2022-08-03

Nature | 恶性前列腺癌深层全基因组ctDNA进化动力学

原创 风不止步 图灵基因 2022-08-03 09:05 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学机制

撰文：风不止步

IF=69.504

推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐

亮点：

文章提供一个大型深度ctDNA WGS数据存储库，包括与患者匹配的白细胞数据，提供了对癌症生物学的见解，并表明液体活检可以用作全面的多组学发现的工具。

2022年7月20日，不列颠哥伦比亚大学的Alexander W. Wyatt博士等人在《Nature》上发表了一篇“Deep whole-genome ctDNA chronology of treatment-resistant prostate cancer”的文章，文章评估所有类别的基因组改变，并表明循环肿瘤DNA(ctDNA)包含多个优势种群，其进化历史经常表明全基因组加倍和突变过程的转变。

文章提供了对连续ctDNA和匹配的转移组织的深入WGS研究，表明了具有高ctDNA分数的样本允许剖析转移性癌症的进化历史、时间亚克隆动力学，以及发现治疗抗性的基因组和转录组机制，而这在以前只能通过对新鲜组织活检的侵入性和重复分析来实现。因此，将ctDNA分析从用于检测选定的临床可操作基因突变的新兴工具推进到基因组规模发现的模式和进展中转移性癌症的深入临床生物学洞察力。

图 1：高分辨率ctDNA和转移组织全基因组。

组成ctDNA的群体通常比同步转移的大量WGS中发现的群体更复杂且异质性更高（图1e和2）。利用等位基因特异性的躯干拷贝数模型拟合，为连续ctDNA样本的亚克隆重建提供一个全面的框架；基于突变的亚克隆量化和系统发育。克隆重建框架的准确性得到多重可视化和使用模拟样本的计算机验证的支持。亚克隆多样性通过增加选择抗性表型来恶化疾病预后。结果表明深度ctDNA WGS可用于具有高ctDNA分数的患者队列，以确定转移性肿瘤克隆组成的临床相关性，并了解如何改善癌症控制。值得注意的是，一些患者存在的非优势祖先谱系随后通过选择性扫描在治疗进展中超过子系谱系（图4e），表明在治疗时，祖先肿瘤谱系可以在晚期疾病中保留的临床意义被启动。WGS成本的降低将在未来的研究中实现更高的测序深度（高于1000倍），从而在ctDNA分数低至5%的血浆样本中解锁类似的全基因组克隆分析。

图 2：ctDNA的癌症克隆组成。

队列中的几乎所有患者中，ctDNA由具有不同基因组特征的多个亚克隆组成，每个活检转移仅占总ctDNA的一小部分（图 3a，d）。在前列腺癌中大多数具有已确定功能的基因组改变（如在TP53和PTEN中）是早期的主要事件，因此在亚克隆之间以及ctDNA和组织之间共享。然而，对单一组织活检的依赖无法完整了解治疗耐药的多克隆机制，将改变错误分类为躯干特征或低估疾病亚克隆的复杂性。未来的工作将需要了解转移部位（如骨与软组织）和相对于总肿瘤负荷的大小如何影响ctDNA的贡献，以及新兴的功能成像技术可以帮助选择可能反映临床优势疾病的病变。然而，与系列转移性组织活检相比，具有高癌症分数的系列ctDNA样本提供更好的治疗相关动力学分辨率，因为后者无法区分时间和空间异质性，除非在表现出完全肿瘤根除及重新填充。

图 3：同步转移组织活检和cfDNA对之间的种群和基因组不一致。

在AR靶向治疗（连续ctDNA）进展时获得的结构重排或拷贝数变化，以及患者匹配的ctDNA和转移组织之间的任何复发差异区域（图4b和3e）。强烈暗示mCRPC进化不断受到AR基因型的影响，重申对针对AR信号传导的新疗法的持续需求，并提出一种用于检测新兴基因组耐药机制的微创实用工具。AR信号的临床抑制对于mCRPC管理至关重要——所有药物都在持续雄激素剥夺、新兴标准护理和研究药物为利用对AR信号的依赖提供新的策略。这种持续的选择压力强调了解AR基因组抗性机制和潜在（亚）克隆多样性的细微差别的重要性。更广泛地说，对临床活性靶向治疗产生耐药性的基因组介质可能与选择性压力下的特定途径耦合，意味着ctDNA可在其他癌症和治疗环境中指定获得性耐药的不同机制。

图 4：AR信号抑制剂全身治疗期间ctDNA的基因组进化。

cfDNA片段组学分析转录因子结合活性可能有助于衡量对转录因子信号传导的依赖程度进行治疗选择，并且可以帮助识别早期出现的非基因组耐药机制，包括肺癌和其他癌症中的神经内分泌样表型，其中谱系可塑性可以驱动获得性耐药。基因TSS上的cfDNA足迹可以概括转移组织中mRNA表达的广泛模式，这表明cfDNA也可以在已建立临床相关性的癌症中实现RNA亚型分析。最终证明cfDNA测序可以实现并进行表观基因组和全面的基因组分析，简化工作流程并节省通常有限的DNA产量。高表达基因显示出较低的cfDNA 测序覆盖率，这反映了由于转录介导的核小体耗竭导致DNA对凋亡消化的易感性增加（图5g）。

图 5：mCRPC的ctDNA核小体结构。

但是该研究有局限性。首先，根据来自先前靶向测序的高ctDNA分数预选样本用于WGS。来自狭窄靶向组的基于突变的ctDNA分数估计会高估WGD肿瘤的ctDNA分数，从而可能丰富WGD 队列。其次，转移组织活检位置受手术可及性和患者安全性的影响，因此活检不一定代表大块疾病。最后，队列中的患者具有多种复杂的不良预后特征，这些特征混淆对组间潜在临床结果差异的评估（例如，WGD状态）。

研究表明，基于血浆ctDNA的亚克隆重建与一系列独特的挑战和机遇相关。提高的亚克隆多样性使现有亚克隆重建方法所依赖的许多简化假设无效，并且由于区域不同测序深度可能对超灵敏拷贝数分析构成挑战。相反，连续ctDNA采样也带来新的机会，因为增加的数据允许解决以前模棱两可的场景，例如区分WGD和50%CCF亚克隆。值得注意的是，克隆进化的分形性质意味着批量测序重建的细节水平可能会根据采样特征（测序深度、广度或样本数量）而变化。

教授介绍

Alexander W. Wyatt博士

Alexander Wyatt博士是不列颠哥伦比亚大学泌尿科学系的助理教授，在温哥华前列腺中心和 BC 癌症中心交叉任命，拥有牛津大学遗传学博士学位。

主要研究目标是确定转移性泌尿生殖系统癌症的分子改变与临床结果之间的关联，并将这些发现转化为临床生物标志物。开发了新的实验室和计算技术来研究血浆循环肿瘤DNA (ctDNA)。通过将这些方法应用于临床试验队列，他的团队已经证明ctDNA高度代表转移性病变，并且在ctDNA中检测到的体细胞改变可以帮助预测前列腺癌治疗的耐药性或反应。

Wyatt博士通过加拿大癌症试验小组 (CCTG) 开展的泌尿生殖系统癌症试验相关科学的主席。还担任研究性新药计划执行委员会成员，指导ctDNA筛查策略和分子肿瘤委员会，用于转移性去势抵抗性前列腺癌的第一个多中心2期综合试验（NCT03385655、NCT02905318）。

参考文献

Cameron Herberts, Matti Annala et al.Deep whole-genome ctDNA chronology of treatment-resistant prostate cancer.（2022）