基于分子分类的人类癌症基因组图谱

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        早在2014年,根据12个不同类型癌症3,527份肿瘤样本的中期分析,人类癌症基因组图谱(TCGA)研究团队提出,分子标记可作为不同于传统癌症组织病理学分类的补充。据估计,至少有1/10的癌症患者可利用分子分类指导治疗。目前靶向到ALK、EGFR、ERBB2、ERα、KIT、BRAF和ABL1等癌症信号通路的药物逐年增加,组织学和分子亚型分类已广泛用于肺、乳腺、胃肠道、皮肤和骨髓源性等恶性肿瘤亚型的治疗。
  解剖肿瘤分类系统辅以肿瘤分子水平变化,有助于促进病理分类和癌症治疗的现状。该概念又引申出 “篮子”或"伞式”试验。篮子试验是指以同种靶向药物治疗具有相同靶基因的不同类型癌症。伞式试验则是将具有不同驱动基因的同类癌同时进行靶点检测,并根据靶基因使用不同的靶向药物。
  2018年4月美国国家癌症研究所(NCI)和美国国家人类基因组研究所(NHGRI)在Cell等杂志发表了27篇“泛癌症图谱”分析结果的文章,本文编译自Cell-of-Origin Patterns Dominate the Molecular Classification of 10,000 Tumors from 33 Types of Cancer,该文利用iCluster软件在至少四种TCGA平台上,从33种不同类型肿瘤中鉴定出28个分子亚型,证实与常规临床肿瘤分类系统之间的分类差异和重叠,用TumorMap二维可视化技术,阐释样本和iCluster之间的关系。泛癌图谱的分子分类还提供了基于器官系统或分化状态的分析,包括泛胃肠道癌、泛妇科癌、泛肾癌、泛鳞癌和肿瘤干细胞性特征。文章首次开辟了区分不同肿瘤分子因素的综合视角。
  单平台聚类
  利用非整倍体(AN)、CpG高甲基化(METH)、mRNA(MRNA)、miRNA(MIR)和蛋白(P)等将肿瘤样本分成10~25组。通过染色体臂水平非整倍体聚类得到10组,主要为低突变(AN7)、中突变(AN6, 8-10)和高突变(AN1-5)。
  3,139个CpG位点甲基化无监督聚类成25组,其中至少有一个肿瘤类型是DNA高甲基化,表明人类癌症与DNA高甲基化受已有细胞类型特异性染色质标记或转录的影响。
  10,165个肿瘤样本的mRNA表达谱无监督一致性聚类,产生至少含40个样本的25组。有几个组由不同器官类型的肿瘤组成,如膀胱尿路上皮癌、宫颈鳞癌、食管癌、头颈部鳞癌和肺鳞癌等鳞癌样本组合在一起。组织和器官相似或临近的肿瘤也被分组在一起,包括神经内分泌和神经胶质瘤、皮肤和眼睛的黑色素瘤、透明细胞癌和乳头状肾细胞癌、肾上腺皮质和肾嫌色癌、肝细胞和胆管细胞癌、胃肠癌、消化系统癌、血液和淋巴癌,以及两个混合肺癌组。
  miRNA表达谱无监督分层聚类产生15组,其中6组为单一癌症,其余9组为混合型,包括鳞癌组(MIR2)、泛肾癌组(MIR11)和一个泛胃肠道癌富集组(MIR6)。
  蛋白聚类产生10个蛋白组。P1组(多形性胶质母细胞瘤、低级别胶质瘤)和P2组(弥漫大B细胞淋巴瘤、肉瘤、嗜铬细胞瘤和副神经节瘤、子宫癌肉瘤、胸腺瘤和转移皮肤黑色素瘤),主要为高EMT间充质肿瘤类型。管腔乳腺和妇科肿瘤(管腔浸润性乳腺癌、子宫内膜癌和卵巢浆液性囊腺癌)加高表达ER-α、AR和IGFBP2的肝癌,组成大部分P3和P4组。还有泛肾癌(P6)和泛-胃肠道癌(P8)组。
  数据类型整合聚类
  用集群分配(COCA)算法评估非整倍体、mRNA、miRNA、DNA甲基化和RPPA五个分子平台,分层聚类为单肿瘤样本组和多肿瘤类型样本组。
  肾透明细胞癌和肾乳头状细胞癌(泛-肾癌)、胃肠道肿瘤(结肠癌、直肠腺癌、胃腺癌和食管癌腺癌)在mRNA、miRNA和RPPA上聚类,同时也被DNA甲基化聚类。鳞癌肿瘤(肺鳞癌、头颈部鳞癌、宫颈鳞癌、食管癌和膀胱尿路上皮癌)的mRNA、miRNA和RPPA分类近似,可通过非整倍性和DNA甲基化再细分层。泛妇科肿瘤(浸润性乳腺癌、卵巢浆液性囊腺癌、子宫内膜癌和子宫癌肉瘤)的RPPA数据表明卵巢浆液性囊腺癌和子宫内膜癌(和ER+肝癌)在蛋白水平近似,miRNA、mRNA和DNA甲基化数据则按器官部位分组。13%的浸润性乳腺癌形成受DNA甲基化和mRNA影响。
  用拷贝数、DNA甲基化、mRNA和miRNA对9,759个样本整合分子亚型,确定28个iCluster组(C组)。整体聚类结果贡献比例:拷贝数变异47%,转录组(mRNA和miRNA)42%,DNA甲基化11%。
  16种肿瘤类型中,80%的样本聚类成同组。八个组为单一型:C24-急性髓性白血病、C11-低级别胶质瘤(IDH1突变)、C6-卵巢浆液性囊腺癌、C8-子宫内膜癌、C12-甲状腺癌、C16-前列腺癌、C26-肝癌和C14-肺腺癌。其它含相近细胞或组织的肿瘤为:C28-泛肾癌(肾透明细胞癌和肾乳头状细胞癌)、C15-皮肤癌(皮肤黑色素瘤)和眼黑色素瘤(葡萄膜黑色素瘤)、C23-多形性胶质母细胞瘤/低级别胶质瘤(IDH1野生型)和C5-中枢神经系统和内分泌肿瘤。此外还有六种肿瘤类型:膀胱尿路上皮癌、子宫癌肉瘤、头颈部鳞癌、食管癌、胃腺癌和胆管细胞癌。
  泛胃肠道癌有C1、C18和C4,特征为DNA甲基化:C1-胃腺癌(EB病毒-CIMP)为EB病毒相关肿瘤甲基化;C18-泛胃肠道癌(MSI)为微卫星不稳定性(MSI)肿瘤的胃腺癌和结肠癌;C4-泛胃肠道癌(CRC)为染色体不稳定和非整倍体的结肠癌和直肠腺癌。泛鳞癌有C10、C25和C27:多数肺鳞癌为C10-泛-SCC组,几乎所有宫颈鳞癌为C27-泛SCC(人乳头瘤病毒)。尽管所有鳞癌组都有染色体3号长臂扩增,但C10-泛SCC为9号染色体短臂缺失,C25-泛SCC为11号染色体扩增。
  混合肿瘤类型组中,C7、C2和C13为拷贝数变异:C7-混合型为9号染色体缺失,C2-浸润性乳腺癌基因(HER2扩增)包括ERBB2扩增型肿瘤(浸润性乳腺癌、膀胱尿路上皮癌和胃腺癌);C13-混合型高异倍体肿瘤(8号染色体删除)为浸润性乳腺癌、子宫内膜癌(CN高亚型)、子宫癌肉瘤和膀胱尿路上皮癌的混合型。C3和C20组的非肿瘤细胞组分有免疫和间质特征。
  非肿瘤成分的混合型肿瘤被重点关注。设间质分数等于1 - 肿瘤纯度,白细胞分数来自DNA甲基化。C20中位间质分数最高,其次是C14-肺腺癌、C10-泛SCC和C3,同时也有白细胞分数增加。用间质分数与白细胞分数分布图估算免疫细胞浸润产生多少间质。C3比C20有更多间质由白细胞浸润导致。C3主要是间充质癌,故标记为C3-间充质癌(免疫);C20肿瘤以混合上皮肿瘤为主,标记为C20-混合型癌(间质/免疫)。
  计算每个iCluster主要癌症类型所占比例,绘制在平均iCluster轮廓宽度上测量组内同质性。轮廓宽度为0.05-0.59,最大轮廓宽度为单一型的C11-低级别胶质瘤(IDH1突变)、C126-甲状腺癌、C16-前列腺癌和C24-急性髓性白血病。7个泛器官系统组中有6个(泛胃肠道癌-C1、C4、C18;泛SCC-C25、C27和泛肾癌-C28)也与单癌组有类似范围轮廓宽度,表明该特征在癌症类型主导的iCluster组中非常明显。由共有特定染色体改变驱动的组(如C13-混合型[8号染色体删除]),往往包含多种类型肿瘤,轮廓宽度最窄,分子异质性显著。
  用桑基能量分流图将iCluster的分类关系、癌症类型和器官系统可视化。泛肾肿瘤除肾嫌色细胞癌外几乎全部映射到C28,肾嫌色细胞癌与腺样囊性癌组成C9,为高频亚二倍体样本。但泛胃肠道癌、泛妇科肿瘤和泛鳞癌分布在多个iCluster组。C20-混合型(间质/免疫)异质性高,包括泛胃肠道癌、泛妇科肿瘤、泛鳞癌。泛妇科肿瘤和泛鳞癌重叠,如宫颈癌主要是鳞癌。该分析表明,单种癌症的细胞类型对分组产生强烈但非绝对影响。
  器官系统的肿瘤图
  计算所有样本对iCluster潜变量之间的欧式距离,TumorMap映射成2D图,肿瘤类型的颜色重叠揭示肿瘤沿主要器官系统聚集。细微差异在个别组中更明显,意味着与主要细胞起源相关信号的重要区别。肾肿瘤分为肾嫌色细胞癌、肾透明细胞癌和肾乳头状细胞癌,CIMP肾肿瘤的位置靠近泛胃肠道CIMP肿瘤,表明受DNA甲基化影响。泛妇科亚型肿瘤有部分重叠,样本分布广泛,28个iCluster的11个组中至少5%样本上都有。多数宫颈癌归入鳞癌C27-泛SCC型(HPV)的HPV+头颈部鳞癌和膀胱尿路上皮癌,其它样本主要归入C6-卵巢浆液性囊腺癌、C19-浸润性乳腺癌(腔)和C8-子宫内膜癌,反映了细胞起源和激素依赖特征。泛胃肠道肿瘤分子亚型有MSI肿瘤、高突变SNV肿瘤、基因组稳定肿瘤、CIN肿瘤和EBV相关胃肠道肿瘤。
 iCluster肿瘤图谱
        TumorMap显示病理分类近似的肿瘤易于聚集,强调了癌症中分子模式起源细胞的影响,为泛鳞癌亚分析提供进一步支持。免疫信号亚型鉴定方法在TumorMap上定位,指示iCluster、组织病理学和免疫浸润型之间的关系。泛鳞癌有易于伤口愈合和干扰素(IFN-γ)占优的免疫特征。
  癌症干细胞被认为具耐药性,能使亚群重新转移至新生境。mRNA表达和DNA甲基化数据的2个干细胞指数富集明显,显示高干性肿瘤在TumorMap不同区域聚集。其它急性髓性白血病表现出较强的mRNA富集。
干细胞指数
iCluster肿瘤图中的样本特征
        iCluster组突变评估
  因肿瘤突变数据散发,iCluster组生成采用突变负荷和突变标签。总的体细胞突变负荷差异很大。黑色素瘤和肺腺癌具有较高突变率,与C15-皮肤黑色素瘤/葡萄膜黑色素瘤、C14-肺腺癌类似。泛胃肠道癌和泛鳞癌的总体细胞突变负荷也比较高。突变频率在含有多种肿瘤成分的C3-间充质型(免疫型)和C20-混合型(间质/免疫型)中变化很大。iCluster组突变标签也各不相同,如UVB标签在C15-皮肤黑色素瘤/葡萄膜黑色素瘤富集,吸烟在C14-肺腺癌富集,POLE突变在C8-子宫内膜癌和C4-泛胃肠道癌(CRC)的高突变样本中富集。C18-泛胃肠道癌(MSI)等几个泛器官组中有强化标签,表明富集CpG、毒素等已知和未知的突变标签在本组某些肿瘤可能有高比例的错配修复缺陷。
  泛癌iCluster聚类亚型的通路特征
  比较约19,000条信号通路的PARADIGM活性特征、22个基因程序的表达分数和18条经典靶向通路,确定了28组iCluster的信号通路差异。C28-泛肾癌表现为高度缺氧、视黄醇代谢、低增殖、PPAR-RXR通路、PD-1和CTLA-4等免疫检查点相关信号。但肾嫌色细胞癌与腺样囊性癌共同聚集成C9-腺样囊性癌/肾嫌色细胞癌,缺乏缺氧和免疫信号,几乎所有通路活性都低。这些类型肿瘤被定性为亚二倍体。
  尽管癌症类型差异很大,泛鳞癌组C10-泛SCC、C25-泛SCC(11号染色体扩增)和C27-泛SCC(HPV)等共享许多信号通路,有高的dNp63和TAp63复合物及GP6等鳞状细胞相关信号、增殖相关通路、较高缺氧、免疫相关信号和高基础信号。
  泛胃肠癌C1-胃腺癌(EBV-CIMP)、C4-泛胃肠癌(CRC)和C18-泛胃肠道癌(MSI)都有较高增殖信号,但也存在差异。免疫相关信号在C1-胃腺癌(EBV-CIMP)和C18-泛胃肠道癌(MSI)中较高,在C4-泛胃肠道癌(CRC)中不明显。C20-混合型(间质/免疫)含32%泛胃肠道癌样本,免疫相关信号强。β-连环蛋白/胞间黏附信号在C4-泛胃肠道癌(CRC)、C18-泛胃肠道癌(MSI)和C20-混合型(间质/免疫)中高表达,但在C1-胃腺癌(EBV-CIMP)中较低。
  大多数子宫癌肉瘤与基底浸润性乳腺癌基因、子宫内膜癌和膀胱尿路上皮癌等聚类成C13-混合型(8号染色体删除),免疫失活且有高的基础信号和增殖。另一部分基底乳腺癌与鳞癌聚类成C20-混合型(间质/免疫),也有高的基础信号和增殖,但免疫激活。卵巢浆液性囊腺癌和子宫内膜癌与宫颈癌有高增殖、DNA修复途径和基底信号等相似,但部分基底乳腺癌聚类到不同组。雌激素信号通路基因程序(GP7)在乳腺癌C2-浸润性乳腺癌(HER2扩增)和C19-浸润性乳腺癌(腔道)中很高,但在其它妇科癌症并不高。
  资料来源:
  Katherine A. Hoadley et al.,Cell-of-Origin Patterns Dominate the Molecular Classification of 10,000 Tumors from 33 Types of Cancer.Cell, 2018,173, 291–304.
 
责任编辑: 希禾
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