文献解读:综合基因分析结合转录和蛋白质水平上的实验分析

今天和大家分享的是2020年2月发表在Cancers(Basel)(IF:6.126)上的一篇文章,“Genomic Signature of the Standardized Uptake Value in 18F-Fluorodeoxyglucose Positron Emission Tomography in Breast Cancer”。本文通过对3710例BRC(乳腺癌)患者进行综合基因分析,确定了SUV signature,该signature对预测BRC患者的预后和治疗有重要意义。对SUV,突变和基因表达变化的综合研究表明,高SUV患者对ICIs治疗有反应。通过对BRC细胞系在转录和蛋白质水平上的实验分析,作者还证实了致癌转录因子和代谢相关基因与SUV之间的相互作用。

Genomic Signature of the Standardized Uptake Value in 18F-Fluorodeoxyglucose Positron Emission Tomography in Breast Cancer

乳腺癌中18F-氟脱氧葡萄糖PET-CT显像中SUV的基因组signature

一、 研究背景

SUV(标准化摄取值)表示FDG-PET中葡萄糖的摄取程度,是已知的预后预测因子。研究表明葡萄糖代谢在恶性肿瘤的发展中有很重要的作用。因此,了解糖酵解与FDG-PET在恶性肿瘤中的关联可能为BRC提供新的靶向代谢的治疗选择。

 

二、 分析流程

三、 结果解读

1. 转录组数据分析反应BRC患者的SUV变化

作者在Table1中列出了该研究中所用的3710例患者的基线数据。作者首先对YSU队列进行基因表达谱的分析。通过皮尔森相关检验获得SUV相关的基因集(1424个基因),对此基因集进行层次聚类分析,将BRC患者分为SHC(SUV高簇)和SLC(SUV低簇)。作者通过费舍尔精确检验,比较根据SHC/SLC以及SUV cut-off值(SUV≤4 或 >4)这两种标准划分患者,观察到BRC患者的分类情况显著相似,且两种分类对疾病复发的估计没有差异,表明SUV相关基因可以反应SUV的预后特征。

通过研究这1424个基因的表达模式,作者观察到细胞周期,胞质分裂和DNA修复相关的基因在SHC中表达更高。

为了验证SUV相关基因的表达模式,作者将1424个基因应用于YSU-TNBC队列中的表达数据,进行层次聚类分析显示根据该SUV相关基因分类患者和SUV值分类患者显著相似,与YSU队列的研究成果一致。

同时作者也在YSU-TNBC队列中得到了一个SUV相关的基因集,将此基因集与在YSU队列中得到的相关基因集相交,得到229个基因。

Table1:BRC患者的基线数据

迄今为止,用于BRC患者分类的SUV cut-off值尚未标准化。由于SUV相关的基因反应了SUV的预后特征,作者试图确定与SUV相关基因表达改变对应的SUV阈值。在图1A和B中,作者展示了对1424个基因以及229个基因进行层次聚类对应SUV的cut-off值,均为4.6。这可能是SUV的潜在分层标准。

图1A和B:YSU队列中的SUV值和SUV相关基因表达模式的比较

在DNA修复相关的基因中,FOXM1的mRNA表达水平与SUV密切相关,是两个风险亚组的最高判别因子。为了验证这一结论,作者在YSU-FFPE队列中评估了FOXM1的mRNA和蛋白质表达水平。如图1C所示,FOXMI在高SUV患者中高表达,这表明FOXMI是预测SUV的关键因子。

图1C:YSU-FFPE队列验证FOXM1的mRNA和蛋白质表达水平。

 

2. SUV相关基因的生物学认识

首先,对SUV相关的1424个基因进行了功能富集分析。结果表明,与癌症,细胞周期和组织发育有关的基因被高度富集。同时,作者发现大量基因参与DNA的复制重组和修复。这表明DNA的异常修复与BRC的SHC患者的不良预后有关。

为了确定与SUV相关的主要调控因子,作者对SUV相关基因进行了上游调控因子分析。结果显示出重要的激活或抑制调控因子,其中最强的激活因子是FOXM1。在这些上游调控因子中,作者找到了与SUV亚组相关的信号轴:FOXM1-AURKB-CDKN1A。其中,FOXM1和AURKB的表达水平在SHC中显著高于SLC,这提示了FOXM1-AURKB信号通路可能是SHC患者预后不良的关键因素。对于CDKN1A,尽管它调控的基因网络与SUV亚群显著相关,但未观察到CDKNIA的表达与SUV亚组之间的关联。

作者还进行了调控效应分析,以评估上游调控因子及其作用因子显著激活了哪一些生物功能。结果表明,与SUV相关的调控因子展示出了top的调节剂作用,激活了肿瘤细胞中几个细胞周期阶段的胞质分裂和失调。这些基因在SHC中显著高表达,提示SUV具有强大的生物学特征,与FOXM1以及其他重要的调控因子协同激活下游效应子的生物学机制相适应,随后导致胞质分裂或细胞周期失调。

 

3. SUV signature与预后

先前的研究表明,SUV在预测患者预后具有重要意义。作者接下来鉴定分子signature,并使用该signature来验证其在BRC患者中的预后相关性。

分层聚类分析根据SUV相关基因将患者分为SLC和SHC,进行KM生存分析。图2A和B可见,YSU队列中,SHC患者的DFS和癌症特异性生存率均显著低于SLC患者。同时作者还利用来自UNC队列(C),TCGA队列和METABRIC队列(D)的患者进行验证,结论与先前一致。

图2:SUV signature亚组的KM生存分析

为了进一步评估SUV-signature的预后独立性,作者结合了YSU和UNC队列的数据,结合临床病理学的风险因素,进行了COX回归分析(Table2)。结果可见SUV signature对BRC的复发预测具有统计学意义。作者还对METABRIC队列进行了分析,结果证实该signature预测BRC患者的DFS稳健。上述分析表明SUV signature具有独立的临床意义。

Table2:对BRC患者的DFS进行单因素和多因素COX回归

 

4. BRC中SUV基因组亚型的变异概况

作者接下来探究TCGA队列中SUV signature相关的体细胞突变。可见SHC中的TMB显著高于SLC(图3A)。然后,在所有BRC中选择了突变频率>1%的基因。图3B展示了在TCGA队列中,SHC和SLC之间的致癌 signature中的4个基因和代谢通路中的10个基因具有显着不同的突变率,其中TP53是SUV亚组之间的最高判别因子,其在SHC中的突变频率显着高于SLC;而PIK3CA则是SUV亚组的另一个重要判别因子,其在SHC中的突变频率显着低于SLC。

同时,补充材料中还展示了,作者在比较METABRIC队列中SLC和SHC之间的突变方式时,验证了SUV亚型之间TP53和PIK3CA的互斥突变模式,与TCGA队列的结果一致。

图3A-B:SUV亚组与BRC核心分子特征之间的关联

作者还比较了已知的分子和组织学亚型与SUV signature展现的体细胞突变(图3C)。

  1. SHC患者中ER和PR阴性的频率更高;
  2. 突变型TP53,野生型PIK3CA患者的ER或PR阴性状态发生率更高。
  3. HER2的状态在SUV亚组之间模糊不清,因此作者根据HER2状态对BRC进行重新分组。在每一个HER2亚组中都将SLC和SHC明确的分开了,且其中还可以观察到互斥的TP53和PIK3CA突变模式以及SHC中ER阴性样本的富集。

同时,在图3C中可见,SHC中TNBC患者的发生率显着高于SLC,表明SHC患者的预后较差。且绝大多数TNBC患者都是TP53突变和PIK3CA野生型。对于组织学分型,大多数浸润性小叶癌患者属于SLC亚型,SHC亚型中大多为浸润性导管癌,而许多基底型的BRC患者也属于SHC亚型。

图3C-D:SUV亚组与BRC核心分子特征之间的关联(左列为SLC,右列为SHC)

 

5. SUV signature与对ICI反应的关联

由于TMB是预测ICI(免疫检查点抑制剂)反应的有效的生物标志物,且SUV亚组之间的TMB有显着差异,因此作者试图确定SUV signature对ICI治疗反应的预测价值。同时,对免疫检查点基因的表达水平研究发现,除了PD-L1(CD274)外,SUV亚型之间的表达差异很大。

另外,由于DNA损伤应答和修复(DDR)基因的激活与ICI应答显着相关,因此,作者还估计了DDR基因的表达水平,证实了SHC患者的DDR基因高表达。DDR基因高表达的规律还出现在突变型TP53和野生型PIK3CA的BRC患者中,这暗示互斥TP53和PIK3CA对ICI的预测价值。

在SHC亚组中,TGFβ通路基因被显着下调,上皮-间质转化(EMT)基因在基因表达上也有差异。这个结论与已知的TGFβ减弱了患者对ICI的反应的结论一致。

目前为止,在基因组水平尚无ICI反应性数据,作者验证了SUV signature对ICI(阿托珠单抗,PD-L1)在尿路上皮癌(UC)的治疗预测价值。当在UC队列中使用BRC的SUV signature,发现SHC亚组的ICI反应率显著高于SLC,表明SHC患者可选用ICI治疗。

 

6. FOXM1-LDHA信号通路介导的SUV signature的实验表征

通过观察与SUV signature相关的致癌或代谢通路的基因,作者试图确定FOXM1的上游调节因子及下游效应因子。重新检测显著突变基因与SUV signature,发现TP53的上游网络显著过表达。TP53形成了一个主要的中心基因网络,与以FOXM1为中心的基因网络相连接。许多代谢相关的基因受到TP53的调控,其中LDHA还受到FOXM1的调控,与糖酵解-糖异生有关。糖酵解-糖异生基因的表达水平在SUV亚组之间有显著差异。

与FOXM1表达相似(图1C),在蛋白质水平评估接受术前FDG-PET检查的YSU-FPE队列中的FPE组织,证实高SUV患者的pLDHA细胞质染色高于低SUV人群。上述结果表明,SUV还反映了由TP53和FOXM1调节的葡萄糖代谢。

接下来作者使用FOXM1和LDHA进行了体外实验,来验证SUV signature以支持FOXM1调节的葡萄糖代谢。将SUV Signature应用于52个BRC细胞系,作者鉴定出两个BRC细胞系进行进一步研究。进一步估计FOXM1和LDHA的mRNA和蛋白水平,作者选择MDA-MB231和BT549作为SHC细胞系,T47D和ZR75-1作为SLC细胞系(图4A)。

图4A:BRC细胞系的FOXM1和LDHA的mRNA和蛋白水平

使用pFOXM1转染SLC细胞系时,FOXM1,LDHA的mRNA和蛋白水平以及LDHA的磷酸化水平均升高;使用siFOXM1转染SHC细胞系时,LDHA和pLDHA的水平降低了(图4B)。

作者还进行了乳酸和葡萄糖摄取测定,以研究FOXM1表达是否与BRC细胞中的乳酸产生、LDHA活性和葡萄糖利用率有关。结果显示FOXM1过表达增加了SLC细胞中的葡萄糖利用率和乳酸的产生,而相反,在siFOXM1转染的SHC细胞中,葡萄糖利用水平和乳酸生成水平降低(图4C)。这些结果表明,FOXM1转录调节BRC中的LDHA的表达,这表明SHC的侵袭性可能通过激活FOXM1-LDHA信号通路来调节。

图4B-C:FOXMI调节BRC细胞中LDHA的表达,葡萄糖利用和乳酸的产生。

小结

       作者确定了一个基因组signature,揭示了从FDG-PET扫描获得的BRC患者与SUV相关的亚型。在临床方面,作者还评估了SUV signature对预后和ICI反应性的关系。本研究还揭示了葡萄糖摄取的基因组和代谢组学特征,进一步理解了葡萄糖代谢,并支持高SUV的BRC患者的不良预后。 尽管该研究的数据揭示了SUV signature的重要性,但仍需进行进一步的验证研究,以鉴定易于评估的生物标记物,该生物标记物由稳健提示SUV的小基因集组成。

文献解读

GSEA分析:高级的富集分析

2020-10-7 21:23:16

文献解读

文献解读:肿瘤干性指数的新生信分析思路

2020-10-7 21:29:40

加入Q群
0 条回复 A文章作者 M管理员
    暂无讨论,说说你的看法吧
个人中心
今日签到
有新私信 私信列表
搜索