【原】全基因组分析阐明胃癌新致癌机制

Wsz6868 2023-06-26 发布于浙江

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全基因组分析阐明胃癌新致癌机制

2023年6月23日国立研究开发法人国立癌症研究中心

发表要点

通过对附带临床信息的胃癌大规模全基因组分析，首次明确了染色体结构异常的整体情况和作为新的致癌机构而备受瞩目的染色体外DNA对胃癌的发生有贡献。通过进一步发展本研究，有望成为胃癌防治开发的新策略。此次明确的染色体外DNA有可能成为胃癌新的治疗靶点和分子标志物。由于在癌基因面板检查中无法检测到，所以今后期待开发出利用全基因组分析的新检查方法。

概要

国立研究开发法人国立癌症研究中心(理事长:中釜齐，东京都中央区)研究所(所长:间野博行)癌症基因组学研究领域组长柴田龙弘等的研究小组，使用附带临床信息的170个病例的胃癌全基因组解读数据，明确了染色体的扩增和缺失等染色体结构异常的整体情况另外发现胃癌染色体结构异常有特征性的6种模式，推测了有无吸烟和与驾驶基因的关联等其发生机制。并成功从全部基因组分析数据中鉴定出染色体外DNA (Extra-chromosomal DNA: ecDNA )，明确了ecDNA引起FGFR2、ERBB2、CCNE1等已知癌症基因的高度扩增，在胃癌的发生发展中起着重要的作用。通过解析全基因组明确的胃癌染色体结构异常的主要原因，有望展开新的预防研究，另外染色体外DNA有可能成为胃癌新的治疗目标和分子标志物。期待以本研究为契机，将全基因组分析应用于医疗现场。本研究成果于英国时间2023年6月22日(日本时间同日)刊登在英国科学杂志《Nature Communications》上。

背景

迄今胃癌的基因组分析及在医疗现场的应用情况

胃癌是日本的患病人数( 2019年)和死亡人数( 2021年)都位于第3位，对策极其重要的癌症(参展:国立癌症研究中心癌症信息服务)，其预防、诊断、治疗的研究备受期待。癌症中的基因异常大致可以分为以点突变为代表的碱基置换和以染色体易位和倒位等为代表的染色体结构异常。胃癌作为消化道癌中染色体结构异常较多的癌症之一而广为人知( PCAWG，Nature 2020 )，但其整体情况至今尚未充分阐明。其理由之一是，没有收集大量胃癌病例的全部基因组数据，用高精度的分析工具进行统一分析的研究。现在医疗现场使用的癌症基因面板检查虽然很擅长掌握目标基因的变异，但是对于胃癌基因组异常较多的染色体结构异常却无法检测出来。此次使用的全基因组分析可以全面检测基因异常，除了可以在癌基因面板检查中检测到的点突变外，还可以检测染色体结构异常和染色体外DNA(ecDNA ) (表1 )。

关于染色体结构异常的种类和模式

癌症基因组中染色体结构异常包括:某个基因组区域缺失( deletion )、反转( inversion )、重复( duplication )、与其他染色体的融合(染色体易位: translocation )、转座子这样的模式(图1 )，而且还存在多种同时发生这种异常的复杂模式(衰变与重组: Chromothripsis，连环染色体断裂融合: Chromoplexy )。众所周知，染色体结构异常会导致驱动基因的扩增和缺失，或者生成融合基因，有助于致癌。但是，什么样的致癌因素会导致这样的染色体结构异常，以及其模式是否存在特定的偏差，还不十分清楚。除了染色体结构异常的种类外，还根据发生的区域大小和表基因组信息等对染色体结构异常进行分类，从数学上得到的特征性模式被称为染色体结构异常签名( SV signature )。

关于染色体外DNA(ecDNA )

最近的研究发现，癌细胞中染色体DNA的一部分断裂后呈环状，与染色体分开复制、扩增，在细胞分裂时分配，被称为染色体外DNA (Extra-chromosomal DNA: ecDNA ) (图) 由于ecDNA经常会高度增加( 10个拷贝以上)拷贝数，因此推测如果环状DNA中含有癌症基因，就会成为致癌的很大驱动力。另外，与染色体不同，细胞分裂时的分配会随机发生，因此是癌细胞多样性创制中重要的机构。但是，到目前为止，关于ecDNA在胃癌中的意义和作用还不清楚。 ecDNA除了可以将带有荧光物质的探针(具有与靶基因互补碱基序列的合成基因)与靶基因结合，通过在荧光显微镜下可视化的方法fish ( fluorescence in situ hybridization )法在核内进行点状确认以外部分ecDNA再次插入染色体，可以作为用FISH法强烈染色的Homogeneous Staining Region (HSR )进行确认。

研究方法

对170例亚洲人胃癌(日本81例，香港89例)的短读全基因组解读数据，应用独自开发的工具( callallSV )，共鉴定了49，059处染色体结构异常。其中有22，179个缺失、11，234个重复、8，534个反转、7，112个染色体易位另外，对于局部染色体结构异常密集的区域，分析了其模式，用FISH法进行了确认。

研究結果

1 .胃癌全基因组分析发现染色体结构异常模式

根据染色体结构异常的种类、大小、局部集中度、表基因组信息对其进行了分类，运用数学方法( NMF )进行了染色体结构异常声像图( SV signature )的提取。结果发现胃癌有6种特征性的染色体结构异常声像( RS1~6 ) (图3 )。

此外，使用各染色体结构异常签名的贡献度对所有病例进行分类时，确定了由各染色体结构异常签名表征的7个胃癌亚组( RS1~6分别较多和RS2和RS6混合型的7个)。这个结果表明，有些病例的染色体结构异常声像不是随机发生的，而是各自的模式有限，容易发生。此外，对临床数据和驾驶员基因的相关性进行了调查，发现这样的亚组与特定的驾驶员基因异常( BRCA异常、TP53变异、微卫星不稳定性)、胃癌的组织类型(弥漫型)、有无吸烟相关(图4 )、据推测，这些与染色体结构异常声像的发生相关。

2 .胃癌中染色体外DNA (ecDNA )的鉴定

接着对局部染色体结构异常密集的区域进行了分析。已知人类基因组上容易发生染色体结构异常的脆弱区域( Common Fragile Site: CFS )，在这些区域集中了以染色体缺失为中心的染色体结构异常( CFS型)。另一方面，伴随复制时错误( non-allelic homologous recombination-mediated duplication:NAHRD )或染色体断裂引起的分配异常( breakage-fusion-bridge cycles:BFBC )的局部染色体结构异常集中区域多见染色体扩增。而且，本研究发现了用这些已知的分子机制无法解释的新的结构异常模式。由于该模式显示了环状DNA存在时的特征，因此怀疑染色体外DNA (Extra-chromosomal DNA: ecDNA )对机制的贡献(图5 )。因此，通过FISH法对该病例进行了确认，确认其作为ecDNA存在于胃癌细胞中(图6 )。

胃癌中的ecDNA含有FGFR2、ERBB2、CCNE1等已知的癌基因，表明有助于其高度的基因扩增。其中，还观察到FGFR2基因中由ecDNA引起的扩增较多(图7 )。

包含ecDNA的局部染色体结构异常密集区域，含有很多胃癌的癌基因(图8蓝丸)。另一方面，也发现了虽然密集，但至今为止没有被指出存在明显的癌症基因的区域(图8红圈)，这表明在这些区域中可能存在新的胃癌驱动基因。

展望

本研究通过有效利用附加了临床信息的大规模胃癌全基因组分析数据，明确了胃癌染色体结构异常的整体情况。胃癌染色体结构异常存在一定的模式，首次发现与特征性临床背景相关。今后，通过弄清楚其主要原因，有望展开新的预防研究。另外，通过全基因组分析，明确了染色体外DNA参与了胃癌重要的驱动基因异常。在这次的研究中只是短引线分析，今后可以通过追加长引线分析(注)进行更详细的讨论。具体来说，通过弄清楚未知染色体外DNA的发生机制，有可能弄清楚导致胃癌发生的主要原因。近年来，有报道称染色体外DNA与预后不良和治疗抵抗性等恶性性状相关，今后在胃癌的诊断和治疗中，染色体外DNA有可能成为新的治疗靶点和分子标志物。本研究表明，在全基因组分析中可以发现仅靠现在医疗现场使用的癌基因面板检查无法检测到的基因异常。为了将全基因组分析活用于医疗现场，在成本、技术、结果的解释等各方面都有研究的余地，但期待以本研究为契机，将全基因组分析活用于医疗现场。

发表论文

雑誌名

Nature Communications

标题

Oncogenic structural aberration landscape in gastric cancer genomes

作者

Mihoko Saito-Adachi, Natsuko Hama, Yasushi Totoki, Hiromi Nakamura, Yasuhito Arai, Fumie Hosoda, Hirofumi Rokutan, Shinichi Yachida, Mamoru Kato, Akihiko Fukagawa, Tatsuhiro Shibata

DOI

10.1038/s41467-023-39263-1

URL

https://www./articles/s41467-023-39263-1(链接到外部网站)

刊登日期

2023年6月22日(日本时间同日)

研究費

创新性癌症医疗实用化研究事业(国立研究开发法人日本医疗研究开发机构) :面向国际共同研究的大规模日本人癌症基因组学临床数据综合分析和基因组医疗推进的知识基础构筑国立癌症研究中心癌症研究开发费( 2020-A7 )

用語解説

(注)长导线分析

在以往的新一代测序仪中，是将DNA碎片化，解读其两端的短序列(短读分析)的方法，但在作为新技术的长读分析中，可以直接解读长的DNA (数万个碱基单位)。该技术也应用于最新的人类基因组完全长度解读( telomere-to-telomere )。