整合性突变特征定义了前列腺癌中的突变过程

《Nature》：Integrated signatures define mutational processes in prostate cancer

　　

摘要
前列腺癌的病程漫长且具有高度异质性，其病因尚未完全阐明。在此，研究人员剖析了泛前列腺癌组（Pan Prostate Cancer Group）959例供体基因组中的突变过程，并评估了其临床相关性。通过将从头提取的单碱基置换（SBS）、插入缺失（ID）和拷贝数（CX）特征与六个新型复杂结构变异（cSV）特征相整合，研究人员确定了八个整合性突变足迹（IMF），它们共同解释了85%的原发性前列腺癌基因组中的突变过程。IMF受到基因组区域偏倚的强烈影响，其中以雄激素受体（AR）介导的突变发生和复制应激最为普遍。存在于37%原发性肿瘤中的四个IMF与更短的转移时间显著相关，包括活性氧（ROS）驱动的突变发生，以及经典和非经典同源重组缺陷（HRD），后者在非洲裔患者中富集。将研究扩展至转移性肿瘤背景后，研究人员发现IMF能够预测对雄激素受体通路抑制剂（ARPI）的敏感性。综上所述，该研究阐明了驱动前列腺癌基因组和临床异质性的病因及突变过程，提出了IMF作为统一框架，并强调了其在改善风险分层和生物标志物指导的治疗选择方面的潜力。

整合性突变足迹揭示前列腺癌的突变过程与临床异质性

前列腺癌是全球第二大常见癌症，也是男性癌症死亡的第五大原因。尽管其发病率高且对患者和社会造成沉重负担，但该疾病从惰性到高度致死性的临床异质性背后所涉及的病因仍知之甚少。前列腺癌受家族史、遗传性胚系突变和患者祖先背景的影响。DNA损伤修复（DDR）基因（如BRCA1或BRCA2）的突变与同源重组缺陷（HRD）相关，存在于约2%的局限性病变和15%的转移性去势抵抗性病变中。其他具有临床意义但罕见的DDR通路包括错配修复缺陷（MMRd）和CDK12失活。作为一种激素驱动的疾病，雄激素信号传导至关重要，由类固醇结合雄激素受体（AR）转录因子的激活所介导。AR激活导致AR靶基因转录激活的广泛变化，即AR顺反组。此外，单核苷酸变异（SNV）和结构变异（SV）在AR结合位点（ARBS）积累，后者与染色体碎裂相关。既往研究主要分别研究这些突变特征，尚未对驱动前列腺癌的病因和突变过程进行整体认识。泛前列腺癌组（PPCG）汇集了来自1001例供体的新鲜冷冻肿瘤标本的全基因组测序（WGS）数据。研究人员在此对该队列进行了全面且整合的突变特征分析，以描述影响并塑造原发性前列腺癌临床结局的突变过程。

研究人员在959例PPCG供体的原发性肿瘤样本中，提取了四种类型的从头突变特征：单碱基置换（SBS）、插入缺失（ID）、复杂结构变异（cSV）和拷贝数（CX）特征。共提取到22个SBS、10个ID、8个CX和6个cSV特征。两个SBS特征（SBS52和SBS54）根据COSMIC特征注释被视为人工产物而排除。在899例具有可用拷贝数谱的样本中，321例（37.4%）被归类为拷贝数稳定（非CIN）。研究人员鉴定出六个稳定的cSV特征并检测其与基因组特征的关联以推断推定病因。cSV1编码了晚复制区域缺失、染色体碎裂、倒位和局部2-跳变的特征性模式，提示复制应激为推定病因。cSV2具有与ARBS附近SV及染色体碎裂相关的特征性模式，提示AR驱动的转录活性为病因。cSV4和cSV5按不同大小的串联重复片段和串联重复表型（TDP）对患者进行分层。cSV6与HRD相关突变特征SBS3、ID6和CX3显著相关，并与经典基因双等位基因失活导致的HR通路缺陷相关。

研究人员进一步研究了突变过程的拓扑偏倚。简单和复杂SV与APOBEC相关的SNV表现出强烈的距离依赖性共现。在cSV类型中，染色体碎裂断点附近富集了APOBEC相关SNV。高转录基因和早复制区域富集了简单和复杂SV，可能源于复制叉停滞和模板转换或转录-复制碰撞。染色体碎裂事件在肿瘤特异性ARBS（TARBS）处特异性富集。AR结合也与肿瘤中时钟样突变特征在ARBS处的增高相关，包括SBS5、SBS40a、ID5、SBS3和SBS8。值得注意的是，SBS1在TARBS处相对于NARBS和基因组背景均呈耗竭状态。通过牛津纳米孔长读长测序，研究人员发现TARBS处未甲基化CpG富集，提示AR在增强子和启动子处的突变性取决于现有CpG甲基化水平。复制时间分析显示，大多数突变特征在晚复制区域富集，而TARBS在早复制区域相对富集。

鉴于突变过程可同时涉及多种基因组改变类型，研究人员对521例CIN样本的四种特征类型进行了层次聚类，确定了八个整合性突变足迹（IMF）。研究人员通过线性组合分解量化了每个肿瘤内的IMF活性，并进行了多项关联分析以表征其病因。IMF1与MMRd相关特征相关，在微卫星不稳定性病例中活性更高。IMF2与SBS18显著相关，与缺氧评分负相关，提示活性氧（ROS）突变发生。IMF3具有AR介导突变发生的多种标志，包括与cSV2和cSV3显著相关、TARBS处突变率升高，并在ETS融合病例中活性更高。IMF4在涉及有丝分裂机制的基因突变病例中活性显著更高，并显示出与复制应激相关的CNA模式。IMF5在CDK12突变肿瘤中活性显著更高，提示非经典HR受损，并在非洲裔患者中富集。IMF6与cSV1显著相关，在SPOP和WNT通路基因突变病例中活性增加。IMF7与APOBEC相关特征SBS2和SBS13相关，克隆性分析提示APOBEC突变发生为主要病因。IMF8与SBS3、ID6、cSV6和CX3相关，在BRCA2突变和HRD通路突变病例中活性更高，提示经典HR受损。在非CIN肿瘤中，244例被可靠分配了已知突变过程，主要为时钟样突变过程。总体而言，研究人员确定了八个不同的突变过程，结合非CIN肿瘤中的亚群，解释了数据集中85%的原发性前列腺癌。

研究表明，晚期发病肿瘤中IMF6（复制应激）占主导，而早期发病病例中IMF8（HRD）富集。多变量Cox比例风险分析显示，以非CIN病例为参照，由ROS介导的突变发生（IMF2）、AR介导的突变发生（IMF3）、非经典HR受损（IMF5）或经典HR受损（IMF8）驱动的肿瘤表现出高转移风险，且与诊断年龄、Gleason分级组、复制时间比、肿瘤分期和TMB无关。IMF还能够在中等风险的Gleason分级组内进行风险分层。在肿瘤内异质性分析中，来自同一患者的不同肿瘤区域可表现出完全不同的突变过程。在转移性去势抵抗性前列腺癌（mCRPC）队列中，研究人员通过模拟III期随机对照生物标志物试验发现，IMF6活性可预测AR通路抑制剂（ARPI）治疗后治疗失败风险降低，而IMF1、IMF4和IMF5未显示预测能力。

讨论部分指出，AR是前列腺癌的关键驱动因素，超过三分之一的CIN前列腺癌基因组的突变主要归因于与AR介导突变发生相关的IMF3。SNV和SV的区域分布偏倚主要由复制时间、DNA甲基化和AR结合的差异驱动。MMRd特征在染色体稳定肿瘤中也存在。复制应激在前列腺癌中普遍存在，是28%CIN前列腺癌的主要突变过程，提示前列腺癌可能遵循间断平衡模式。虽然该研究并非旨在开发生物标志物，但IMF能够对发生转移的原发性前列腺癌进行分层，且IMF6活性可预测ARPI治疗获益。研究存在局限性，包括8.6%的样本未检测到突变过程，以及部分前列腺癌可能由非遗传过程驱动。总体而言，研究强调突变过程的复杂性需要综合整合方法进行准确识别，支持在临床实践中实施WGS以改善风险分层和推动预测性生物标志物的开发。

结论：该研究通过整合多种突变特征类型，系统描绘了前列腺癌中驱动基因组和临床异质性的突变过程图谱，提出了整合性突变足迹作为统一框架，展示了其在风险分层和治疗选择中的潜在应用价值，为前列腺癌的精准医疗提供了重要基础。