尚无研究系统评估这些驱动对临床结局尤其转移的功能影响。因此，研究人员基于PPCG 961例原发前列腺肿瘤WGS，标准化流程，整合组学与临床数据，识别已知和推定编码及非编码驱动，研究网络和通路，鉴定分子亚型用于患者风险分层。

主要关键技术方法：研究人员使用PPCG队列1001名男性，纳入961份原发前列腺肿瘤-正常配对WGS，样本来自加拿大、德国、英国、澳大利亚、丹麦、法国六国，中位肿瘤和正常测序深度分别为69和41，494例有匹配RNA-seq。分析六类体细胞改变：CNA增益/缺失、蛋白编码SNVs/indels、非编码SNVs/indels、SV断点、双等位失活（BI）和局灶扩增。采用dNdScv、ActiveDriverWGS、Curveball、GISTIC2及自定义CNA算法、CESAM、ConsensusClusterPlus、随机森林、CoxPH、ActivePathways、BayesPrism等。验证使用TCGA-PRAD 387例、PPCG 103例转移肿瘤（含46例de novo转移）及113例非洲血统外部队列。

研究结果：
Recurrent genomic alterations in prostate cancer（前列腺癌复发性基因组改变）。通过整合六类改变，发现44个复发性CNAs：8q24 MYC增益16%，8p21 NKX3-1丢失58%，10q23 PTEN丢失35%，17p13 TP53丢失33%，13q14 RB1丢失40%；MDM4、GATA2、TERT、CCND1增益；AR扩增1.1%。SV分析发现29个复发性基因组改变（RGAs），ETS重排51%，PTEN破坏性SV 16%。蛋白编码SNV/indel仅20个基因，非编码SNV/indel 69个RGA，BI涉及43个TSGs和290个基因。53个RGA频率至少1%，其中57%为已知前列腺癌驱动，21%为其他癌症COSMIC基因，23%为未报道候选；20/53不能由标准panel或外显子测序检测。PTEN、FOXA1、TP53、CHD1呈现多种改变类型。结论：WGS整合扩大驱动谱，揭示非编码和SV候选驱动。

Diversity of genomic alterations in prostate cancer（前列腺癌基因组改变多样性）。通过整合不同改变类型，97%肿瘤至少一个RGA，平均8.4个；CNA占91%，SV占69%，蛋白编码改变36%，BI 37%，癌基因扩增4.8%，非编码SNV/indel 44%。排除CNA后，88%肿瘤至少一个RGA，平均2.7个。ETS融合51.4%，其中ERG 47%。dNdScv发现20个蛋白编码驱动，富集高破坏性改变，indel过代表（P = 1.3 × 10^?46，OR = 5.5），涉及ID5。ActiveDriverWGS发现92个非编码或SV富集基因/元件；FOXA1、KLK2、SLC30A4、NEAT1、MALAT1独立富集SV和小突变。KLK2启动子SNV/indel 15例，FDR = 0.013；3’UTR SV 15例，FDR = 7.4 × 10^?5。ZNF280D内含子增强子热点16例，FDR = 2.8 × 10^?18，C>T创建NR1I2和NR1I3结合位点。EPHA1-AS1非编码改变8.1%。FOXA1有三种改变模式。SV中易位富集（P = 1.8 × 10^?60，OR = 2.4）。BI中PTEN 13%，CHD1、TP53、BRCA2、APC各2–5%；10% BI肿瘤有致病种系变异和体细胞第二击。转移肿瘤富集PTEN BI 50%、AR扩增5.8%、MYC/MDM4/COL5A1增益11%、TP53改变、FOXA1和NEAT1 SV。非洲血统肿瘤ETS低（13% vs 56%），MYC增益高（40% vs 17%），MDM4/GATA2增益，CDK12/KMT2C突变。结论：多层面整合提高敏感性，祖先相关驱动谱向更具侵袭性的改变偏移。

Functional interactions of prostate cancer drivers（前列腺癌驱动因素功能相互作用）。通过通路和网络分析，268条通路涉及53个靶基因，归入12个功能主题，包括缺氧、前列腺发育、细胞周期、凋亡、免疫反应、microRNA调控和同源重组修复。缺氧相关改变占76%，PI3K/AKT占60%，P53占64%，AR占65%，TGF-beta占33%。同源重组（BRCA1、BRCA2、ATM、POLE、RAD51B）和免疫（IL6ST、JAK1）改变可定义亚群。发现90个显著RGA对；PTEN与ETS共改变181例 vs 预期120例，并与MYC、SPOP、CHD1、FOXA1互斥，覆盖80%肿瘤，支持ETS+和ETS-亚型。376例ETS-/SPOP-肿瘤富集MYC、FOXA1等19个RGA。长程染色质相互作用分析发现41个远端互作；FOXA1下游SV热点连接MIPOL1，SV肿瘤MIPOL1表达升高；NEAT1/MALAT1子网络在9.3%肿瘤改变并共表达。药物靶点分析基于OncoKB和CiViC Level 1证据，221例（23%）有可靶向改变，包括PTEN 13%、PIK3CA 1.7%、BRCA2 2.9%可用于PARPi（PARP抑制剂），12例高肿瘤突变负荷（TMB ≥10），7例有TSG BI，4例MSH2 BI；69%供者可归于潜在靶向治疗。结论：驱动汇聚核心通路并提供治疗靶点。

Structural variants hijack enhancers of solute carrier genes（结构变异劫持溶质载体基因增强子）。通过RGA分析，发现SLC30A4在15q21.1的SV热点，26例肿瘤，FDR = 1.9 × 10^?9。SV断点影响基因体和上游增强子，富集H3K27ac、H3K4me₃和BRD4。多数SV为SLC30A4与ERG、ETV4、ETV1、MYC等远处癌基因易位，并与ETS改变及TMPRSS2/ERG互斥。类似模式见于SLC45A3。全基因组分析发现额外6个SLC基因，SLC4A4在3例，SLC26A7、SLC12A1、SLC22A16、SLC2A12、SLC14A2各1例，总计2.8%前列腺肿瘤。GTEx正常组织显示SLC表达与致癌SV数量对应，SLC45A3和SLC30A4高表达且常被劫持；84% SLC基因在前列腺组织中上调；AR结合位点富集，尤其重排SLC基因。CESAM算法显示SLC重排伴随ERG、ETV1、ETV4、FLI1、SKIL上调。结论：AR介导机制，SV在肿瘤发生早期劫持SLC组织特异癌增强子以驱动癌基因上调。

Clinical and functional characteristics of RGA-based prostate cancer oncotypes（基于RGA的前列腺癌oncotypes临床和功能特征）。通过CoxPH模型分析709例完整临床注释肿瘤，六种RGA与MFS相关：TP53和CHD3蛋白编码突变，COL5A1和MDM4 CNA增益，FOXA1 SV，BRCA1丢失。单变量中TP53 FDR = 0.0027，HR = 3.3；MDM4 FDR = 0.0041，HR = 3.8；COL5A1 FDR = 0.0041，HR = 4.7；BRCA1、TP53、ZBTB16丢失。FOXA1 SV富集RGA与MFS相关，FDR = 0.0027，HR = 5.8，而编码和非编码SNV不相关。COL5A1增益差异表达112个基因，富集细胞增殖和DNA复制。早期发病富集ETS和IGF2R SV，晚期富集SPOP和CHD1。高RGA负荷与较短MFS相关。共识聚类922例至少一个RGA的肿瘤，发现四个oncotypes；MFS趋势P = 0.063，log-rank P = 1.7 × 10^?14，生化复发P = 0.014和2.4 × 10^?17；TCGA 387例随机森林验证，无进展间期likelihood P = 0.0030，log-rank P = 4.2 × 10^?4。Oncotype 4“TP53/LOH”93例，10年转移35%，PIK3R1丢失90%，MAP3K1、chr8p、NKX3-1、TP53、PTEN改变，染色体不稳定P = 2.5 × 10^?41。Oncotype 2“MYC/BRCA2”198例，10年转移22%，chr8q/MYC增益40%，MDM4/GATA2，CHD1/BRCA2 BI，CDK12/SPOP/EPHA1-AS1改变，高分级、高T分期、高PSA，非洲血统富集。Oncotype 1“RGA-desert”374例，10年转移5%，改变少，早诊断、低分级和低分期。Oncotype 3有257例，ETS改变82%，PTEN SV、丢失和BI。转录组和肿瘤微环境（TME）分析显示，oncotype 2最独特，4000个上调基因和145条通路，涉及DNA复制、细胞增殖和同源重组；oncotype 4富集细胞外基质降解和增殖，成纤维细胞富集；oncotype 2上皮签名富集，呈TME耗竭；oncotype 1富集肌肉调控、平滑肌和肥大细胞签名，可能低肿瘤纯度；oncotype 3富集能量代谢和RNA加工。整合突变足迹显示oncotype 2富集IMF6复制应激和IMF5同源重组缺陷。结论：驱动模式与临床和分子特征复杂交互，两个高风险oncotypes具有较短MFS。

讨论总结：前列腺癌由基因组改变尤其SV和CNA起始和传播。多数前列腺癌仅有少量驱动改变，部分无驱动，除总体基因组不稳定外已知预后信号少。WGS结合良好临床注释对临床转化、治疗开发和机制理解关键。该研究扩展驱动景观，识别复发性复杂SV、非编码SNV/indel、致癌重复和TSG双等位失活，许多有临床、转录或通路证据。无监督聚类基于驱动揭示临床相关亚型，包括由复发性癌基因改变或TSG杂合性缺失定义的侵袭性肿瘤。非编码区约占98%，控制转录、复制和基因组维持，仍探索不足，在前列腺癌尤其重要，因其非编码SV多而蛋白编码SNV/indel少。研究在SLC基因发现复发性SV热点，包括SLC30A4；证据表明SLC复发性SV主要驱动机制为增强子劫持以上调远端癌基因。SLC增强子劫持频率与前列腺组织SLC表达成正比；最常被劫持的SLC增强子受AR调控，AR已知具致突变性，提示AR结合促进SV介导增强子劫持，AR结合可能促进高转录活性和SV形成。研究支持WGS在鉴定非编码调控驱动改变中的价值。PPCG优势为大队列统一处理及丰富临床数据，可回答驱动临床相关性尤其转移。局限包括测序深度和瘤内异质性可能低估驱动景观；复发是正选择可靠指标，但测序伪影或未知位点特异突变过程可能假阳性；研究聚焦高置信变异。表观遗传也可驱动癌基因失调包括TSG抑制，由伴生研究探索。患者祖先影响驱动类型，非洲血统ETS融合低而FOXA1高；PPCG欧洲血统富集，未来多样血统研究将更完整。精准肿瘤学中WGS是最全面平台，分辨率更高、处理成本降低，可发现非频发和非编码候选驱动。这些发现有助于治疗靶点或生物标志物、患者分层、临床试验或主动监测；系统基因组编辑RGA结合表型分析将加深对侵袭性前列腺癌遗传和分子通路的理解。研究结论翻译：该研究揭示原发性前列腺癌中基因组驱动改变的全谱和复发模式，并为生物标志物开发、机制研究和潜在治疗干预提供靶点。