空間轉(zhuǎn)錄組+基因組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析揭示乳腺原位癌的異質(zhì)性

文章題目：Genomic profiling reveals heterogeneous?populations of ductal carcinoma in situ of?the breast

中文題目：基因組分析揭示乳腺原位癌的異質(zhì)性群體

期刊：Communications Biology

影響因子：6.6

DOI：10.1038/s42003-021-01959-9

導(dǎo)讀

對(duì)大部分患者來(lái)說(shuō)，乳腺導(dǎo)管原位癌（DCIS）不會(huì)發(fā)展為浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌，在當(dāng)前的臨床標(biāo)準(zhǔn)下，這些患者經(jīng)常被過(guò)度治療。雖然有各種候選標(biāo)記物可用，但尚未建立用于描述風(fēng)險(xiǎn)類別的相關(guān)標(biāo)記物。在本研究中，作者分析了431例DCIS患者的臨床特征，并對(duì)21例患者進(jìn)行了全外顯子組測(cè)序分析，對(duì)72例患者進(jìn)行了靶向深度測(cè)序分析。確定了年齡<45歲、HER2擴(kuò)增和GATA3突變可能影響復(fù)發(fā)。PIK3CA突變陰性和PgR陰性也被認(rèn)為是危險(xiǎn)因素?？臻g轉(zhuǎn)錄組分析進(jìn)一步顯示GATA3功能障礙上調(diào)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和血管生成，隨后PgR下調(diào)。這些結(jié)果揭示了DCIS中異質(zhì)細(xì)胞群的存在，并為DCIS分類和優(yōu)化治療提供了預(yù)測(cè)性標(biāo)記。

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方法

外顯子組文庫(kù)構(gòu)建和全外顯子組測(cè)序

從21例DCIS（原發(fā)性腫瘤）患者和4例IDC（復(fù)發(fā)性腫瘤）患者中選擇福爾馬林固定石蠟包埋（FFPE）組織樣本。同時(shí)對(duì)每位患者制作相應(yīng)的冰凍切片，染色確定DCIS和正常上皮組織中的區(qū)域。

全外顯子組測(cè)序中基因組風(fēng)險(xiǎn)因子的選擇

為了提高基于臨床評(píng)估區(qū)分低風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)DCI標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，作者嘗試識(shí)別基因組因素。評(píng)估了21例DCIS患者，他們是隨機(jī)選擇的，具有匹配的固有亞型和相對(duì)較高的復(fù)發(fā)率。對(duì)匹配的正常乳腺組織進(jìn)行測(cè)序（平均深度×109.1），以區(qū)分體細(xì)胞突變的種系變異。獲得的變異圖如圖1a所示。

GATA3和PIK3CA突變是隊(duì)列中最常見的突變，分別出現(xiàn)在4例（19%）和5例（24%）患者中。在4例GATA3突變患者中，3例出現(xiàn)IDC復(fù)發(fā)。GATA3突變陽(yáng)性與GATA3突變陰性復(fù)發(fā)的優(yōu)勢(shì)比（OR）為5.5（95%CI=0.63–76.7）。為了進(jìn)一步研究GATA3突變?cè)趶?fù)發(fā)中的意義，對(duì)復(fù)發(fā)腫瘤患者的樣本進(jìn)行額外分析，以確定與配對(duì)原發(fā)性DCI相比的突變狀態(tài)。

結(jié)果

全外顯子靶向測(cè)序

獲得的突變圖如圖2所示。總共有40名（56%）和36名（50%）患者分別攜帶GATA3和PIK3CA突變。與上述結(jié)果一致，GATA3突變與復(fù)發(fā)呈正相關(guān)（OR=7.8；95%CI=1.17~88.4），而PIK3CA突變往往與復(fù)發(fā)呈負(fù)相關(guān)（OR=0.45；95%可信區(qū)間=0.12~1.7）。在測(cè)試的180個(gè)基因中，沒有一個(gè)比這兩個(gè)因素更能作為預(yù)測(cè)標(biāo)記。對(duì)于PgR蛋白表達(dá)，低PgR表達(dá)再次與復(fù)發(fā)相關(guān)（OR=25.6；95%可信區(qū)間=3.64–142.2）。結(jié)果表明在11例中的8例中發(fā)現(xiàn)了GATA3突變，盡管ER陽(yáng)性，但PgR較低。

DCIS患者的分子解剖分析

為了確定所識(shí)別的高危標(biāo)記物的分子病因，調(diào)查了另外三名具有代表性的新鮮冰凍標(biāo)本患者。患者A患有帶有GATA3突變（圖2，*1）和微侵襲的DCIS，病變被認(rèn)為是真正的DCIS。患者B患有PgR低表達(dá)的DCIS（圖2，*2）和微侵襲，病變被視為真正的DCIS。患者C患有PIK3CA突變的DCIS（圖2，*3），沒有任何微侵襲，病變被認(rèn)為可能是假DCIS（低風(fēng)險(xiǎn)DCIS）。

含有GATA3突變的DCIS病變的STseq

首先，利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)——10X基因組學(xué)Visium平臺(tái)，通過(guò)STseq分析了患者A標(biāo)本的空間基因表達(dá)。該患者在術(shù)前病理診斷中被診斷為DCIS，但在術(shù)后病理診斷中發(fā)現(xiàn)有微侵襲部位。因此，DCIS病變被確定為IDC的真正前兆。平均深度為×2391.4的面板測(cè)序分析顯示該樣本含有GATA3突變（外顯子4:c.865dupG:p。C288fs，變異等位基因頻率[VAF]=7%）。在較高的VAF（外顯子5:c.T1035A:p。N345K，VAF=26.1%），表明新出現(xiàn)的GATA3突變用PIK3CA突變覆蓋了DCIS的基本特征。

PgR低表達(dá)但無(wú)GATA3突變的DCIS病變的STseq

接下來(lái)，作者將患者B作為PgR低表達(dá)的例外患者進(jìn)行研究，盡管沒有GATA3突變（圖2，*2）。從平均深度×3030.6的靶向測(cè)序中，檢測(cè)到PIK3CA突變（外顯子21:c.A3140T:p。H1047L，VAF=40%），而即使在這個(gè)足夠的測(cè)序深度，也沒有檢測(cè)到GATA3突變。因此，從分子水平來(lái)看，該患者的預(yù)后良好。然而，術(shù)后病理檢查顯示微侵襲，表明DCIS病變是IDC的真正前兆。免疫組化分析顯示該患者ER陽(yáng)性，PgR陰性。

DCIS和PIK3CA突變

最后，將患者C的病例分析為可能的假DCIS病例，不太可能發(fā)展為IDC（低風(fēng)險(xiǎn)DCIS）。該患者特征為PIK3CA突變，GATA3突變或下調(diào)缺失，無(wú)微侵襲，術(shù)后無(wú)復(fù)發(fā)。該患者的DCIS病變包含兩個(gè)PIK3CA突變（外顯子10:c.G1633A:p。E545K，外顯子10:c.A1634G:p。E545G，兩種突變的VAF=25%）。

對(duì)于Visium分析，收集了799133428個(gè)測(cè)序讀數(shù)，測(cè)序飽和度為86.2%。分析點(diǎn)的數(shù)量（直徑55μm）為2043個(gè)，其中包含7469個(gè)唯一分子標(biāo)識(shí)符（UMI）讀數(shù)的中位數(shù)和每個(gè)點(diǎn)2928個(gè)檢測(cè)基因的中位數(shù)。如圖3A的中間板所示，癌細(xì)胞斑點(diǎn)被分為三組，通過(guò)非分層k-均值聚類（K＝9），表明DCIS病變中存在異質(zhì)性。此外，可能代表癌細(xì)胞周圍微環(huán)境的非癌點(diǎn)被分為四類。在代表病理學(xué)鑒定的癌細(xì)胞的總共422個(gè)點(diǎn)中，通過(guò)分析Visium讀數(shù)在46個(gè)點(diǎn)中檢測(cè)到GATA3突變讀數(shù)（圖3b）。幸運(yùn)的是，在該患者中，GATA3突變位于轉(zhuǎn)錄本的3′端，因此可以通過(guò)Visium讀數(shù)來(lái)表示。為了研究攜帶GATA3突變（spots）的細(xì)胞是否是克隆性的，檢測(cè)了46個(gè)攜帶GATA3突變的點(diǎn)的VISUM讀數(shù)上的GATA3突變位點(diǎn)。突變完全存在于同一位點(diǎn)（外顯子4:c.865dupG:p。C288fs），表明它們是單克隆來(lái)源。使用TCC R檢測(cè)了GATA3突變的斑點(diǎn)之間的差異表達(dá)基因（DEG）。總共檢測(cè)到1468個(gè)DEG（錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率[FDR]<0.05，圖3c，左面板）。如圖1d所示，在具有GATA3突變的斑點(diǎn)中觀察到PgR表達(dá)下調(diào)（P=0.02901；t檢驗(yàn)；圖3c，右面板）。為了預(yù)測(cè)檢測(cè)到的DEG的功能結(jié)果，使用Metascape進(jìn)行了路徑分析(http://metascape.org/)28.發(fā)現(xiàn)了9條與11種癌癥特征相關(guān)的關(guān)鍵途徑。

與突變陰性點(diǎn)的結(jié)果相比，GATA3突變的癌點(diǎn)受影響（圖3d）。特別是，關(guān)鍵基因和關(guān)鍵途徑包括EMT和血管生成。重要的是，具有表達(dá)變化的關(guān)鍵基因是那些被鑒定為對(duì)異常GATA3功能作出反應(yīng)的基因，如VIM和FN1（圖3e）。這些結(jié)果表明GATA3突變?cè)贒CIS進(jìn)展過(guò)程中出現(xiàn)，并伴有惡性特征。據(jù)報(bào)道，增加的VIM表達(dá)發(fā)生在管腔癌細(xì)胞的GATA3突變下游24；因此，在這些斑點(diǎn)中觀察到的GATA3突變可能代表惡性發(fā)展過(guò)程中先前的基因改變。相反，在沒有GATA3突變的斑點(diǎn)中，DEG主要富集于雌激素反應(yīng)、緊密連接和mTORC1的信號(hào)通路，表明這些斑點(diǎn)中的細(xì)胞獲得了允許細(xì)胞轉(zhuǎn)化的最小變化。

Visium分析發(fā)現(xiàn)了異質(zhì)基因表達(dá)，這取決于癌區(qū)和非癌區(qū)細(xì)胞的位置。PgR表達(dá)下調(diào)，盡管觀察到高ER表達(dá)（圖4a，上圖），與免疫染色結(jié)果一致（圖4a，下圖）。針對(duì)DCIS細(xì)胞中基因表達(dá)的變化，手動(dòng)選擇了188個(gè)位于導(dǎo)管內(nèi)區(qū)域的形態(tài)學(xué)斑點(diǎn)。這些斑點(diǎn)的無(wú)監(jiān)督分層聚類確定了三個(gè)明顯的聚類（圖4b，左面板）。在空間上，不同的簇對(duì)應(yīng)于不同的區(qū)域（圖4b，中間面板）。重要的是，簇1的48個(gè)斑點(diǎn)（紅色）與DCIS細(xì)胞的位置重疊，DCIS細(xì)胞根據(jù)其形態(tài)即將入侵（由圖4b右面板中的紅色箭頭指示）。同時(shí)，簇2（有色綠色）的101個(gè)斑點(diǎn)位于同一導(dǎo)管的中心，并被視為不侵入基質(zhì)的細(xì)胞（由圖4B的中間板中的綠色斑點(diǎn)指示）。簇1和簇2之間的差異表達(dá)分析確定了2747個(gè)DEG（FDR<0.05，圖4c，左）。有趣的是，GATA3表達(dá)在簇1中顯著下調(diào)（圖4c，右圖）。盡管該基因未發(fā)生突變，但該患者的GATA3功能異?？赡馨l(fā)生在基因水平。根據(jù)基因富集和通路分析的結(jié)果，該患者始終觀察到以GATA3為中心的基因表達(dá)變化，如患者A所觀察到的（圖4d，e）。共有21條途徑和18個(gè)癌癥特征，包括EMT和血管生成途徑受到影響。如對(duì)患者A所觀察到的，在未侵入間質(zhì)的第2組中，DEG主要代表雌激素反應(yīng)相關(guān)基因?？傊谶@名患者身上，我們得出結(jié)論，GATA3通過(guò)其表達(dá)的變化發(fā)揮關(guān)鍵作用。即使沒有基因組突變，GATA3的異常表達(dá)也可能在某些患者中導(dǎo)致相同的結(jié)果。

通過(guò)全外顯子組測(cè)序，平均深度為×134.8。Visium分析揭示了一種單調(diào)的基因表達(dá)模式，與該癌的形態(tài)學(xué)單克隆結(jié)構(gòu)一致（圖5a，左面板）。事實(shí)上，這些斑點(diǎn)通過(guò)非層次聚類大致分為兩個(gè)簇（圖5a，中間和右側(cè)面板）。它們幾乎與形態(tài)學(xué)確定的癌細(xì)胞和非癌細(xì)胞（基質(zhì)細(xì)胞）完全重疊。因此，使用DEG分析比較了癌細(xì)胞中的347個(gè)斑點(diǎn)（藍(lán)色斑點(diǎn)）和基質(zhì)細(xì)胞中的151個(gè)斑點(diǎn)（橙色斑點(diǎn)），并確定了癌斑點(diǎn)中508個(gè)上調(diào)的DEG（FDR<0.05）。加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）顯示，與非癌點(diǎn)相比，癌點(diǎn)中只有兩個(gè)主要節(jié)點(diǎn)（模塊）發(fā)生改變（圖5b，上面板）。進(jìn)行了子網(wǎng)絡(luò)分析，以確定樞紐基因（圖5b，中間和下部面板）。hub基因的途徑富集分析顯示，參與雌激素反應(yīng)和p53途徑的基因在模塊1中富集（圖5c，補(bǔ)充數(shù)據(jù)5），這與在患者A和B中觀察到的良性出現(xiàn)斑點(diǎn)的特征相同，表明該病變中沒有發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化。

討論

在本研究中，將GATA3突變確定為DCI分類的潛在標(biāo)記。ER陽(yáng)性DCIS患者的PIK3CA突變陰性和PgR蛋白陰性也被認(rèn)為是危險(xiǎn)因素。傳統(tǒng)的臨床病理因素對(duì)于預(yù)測(cè)IDC發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)也至關(guān)重要，包括年齡(≥45歲與<45歲）和HER2狀態(tài)（陰性與陽(yáng)性）。在缺乏HER2靶向治療的情況下，HER2擴(kuò)增是眾所周知的IDC預(yù)后不良因素。然而，HER2擴(kuò)增的頻率在DCIS和IDC33–37之間有所不同，HER2擴(kuò)增是否是DCIS的風(fēng)險(xiǎn)因素仍有爭(zhēng)議。HER2陽(yáng)性率/年齡的HR≥45歲與2歲消極/年齡≥45年為1.54（95%可信區(qū)間=0.31-7.65，P=0.595）。HER2陰性/年齡<45歲與HER2陰性/年齡的HR比較≥45為2.43（95%可信區(qū)間=0.78-7.52，P=0.125）。相反，HER2陽(yáng)性/年齡<45歲與HER2陰性/年齡的HR≥45為11.03（95%可信區(qū)間=3.54-34.4，P<0.0001）。盡管交互試驗(yàn)的P值為0.121，但這些結(jié)果可能表明年齡與HER2擴(kuò)增之間存在交互作用。還發(fā)現(xiàn)PIK3CA突變的DCIS細(xì)胞沒有任何導(dǎo)致惡性轉(zhuǎn)化的基因組或轉(zhuǎn)錄組改變。未來(lái)，DCIS的臨床研究(包括正在進(jìn)行的試驗(yàn)12 14)可能會(huì)提供一種準(zhǔn)確的算法，使用包括本研究提出的標(biāo)記物在內(nèi)的標(biāo)志物來(lái)區(qū)分高風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)DCIS，從而避免不必要的治療。

參考文獻(xiàn)

Nagasawa S, Kuze Y, Maeda I,?et al. Genomic profiling reveals heterogeneous populations of ductal carcinoma in situ of the breast. Commun Biol. 2021 Apr 1;4(1):438.

 

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