肺癌是全球范圍內(nèi)與癌癥相關(guān)的死亡率的主要原因。腺癌是肺癌的主要組織學(xué)亞型,占肺癌病例大約40%。盡管最近多模式療法方面取得了進(jìn)展,但肺腺癌的總體5年生存率仍約為15%。這主要是由于晚期診斷和缺乏有效的治療靶點(diǎn)。肺腺癌的發(fā)展是一個多步驟的,不斷發(fā)展過程,其中涉及環(huán)境暴露和分子改變,包括種系變異,體細(xì)胞變異,轉(zhuǎn)錄和外遺傳改變的多樣性之間的相互作用。
最近,通過整合多維組學(xué)數(shù)據(jù),癌癥基因組圖譜(TCGA)小組對肺腺癌進(jìn)行了分析,并確定了幾種致癌途徑中具有可靶向候選物的分子亞型。但是,由于腫瘤內(nèi)異質(zhì)性,肺腺癌發(fā)生和發(fā)展的生物學(xué)機(jī)制仍然難以捉摸。盡管一些肺腺癌相關(guān)增強(qiáng)子RNA(eRNAs)已經(jīng)TCGA樣本中描述了,但它們的轉(zhuǎn)錄表觀、分子特征以及中國肺腺癌中的臨床應(yīng)用在很大程度上仍然未知。
近日,南京醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院全球衛(wèi)生中心流行病學(xué)教研室的馬紅霞教授及其團(tuán)隊通過整合來自南京肺癌隊列(NJLCC)的80例肺腺癌患者的全基因組測序(WGS)和RNA-seq,提出肺腺癌中eRNA的全基因組檢測和表征,并在481例TCGA肺腺癌患者中進(jìn)一步評估了基于eRNA的分子亞型的分子特征和預(yù)后價值。相關(guān)研究以“Comprehensive characterization of functional eRNAs in lung adenocarcinoma reveals novel regulators and a prognosis-related molecular subtype”為題發(fā)表在Theranostics雜志上,雜志影響因子為8.579。
技術(shù)路線:
結(jié)果:
1、 肺腺癌中的eRNA
作者用80個NJLCC肺腺癌腫瘤旁正常對的RNA-seq數(shù)據(jù),全面分析了48453個先前注釋的增強(qiáng)子(FANTOM5和ENCODE)的表達(dá)信號(圖A),共檢測到11937個eRNAs,在超過10%的樣本中有表達(dá),包括1552個外顯子,3297個基因間和7088個內(nèi)含子eRNAs(圖B)。此外,將3297個中位長度為699 bp(75 ~ 6598 bp)的基因間eRNA納入以下分析,以避免轉(zhuǎn)錄基因的影響。腫瘤樣本在整體水平(所有eRNA的表達(dá)組合)(圖C)和個體水平(每個eRNA的表達(dá))的eRNA表達(dá)均顯著高于癌旁正常樣本,其中15.68%的eRNA在腫瘤樣本中高表達(dá),7.19%在癌旁樣本中高表達(dá)(圖D)。
2、 吸煙暴露影響eRNA表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控
當(dāng)評估按年齡、性別或吸煙史劃分的亞組間eRNA的表達(dá)差異時,發(fā)現(xiàn)eRNA表達(dá)與年齡或性別無相關(guān)性(圖A)。然而,吸煙者的正常組織中eRNA表達(dá)比不吸煙者顯著升高,正常吸煙者的表達(dá)水平與腫瘤樣本中的表達(dá)水平相當(dāng)(圖B)。這些發(fā)現(xiàn)表明,吸煙暴露和腫瘤發(fā)生的過程都會影響eRNAs的表觀遺傳修飾。共表達(dá)和GSEA分析闡明了4組樣本(吸煙者和非吸煙者的腫瘤樣本以及正常癌旁樣本)中3297個eRNAs的生物學(xué)功能(圖C)。在腫瘤(吸煙者和非吸煙者)樣本中發(fā)現(xiàn)的eRNA相關(guān)基因主要參與免疫系統(tǒng)相關(guān)通路,即適應(yīng)性免疫應(yīng)答通路,在腫瘤非吸煙者中鑒定出的eRNA相關(guān)基因也參與細(xì)胞周期相關(guān)通路,即染色體分離通路。在正常(吸煙者和非吸煙者)樣本中鑒定出的基因主要參與修飾和mRNA代謝過程相關(guān)途徑。當(dāng)使用Reactome和KEGG數(shù)據(jù)集時,在不吸煙者的腫瘤樣本中復(fù)制細(xì)胞周期和免疫系統(tǒng)相關(guān)通路中eRNA相關(guān)基因的特異性富集(圖D-E)。
3、 癌癥驅(qū)動基因和臨床可操作基因在eRNA相關(guān)基因中過度表達(dá)
為了確定肺腫瘤發(fā)生過程中的eRNAs相關(guān)基因,我們在腫瘤樣本中建立了一個整體的eRNA-基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),并確定了14267個與3204個eRNAs有顯著表達(dá)相關(guān)性的PCGs,其中9239個位于2471個共表達(dá)eRNAs的同一染色體。eRNAs和相關(guān)基因之間的距離直方圖隨著距離的增加而急劇衰減,并在一個Mbp距離內(nèi)表現(xiàn)出顯著的富集(圖A)。52.56% PCGs被定位到少于3個不同的eRNAs(圖B),而55.00%的eRNAs被預(yù)測與少于10個相關(guān)PCGs相互作用(圖C)。然后,從癌癥基因普查(CGC)中收集了615個候選癌癥驅(qū)動基因和135個癌癥臨床可操作基因(CAGs),并確定81.46%的CGC基因和82.96%的CAGs與eRNA相關(guān)。這兩組癌癥相關(guān)基因在eRNA相關(guān)基因中明顯過度表達(dá),應(yīng)用GSEA方法時也觀察到相似的結(jié)果(圖D-E)。
4、 基于eRNAs的功能性聚類與基因組畸變相關(guān)
基于共表達(dá)的eRNA-PCG對,作者將188個(129個上調(diào),59個下調(diào))共表達(dá)上調(diào)或下調(diào)PCGs的eRNAs定義為進(jìn)行一系列過濾過程后肺腺癌的功能性eRNA-PCG對,基于這188個eRNA的共有聚類分析得到了3個穩(wěn)健的簇(簇1、簇2和簇3)(圖A),盡管三個簇中的患者具有相似的表達(dá)水平,但兩種最常見的癌癥基因組事件類型(體細(xì)胞突變和拷貝數(shù)改變)差異很大(圖B)。簇1中的患者表現(xiàn)出正常樣基因組模式,基因組改變水平最低;然而,SETD2(一種已確定的肺腺癌突變驅(qū)動基因)僅在這些患者中發(fā)生突變;集群2中的患者富集了吸煙者和具有中位突變率水平和拷貝數(shù)改變水平;由于簇3中的患者具有最高水平的基因組改變,許多基因的拷貝數(shù)改變被過度表達(dá),如TERC、PTPRD和MYC。由于簇3中的患者表現(xiàn)出最高的基因組不穩(wěn)定性水平,我們確定與其他兩組患者相比,該組患者中下調(diào)的基因主要參與來自NJLCC和TCGA項目的免疫相關(guān)通路(圖 C)。然后,作者評估了簇3中患者的臨床結(jié)局,并確定與簇1中的患者相比,該組患者的生存狀態(tài)相對較差,以OS和PFI作為終點(diǎn),而DFI不是終點(diǎn)(圖D)。
5、 拷貝數(shù)擴(kuò)增激活肺腺癌中eRNA的表達(dá)
當(dāng)評估基因組改變對eRNA表達(dá)的影響時,我們觀察到與擴(kuò)增基因組部分呈正相關(guān)(圖A),其中未發(fā)現(xiàn)體細(xì)胞突變率的顯著相關(guān)性(圖B)。通過整合拷貝數(shù)信息(圖C),我們確定了上述129個上調(diào)的eRNAs中的4個在肺腺癌樣本中被CNA激活,這些eRNAs靶向FOXO6、TERT和PAX9。一個有趣的發(fā)現(xiàn)是FOXO6作為肺腺癌的一個新的驅(qū)動基因的鑒定,觀察到兩個NJLCC中EGFR突變樣本中FOXO6-eRNA和FOXO6的表達(dá)顯著升高,表明FOXO6-eRNA的激活可能是EGFR依賴性的。
結(jié)論:
本研究鑒定的eRNA相關(guān)基因主要參與細(xì)胞周期和免疫系統(tǒng)相關(guān)途徑,基于eRNA的共識聚類進(jìn)一步確定了一種具有免疫缺陷和高水平基因組改變的新型分子亞型,其與肺腺癌患者的不良臨床結(jié)局相關(guān)。eRNAs的全基因組鑒定和表征揭示了肺癌發(fā)生的新調(diào)控因子,這為理解肺癌發(fā)生過程中的eRNAs提供了一個新的生物學(xué)維度,并強(qiáng)調(diào)了基于eRNAs的分子亞型在肺腺癌治療中的臨床實(shí)用性。
參考文獻(xiàn):
Na Qin1, Zijian Ma, Cheng Wang, et al. Comprehensive characterization of functional eRNAs in lung adenocarcinoma reveals novel regulators and a prognosis-related molecular subtype. Theranostics. 2020; 10(24): 11264-11277.