肿瘤多区域取样的进化分析五:肝癌肿瘤内基因组异质性变化

Variable Intra-Tumor Genomic Heterogeneity of Multiple Lesions in Patients With Hepatocellular Carcinoma
Gastroenterology IF:19.233;2016 Apr
许多肝细胞癌(HCC)患者有多个病变(原发肿瘤、肝内转移、多发、伴发结节、肿瘤血栓),都会导致预后不良和术后肿瘤复发。

肝癌患者的瘤内异质性程度差异很大。单个病变的序列分析不能完全表征某些患者HCC的基因组特征。多病变的基因组比较将提供肿瘤进展相关的遗传变化信息。

背景介绍
先来了解一下本文中使用的缩写吧:

  • cHCC-ICC,combined hepatocellular and intrahepatic cholangiocarcinoma,肝细胞癌伴发肝内胆管癌;
  • HBV,hepatitis B virus,乙肝病毒;
  • HCC,hepatocellular carcinoma,肝细胞癌;
  • ICC,intrahepatic cholangiocarcinoma,肝内胆管癌;
  • IM,intrahepatic metastasis,肝内转移;
  • ITH,intratumor heterogeneity,瘤内异质性;
  • MCT,multicentric tumor,多中心肿瘤;
  • MO,multiple occurrences,多发;MG,multiple occurrence group,多发组;
  • MLs,multiple lesions,多发病灶;
  • P,primary,原发;PG,primary group,原发组;
  • SN, satellite nodule,卫星结节;
  • TT,tumor thrombus,肿瘤血栓.

手术切除是HCC患者的主要治疗方式但预后很差,切除后肝内复发率高,这与患者体内存在MLs密切相关。目前尚未对所有与HCC相关的主要MLs进行全面的基因组分析。此外,多区域测序分析表明在许多癌症中,存在瘤内异质性(ITH)。

根据MLs在肝脏的空间分布分为两组:肝脏组织病变组和肿瘤血栓组(Figure 1),前者包括原发灶和分离的继发灶。根据其临床病理特征,继发性病变分为肝内转移(IM)和多中心转移(MO)。IMs和MOs有不同的危险因素和预后。卫星结节(SNs)是肝脏组织中一种特殊的继发性显微镜病变,常规的成像方法无法显示。SNs、IMs、MOs很难用传统方法确定。

在本研究中,我们对HCC患者的MLs进行了基因组测序(Figure 1),不同患者间的ITH程度不同。对同一患者的MLs进行比较分析,重建肿瘤的进化过程。

数据介绍

收集2013年1月至2014年5月天津肿瘤医院肝癌手术切除患者。共53个样本,包括43个病变样本和10个匹配的非癌肝组织或血液样本。共鉴定出1474个非同义突变和496个同义突变。

结果解析
01
HBV相关HCC患者的基因组结构

发现了特征如C:G>T:A为主和T:A>A:T为主的转位。与生殖系变异相比,9例患者的T:A>A:T转位显著增强,8例患者的C:G>A:T转位显著增强。

除了TP53、AXIN1、RB1、CTNNB1等潜在的HCC驱动基因突变外,还发现COL14A1、PLCB4、ACY1等基因突变。

识别癌症分析中重要靶点,发现了显著的扩增和删失区域。

02
突变分析显示患者的ITH程度不同

每个患者非同义突变的区域分布表明,HCC患者的ITH程度存在显著差异。所有病变中均存在的突变被定义为泛在突变,在不同患者中所占的比例8%~90%(Figure 2)。P1、P2、P5、P7可见明显的ITH。

分析ITH与临床病理变量如肿瘤大小、肿瘤分期、复发时间的关系,以探讨ITH程度的临床意义。原发肿瘤大于5cm的患者明显存在较高程度的ITH。肿瘤不大于5cm的HCC预后较好,术后生存率较高。表明ITH范围可能是HCC潜在预后因素。

 

03
HCC患者中CNVs有不同程度的ITH

对所有肿瘤样本的全基因组拷贝数进行相关系数聚类分析。来自相同患者的样本聚在一起,这表明CNV模式在患者内部比在不同患者之间更相似,发现不同患者的CNVs表现出不同程度的ITH

Figure 3:10例HCC患者的全基因组拷贝数变异。(A)10例HCC患者所有肿瘤样本全基因组拷贝数状态的热图。热图中的颜色表示log2(CN/ploidy)值。增加为至少比倍性大1倍的拷贝数,而缺失为至少比倍性小1倍的拷贝数。(B)TCGA中HCC癌症区域重要靶点的基因组分布分布。(C)每个患者的复发性CNVs和泛在性CNVs的百分比。
04
HCC中的分支进化

基于突变构建系统发育树(Figure 4)。P2和P7的树结构短干长枝,提示MLs的转移相对较早。而其他的树结构长干短枝,提示MLs发生在肿瘤进展的晚期。

潜在的驱动突变(如TP53、RB1、AXIN1)常位于树干,但在某些个体中,一些驱动突变(如CTNNB1、RUNX1T1)仅能在某些病变中检测到,位于分支(Figure 4)。驱动基因中的HBV整合(如P8中的MLL4和P2中的TERT和MLL4),在主干和分支中均有发现。这些结果提示,一些驱动因子和病毒整合可能发生于病变进展后期,并在肿瘤分支演化中发挥重要作用

大部分潜在的驱动基因拷贝数明确地定位在系统发育树的主干或单分枝上,这意味着基于突变的树可以高度概括肿瘤的进化史(Figure 4)。

05
肝内转移和肿瘤血栓可在HCC早期发生

本研究对12个IMs和11个TTs进行了测序。在系统发育树中,IMs与原发病变的距离在各个病人样本中是不同的(Figure 4),表明IMs可能发生在肿瘤进展的早期或晚期。8个TTs与原发匹配样本有90%以上的非同义突变。然而,在P7P中,在2个TTs中只识别出约40%的突变。因此,并不是所有的TTs都在肿瘤进展后期转移

06
伴发结节(SN)发生在HCC晚期

对7例患者的9个SNs进行了测序。在系统发育树中,所有的SNs都位于最接近原发的位置(Figure 4),这表明SNs发生于肿瘤恶化晚期。

07
MCTs的肿瘤发生和转移是独立的

根据310个非同义突变将病变分为两组:原发组(PG: P8P、P8T1、P8T2、P8IM)包含194个突变,多发组(MG: P8MO和P8MOSN)包含116个突变,两组显示完全不同的突变谱(Figure 5A)。系统发育树显示了两组有不同的进化途径,提示它们具有独立的肿瘤发生机制(Figure 5B)。

总突变谱在两组间有显著性差异(P=.015)(Figure 5C)。在PG中以C:G>T:A为主,在MG中以T:A>C:G为主。

PG和MG拷贝数变异的基因组区域差异较大(Figure 5D、E),表明它是独立起源的。

总的来说,每个肿瘤中心都可以独立进化

08
肝细胞癌伴发肝内胆管癌有明显的表型病变

P5诊断cHCC-ICC、原发性HCC(P5P)和继发性ICC(P5IM)(Figure 6A)。P5P及其邻近的SNs和P5IM共鉴定150个非同义突变。ICC(P5IM)与其他3个HCC病变(P5P,P5SN1,P5SN2)有102个突变(Figure 6B),包括TP53、CTNNB1和PIK3CB的潜在驱动突变。这表明P5中所有的病变有着相同的克隆起源(Figure 6C)。

小编总结
对HCC患者中多区域病变的基因组测序,使我们能够评估瘤内异质性,并概括这些病变的克隆关系。本研究中对不同患者中ITH、突变、HBV整合和CNVs的变化程度进行了详细的解析,对你有没有什么启发呀?
Reference:
Xue R, Li R, Guo H, et al. Variable intra-tumor genomic heterogeneity of multiple lesions in patients with hepatocellular carcinoma[J]. Science Foundation in China, 2016, 150(2):998-1008.
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