對前列腺癌測序發現新的癌症基因、發展路徑和藥物靶點

【導讀】

毫無疑問，前列腺癌當前仍舊是一個重大的臨床挑戰，因為它很難預測結果，且晚期往往是致命的。本文研究人員通過對112個原發和轉移性前列腺癌樣本進行了全基因組測序，加上以前的研究(總共930例癌症)進行聯合分析，最終發現了22個以前未識別出的推定的驅動基因的證據，這些基因隱匿在編碼突變中；同時也證明了通過非編碼突變來作用的「NEAT1」和「FOXA1」的驅動子。

此外，通過對畸變的時間剖析，研究人員確定了與前列腺癌進展相關的驅動突變，例如，建立了CHD1和BRCA2喪失作為ETS融合-陰性癌症發展的早期事件。

最後，計算化學基因組(canSAR)的前列腺癌突變分析確定了11個已批准藥物的靶點，7個臨床研究中藥物的靶點，以及62個可能有效的化合物的靶點。

全基因組測序癌變樣本和對照的正常樣本來自英國87個和中國5個原發性前列腺癌，以及來自美國的10個未用過激素治療(hormone-naive)的前列腺轉移和10個去勢抵抗性轉移。而且通過本研究數據集中的單核苷酸變異(SNVs)和小型插入和缺失(indels)，癌症基因組圖譜(TCGA)(425個樣本), COSMIC 資料庫(243個樣本)和Stand Up toCancer (SU2C-PCF,150個樣本)共同結合的數據集,以下簡稱「聯合數據集」，研究人員識別出了編碼和非編碼驅動子（表1總結了影響本研究和聯合數據集的基因）。

表1 |推定的驅動基因

在112對癌症-正常樣本中，確定了392,753個SNVs，54,952個indels和10，921個染色體重組(Fig.1)。此外在轉移的亞群中，與未治療（treatment-naive）的患者相比，突變負擔在雄激素阻斷治療(ADT)中的更高。

此外與原發性樣本相比，轉移中有明顯更多的重排。在轉移組內，ADT樣本比未用過激素治療的有更多重排。

Fig.1 |前列腺癌突變景觀

對感興趣的基因是通過一套全面的分析來確定的：識別編碼區域中多餘的非同義突變;基因內過量的錯義突變，象徵致癌的驅動因素;非編碼區域的過量突變;ETS+或ETS-癌症中過多結構變異區域；ETS+或ETS-癌症中經常出現拷貝數畸變(CNAs)的區域。總之,研究人員共確定了73個基因參與前列腺癌發展(Fig. 2, 表1和表2)。

Fig. 2 |前列腺癌驅動基因景觀：在至少6個樣本中有基因發生遺傳變異; 中間：在ETS+或ETS-癌症中基因變異富集; 底部，轉移(met)樣本中基因富集

表2|CanSARf分析確認的藥物靶點

編碼驅動突變

研究人員發現了28個有過多非同義編碼突變的基因,其中5個是先前未知的驅動因子(表2)。TBL1XR1在截斷的SNVs和indels中很豐富，也位於ETS +癌症中重排豐富的 基因組區域(Fig. 3)。這些重排導致了雜合性丟失(LOH)。另一種主要受截斷突變影響的突變基因是ZMYM3，它編碼了CoREST的一個組成部分。此外，來自SU2C-PCF研究的另兩個CRPC樣本有無意義的突變，而本文研究中的一個樣本在REST中有70-kb外顯子刪除。

另外兩個複發截斷突變的基因是IL6ST和CASZ1（Fig.3）：後者是神經母細胞瘤中推定的癌症抑制因子，而前者編碼的糖蛋白130是IL6受體的信號轉導子單元。而在IL6ST聯合數據集中觀察到的突變模式是由截斷事件主導的。另外，該基因位於ETS+癌症反覆重新排列的基因組區域，導致了LOH或純合子的刪除，表明了癌症抑制作用。

最後，錯義突變分析證實了7種以上基因的複發突變 (表2)。CNOT3出現的突變熱點改變了兩個氨基酸位置,Glu20Lys和Glu70Lys (Fig. 3)。RPL11中發現了錯義突變的富集，編碼了一種核糖體蛋白和癌症抑制因子。與之前研究結果相反地是，CNOT3和RPL11中錯義突變的富集表明了致瘤而非腫瘤抑制因子在前列腺癌中的作用。聯合數據集中轉移和原始樣本的編碼突變之間的比較，確定了轉移中TP53、AR、KMT2C、KMT2D、RB1、APC、BRCA2、CDK12、ZFHX3、CTNNB1和PIK3CB（表2）突變的富集。

Fig. 3 | 推定的新驅動基因（顯示為紅色）和染色體畸變

非編碼驅動突變

對基因組非編碼部分的分析確定了兩個顯著突變豐富的區域。最近有報道稱NEAT1與前列腺癌進展有關,在轉移性疾病患者中有明顯的過度表達代表(Fig. 3)。而NEAT1突變只在有接受ADT的患者中發現。

此外，FOXA1啟動子會調節AR-管制的轉錄信號通路，之前也被發現有複發性編碼突變。本研究中確定了14個有編碼樣本和6個非編碼突變的樣本，其中兩個樣本（PD14721a和PD12813a）帶有編碼和非編碼突變。

ETS+和ETS-癌症中結構變異的富集

除了先前被確認的ETS+癌症重排富集區域外（FOXP1，RYBP，SHQ1，PTEN和TP53)。還發現了兩個未報告過的區域。區域chr5:5-59Mb涵蓋了基因PPAP2A、PDE4D、MAP3K1和IL6ST（Fig.3）。在IL6ST中還發現了大量編碼突變的富集，表明這是畸變的主要靶點。在chr3:171-178Mb中，TBL1XR1同樣在重排和截斷突變中很豐富。

在ETS-癌症中，確認了之前報道的包含CHD1重排的富集。在區域chr1:149–158Mb強化重排的靶點可能是ETV3。

相比於ETV4，ETV3中變異的性質表明了前列腺癌的腫瘤抑制作用。對複發重排區域chr3:76–84Mb的人工檢查確定了ROBO 1和ROBO 2可能成為靶點（Fig.3）。

在chr6:80-114Mb中富集的事件表明ZNF292是一個可能的靶點。另一種受在6q上複發重排影響的基因是SENP6，它編碼了一個小的類泛素修飾分子（SUMO）-特異性蛋白酶，它能從共軛蛋白質中去除SUMO多肽，並可能影響AR功能。

最後，在ETS-癌症中重排富集的區域是chr2:133–144Mb(LRP1B), chr8:112–114Mb (CSMD3) 和chr8:40–41Mb (MYST3)。此外，研究人員還發現含有影響MYST3的結構變異的樣本顯著減少了RNA表達（補充的Fig. 1）。

補充的Fig. 1

拷貝數畸變時序

為了確定前列腺癌進展的途徑，研究人員開發了一種方法：通過結合CNAs的克隆性信息、涉及全基因組複製（WGD）的時序、以及涉及相鄰的半合子損失的純合子缺失的時序，來整理CNAs的發生，最終破譯了每個癌症中亞克隆CNAs的時間順序。一般來說，純合子缺失出現在腫瘤發生的晚期。

在ETS+和ETS-前列腺癌的發展中出現了明顯差異。在目前，在ETS+癌症中TMPRSS2和ERG基因之間的缺失是一個早期（通常是克隆的）事件，就像在位點112-137Mb中獲得的chr8q一樣（Fig. 4a）。在ETS+癌症中，最早的純合子缺失包括chr5:55–59Mb，證實了靶向PPAP2A、PDE4D、MAP3K1和IL6ST的重排，以及涵蓋PTEN 的chr10:89–90Mb（Figs.3 and 4a）。在ETS-癌症中，在chr5:60–100Mb（CHD1和RGMB），chr13:32-91Mb（包括BRCA2，RB1和FOXO1）和chr6:73-120Mb的損失之後是chr2:124–142Mb的損失，然後在chr3:100-187Mb增益，然後是整個染色體chr7增益 (Fig. 4b)。

CHD1的喪失曾與ETS-前列腺癌的啟動有關，預防前列腺的ERG重排，本研究的數據也證實了ETS積極性和CHD1的純合性損失之間的排他性（Fig. 4c）。

Fig. 4 | ETS+ 和ETS– 前列腺癌中CANs的時間演化

點突變和位點時序

SNVs和indels是根據他們的癌症細胞分數（利用Bayesian Dirichlet處理）來創建的。被認定為亞克隆的SNVs比重顯示除了癌症中相當大的變化,但原發性明顯比轉移性樣本更高(Fig. 5a)。這明顯是獲取轉移潛力的瓶頸，而非對治療的反應，因為未經治療轉移的異質性水平不低於雄激素阻斷的轉移(Fig. 5a)。

Fig. 5 | 異質性和亞克隆突變

(a)無論是SNVs 或 indels的評估，轉移性腫瘤的異質性都少於原發性腫瘤。每個點代表一個不同的樣本。x軸顯示的是亞克隆SNVs部分，和y軸是indels。

(b)驅動基因中多個亞克隆突變的樣本。只有接近1的峰值是克隆的，而低部分的峰值表示亞克隆突變。

突變特徵

通過非負矩陣因子分解（NMF）對突變特徵的分析表明，除了無處不在的特徵1和5之外，還有先前描述過的特徵2、3、8、13和18。在BRCA1和BRCA2基因中，特徵-3-陽性樣本在種系或體細胞突變很豐富。但是，高水平微同源介導的缺失與BRCA突變更加緊密地聯繫在一起。將突變分離成早期克隆、晚期克隆和亞克隆時期表明，隨著時間的推移，特徵1突變的比例會逐漸減少，表明相對於先天過程，癌相關誘變過程有增加。

特徵13（之前與胞苷脫氨酶AID/APOBEC科的活性有關）在晚期疾病中過度誇大了。同樣，特徵18（之前與鹼基切除修復失敗和8-氧橋鳥嘌呤損傷的突變積累有關）在晚期疾病中也很豐富。此外在最近的一份報告中，特徵8與DNA損傷修復缺乏有關。

臨床相關

隨著時間推移，CDH12和ANTXR2變化明顯與生化複發有關(Fig 6)，且是生化複發的重要預測因子。而一個Cox回歸模型（包含CDH12、ANTXR2,SPOP,IL6ST,DLC1和MTUS1突變）可視為對生化複發的最優時間預測器。

此外，在癌中發現的突變特徵數量與前列腺切除術患者的生化複發呈負相關（補充的Fig. 4）且為一個獨立的預測因子。而檢測到的SNVs的數量也是一個獨立的預後生物標誌物。

Fig. 6 |臨床結果：周期性突變基因的Kaplan–Meier曲線

補充的Fig. 4

前列腺癌中可成藥靶點

系統分析癌症基因組學所帶來的一個關鍵機會是可以早發現治療干預策略。最終總結出包括本研究中識別的基因蛋白質產物，以及與這些蛋白質直接作用或影響它們功能的蛋白質（補充的Fig. 5）。

而這就促成了一個集中的前列腺156個蛋白質的網架，每一種蛋白質都會根據「成藥性」進行多重評估。發現前列腺癌驅動基因被植入了一個高度可成藥的細胞網架中，包含11個被批准的治療靶點和7個正在研究藥物的靶點，除了AR和糖皮質激素受體（GR），該網架還包含了可用於其他適應症的藥物靶點，其中幾個（如BRAF、ESR1、RARA、RXRA、HDAC3）正在接受前列腺癌的臨床研究。

現在前列腺網架中有幾種蛋白質正在作為藥物靶點進行臨床試驗。特別地，ATM抑製劑AZD-0156正處於安全評估的第一階段，由於其最近被描述的DNA損傷修復作用（特別是在晚期前列腺癌中），很可能是前列腺癌中候選的研究對象。而該網架重點突出了正在進行的前列腺癌臨床研究的磷脂醯肌醇-3-OH激酶途徑抑製劑（PI3K，AKT1）的靶點，以及IDH1和MDM2藥物靶點。

最後，在活性化學生物學或藥物發現調查（表2）的13種蛋白質中也強調了前列腺癌治療的潛在機會，包括menin（MEN1），它是MLL-SET1組蛋白甲基轉移酶複合體的成分。而最近也有數據顯示，menin表達與CRPC有關。另外還有49種蛋白質被認為是可以成藥的，包括已知的前列腺癌蛋白SPOP，轉錄激活因子BRG1（SMARCA4），CDK12和CREB結合蛋白CREBBP。

補充的Fig. 5

這項工作對100多個前列腺癌的全基因組序列分析開始揭示了這些癌症的複雜進化途徑。而對驅動畸變（包括ETS融合和全基因組複製）的早早認知，也會大大影響對後來畸變的認識。對個體突變的認識會影響隨後發生轉移的可能性和對治療的反應。最後，網路分析證實的靶點也可利用現有藥物進行臨床研究，或者成為未來新葯的靶點，而基因組分析結果為迅速轉化為治療創新提供了支撐。

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