文献详解 易懂却又有深度的多组学研究文章

小编最近写微信文的苦恼就是很难找到合适的、想要跟大家分享的文章。看完这篇文章之后简直眼前一亮 ,易懂却又有深度的多组学研究文章,行文逻辑一气呵成,解读起来也畅快,墙裂推荐!文章题目:Metabolic-Pathway-Based Subtyping of Triple-Negative Breast Cancer Reveals Potential Therapeutic Targets.

先来文章亮点,不信你不好奇!

1、迄今为止最大的三阴性乳腺癌(TNBC)多组学数据(n=465)联合分析;

2、虽说是多组学联合分析,但是以转录组数据挖掘为主,代谢组学数据验证为辅,基因组学数据再来个锦上添花,逻辑清晰,思路简单明了,是能一看就懂的多组学研究了;

3、生信分析与实验验证7:3开,数据挖掘够深入,实验验证够彻底,再现干湿实验黄金搭配;

4、将生信分析结论上升到了临床治疗指导的高度,有理有据,有点有面!

研究背景

代谢重编程被认为是癌症标志的一种,是近年来用于癌症诊断、预后和治疗研究的热点。癌细胞积累代谢变化,以确保有效的营养消耗和生物量生产,维持癌细胞快速增殖。这种代谢变化会影响肿瘤微环境中癌细胞和其它类型细胞的命运。研究发现,代谢偏好性和代谢依赖性存在具有肿瘤异质性特征。

三阴性乳腺癌(TNBC)是一种早期复发率高,治疗选择有限,预后非常差的异质性乳腺癌亚型。已有研究将TNBCs分类为几个分子亚型,这些分子亚型具有不同的突变特征、基因组变化和生物过程,可以指导治疗决策。

研究目的

该研究利用大样本量,多组学数据全面评估TNBCs的整体代谢转录谱,并基于鉴定代谢通路特征鉴定出不同的代谢亚型,进而探究不同亚型的分子特征及临床治疗指导价值。

研究结果

1转录组分析揭示TNBCs中的代谢性失调

作者首先从从KEGG数据库中的86种代谢相关通路提取了1,660个人类代谢相关基因。通过欧几里得距离和相关性距离计算肿瘤组织样本和正常组织样本中代谢相关基因的表达谱差异,结果发现肿瘤vs肿瘤肿瘤vs正常代谢基因表达差异明显大于正常组织内的差异(图1B)。然后,GSEA分析表明,与正常样本相比,TNBC肿瘤中共有21条代谢途径显著失调,大多数失调的途径在TNBC肿瘤样本中上调(图1D)。此外,微分秩守恒(Dirac)分析量化TNBC肿瘤和正常样本代谢途径的守恒差异,发现与正常样本相比,大多数代谢途径在TNBC肿瘤样本中具有显著较低的等级保守指数(RCIs),这表明TNBC肿瘤样本中,大多数代谢途径在mRNA表达水平上表现出较高程度的失调和较高的变异性。综上所述,TNBC肿瘤样本中确实存在代谢失调和异质性。

2、基于代谢途径的TNBC分型

为了揭示TNBC的代谢异质性,作者首先用GSVA分析评估了每个样本中86种代谢途径的富集分数。再基于富集分数,通过一致性聚类分析将TNBC肿瘤分为三种代谢异质性亚型(图2A)。其中MPS1特征在于脂质代谢途径的相对上调,被指定为脂肪生成亚型。MPS2特征是显著上调碳水化合物和核苷酸代谢途径,被命名为糖酵解亚型,。MPS3特征是主要类别的联合失调,被指定为混合亚型。作者还用代谢组学数据和TCGA外部验证集,证实了该聚类结果的可重复性。

接下来作者就详细探究了这三种代谢亚型的临床特征。首先将这三种代谢亚型与已发表的TNBCs的几种分子亚型进行匹配,结果详见图2B和2C。然后,临床信息相关性分析,生存分析及多变量Cox分析发现,MPS2的无复发生存率(RFS)明显低于其他两种亚型(图2D,图2E)。

3联合代谢组学和基因组学数据揭示不同代谢亚型的特征

(1)代谢组学数据验证聚类分型的可重复性

上述GSVA分析发现不同代谢亚型显著富集一些特定的代谢通路,其中MPS1亚型内的肿瘤富含参与胆固醇和从头脂质合成的基因表达(图3A),而代谢酶在糖酵解和核苷酸代谢中的表达在MPS2中相对升高(图3A)。为了比较不同亚型的代谢物丰度,作者对72个冷冻TNBC样本进行了非目标代谢组学分析,质谱检测注释了这些样本中的594种代谢物,差异分析鉴定了不同代谢亚型中特定代谢物的丰度差异。结果发现MPS1具有各种脂质的显著积累,而MPS2的特点是糖酵解的底物葡萄糖水平较低(图3B,图3C)。总之,基于转录组的代谢酶基因表达和代谢组的代谢物丰度检测具有较好的一致性,可以很好地区分这三种代谢亚型。

2)基因组数据探究不同代谢亚型的特征性基因组改变

基因组的改变可能会驱动癌症的代谢重编程。因此作者使用243个样本的全外显子组测序[WES]数据和302个样本的拷贝数变异[CNA]数据,联合转录组数据,来比较三个亚型之间的基因组改变。通过分析10种经典致癌信号通路在不同亚型中的突变频率和占比,发现PI3K和RTK-RAS通路中的基因成员在MPS1亚型中具有较高的突变频率。MPS2的特征是具有更频繁的体细胞拷贝数变异。总之,特定染色体区域的改变可能会影响TNBC的代谢重编程和异质性。

4、基于代谢亚型特异性特征开发新的治疗策略

(1)不同代谢亚型各种代谢抑制剂药物敏感性研究

为了探索这三种代谢亚型是否对脂质合成抑制剂和糖酵解抑制剂表现出明显的敏感性,作者首先分析了来自癌细胞系百科全书(CCLE)数据库的24个人类TNBC细胞系的基因表达和代谢组学数据。作者发现MPS2细胞系比其他细胞系显示出更高的脂肪酸摄取率,这表明这些细胞系可能更依赖FA途径来产生脂质(图5A)。此外,耗氧率(OCR)和细胞外酸化率(ECAR)分别用于测量线粒体呼吸和糖酵解。MPS1细胞系显示出比其他细胞系更高的耗氧量和更低的糖酵解速率,而MPS2细胞系的糖酵解偏好最高(图5B),总之MPS1细胞系对靶向脂质合成的抑制剂敏感,而MPS2细胞系对靶向糖酵解的抑制剂更敏感(图5C和5D)。然后作者通过体外细胞系实验,短期生存力测定和长期菌落形成验证了上述结果(图5E和5F)。此外,作者还用脂质合成抑制剂和糖酵解抑制剂处理的患者来源的类器官(PDO)模型进行细胞生存力测定。同样结果MPS1 PDO模型对靶向脂质合成的抑制剂敏感,而MPS2 PDO模型对靶向糖酵解的抑制剂更敏感(图5G和5H)。

2基于不同代谢亚型的免疫治疗指导

作者先发现了TNBC糖酵解的富集分数与免疫细胞溶解活性和CD8+T细胞和NK细胞标记基因的表达呈负相关,因此作者提出假设:肿瘤细胞糖酵解的上调是否抑制了T细胞和NK细胞的免疫功能,具体来说,糖酵解抑制剂是否能使TNBC对免疫疗法敏感。为了检验推测,作者选择了分别代表三种代谢亚型的小鼠TNBC细胞系,再进行体内移植瘤实验。体内药物敏感性试验发现单独anti-PD-1或糖酵解抑制剂对异种移植肿瘤的治疗作用很小,联合治疗对肿瘤生长显示出显著的抑制作用(图6A和6B)。此外,流式细胞术分选用于分析肿瘤中浸润的免疫细胞,对接受糖酵解抑制剂和anti-PD-1的MPS2型移植瘤小鼠的分析显示肿瘤浸润性CD8+T细胞和NK细胞显著增加(图6C和6D)。联合治疗组中产生 IFN-g 和 granzyme B的CD8+T细胞和NK细胞的比例也明显高于其他组(图6E-6H)。总之,活体实验证实糖酵解抑制剂和anti-PD-1联合治疗能有效地增强抗肿瘤效果,anti-LDH治疗可能使MPS2 TNBCs对免疫检查点抑制剂敏感。

文章结论

文章利用复旦大学上海肿瘤中心(FUSCC)的多组学数据全面揭示TNBC的代谢异质性,并鉴定出三种基于代谢途径的亚型,这三种代谢亚型(MPS)具有不同的代谢基因表达、代谢物丰度、基因组变异、存活率以及对各种代谢抑制剂的敏感性。最重要的是,作者基于它们具有不同的分子特征和对各种代谢抑制剂的敏感性,推断并实验验证发现,抗LDH治疗可以增强特定三阴性乳腺癌亚型(MPS2)的anti-PD-1免疫治疗反应,anti-LDH治疗联合anti-PD-1免疫治疗成为TNBC的潜在治疗策略。

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