Integrated molecular characterization reveals potential therapeutic strategies for pulmonary sarcomatoid carcinoma
综合分子表征揭示了肺肉瘤样癌的潜在治疗策略
期刊：Nat Commun；影响因子：12.121
发表单位：中国医学科学院与北京协和医学院等
导 读
肺肉瘤样癌（PSC）是一个高度侵袭性和低分化型肺癌，患有这种罕见肿瘤的患者通常预后较差，并且对传统的铂类化学疗法具有抵抗力。由于其稀有性，有关PSC的分子数据有限，而且大多基于DNA的靶向测序。需要全面的分子谱分析来鉴定更多潜在的治疗靶标并评估肿瘤微环境（TME）和免疫原性，为PSC免疫治疗的未来前景提供线索。
2020年9月发表在《Nature Communications》的一项研究中，对56个PSC样品及其配对正常组织进行了包括外显子、转录组和甲基化修饰在内的多组学分析，为PSC的分子特征、致癌作用和分类提供了见解。研究报告了PSC突变景观，上皮和肉瘤样成分的肿瘤共享许多基因组改变，表明是共同的祖细胞，并且发现上皮-间充质转变（EMT）在致癌作用中起重要作用，这可能受DNA甲基化动力学调控。综合分子分型显示三种分子亚型，它们具有不同的生物学、预后和潜在的治疗策略，并且这些亚型与常规肺癌的亚型具有分子相似性。
摘 要
肺肉瘤样癌（PSC）是一种预后较差的罕见肺癌亚型。本研究对56个PSC样品进行了多组学分析，并对14个样品进行了显微解剖观察肿瘤内异质性。研究报告了PSC的突变态势，上皮和肉瘤样成分共享许多基因组改变，表明是共同的祖细胞。上皮-间质转化（EMT）在PSC的致癌作用中起重要作用，泛癌分析显示PSC的高肿瘤突变负担和白细胞分数。综合分子分型显示三个亚组，它们具有不同的生物学、预后和潜在的治疗策略。C1和C2中富含可操作的突变，C3患者的总体生存期明显更长，C1和C2表现出T细胞发炎的微环境，三个亚组显示出与常规肺癌特定亚型的分子相似性。总之，研究揭示了分子特征并为PSC的治疗提供了切入点。
研究概要
1 基因组变异景观
作者收集了56例PSC手术的患者的原发肿瘤样品和配对的正常肺组织，进行了全外显子组（WES）、转录组和DNA甲基化分析，并解剖了14个肿瘤样品观察组织特征。结合临床资料，吸烟者的突变负荷显著更高，并且吸烟者的TMB与吸烟年数之间存在显著相关性。TP53是该队列中最常见的突变基因，共有79％（44/56）的患者在TP53中存在48个突变，其中19％的突变是导致TP53失活的截短突变。共有57％的患者携带受体酪氨酸激酶（RTK）/RAS途径的基因突变，EGFR是RTK/RAS途径中最常见的致癌基因。与传统的肺腺癌（LUAD）相比，有14％的患者具有KRAS突变。27％的患者在磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）途径的基因中存在一个或多个突变。体细胞拷贝数变异（SCNV）的分析显示11q13.3、8q24.21和7q31.2显著扩增，以及9p21.3和13q13.1显著缺失。
使用非负矩阵分解（NMF）在PSC中确定了三个独立的突变特征（A、B和C），分别对应于COSMIC突变特征4、13和6。大部分样本中特征4突出，表明烟草暴露是PSC的病因。吸烟者更有可能具有特征4贡献，并且吸烟者中特征4贡献与TMB之间存在显著相关性。促成PSC的其他重要突变特征包括归因于APOBEC酶的特征2和13，以及与DNA维持异常有关的特征3、6和15。
2 上皮和肉瘤样成分的共同起源
为了探索同一PSC肿瘤中上皮和肉瘤样成分之间的关系，作者分析了这两种成分的体细胞突变和CNV。体细胞突变分为两个亚组，共有（在两个组中都存在）和特异性（仅在一个组中存在）突变。特异性突变富含非杂合性（LOH）区域的丢失，表明LOH并非混杂因素。通过计算肿瘤的克隆指数（CI）评估两种成分共同起源的可能性，发现每位患者的上皮和肉瘤样成分均具有克隆相关性。针对每个患者计算了两个组所占CNV长度占其联合的CNV长度总和的百分比，同一肿瘤内两种成分中的体细胞CNV分布相似。据此，推断PSC的上皮和肉瘤样成分起源于一个共同的祖细胞，并且在PSC的癌变过程中发生了从上皮向肉瘤样成分的转化。为了说明PSC的克隆架构，作者还构建了体细胞突变的系统发育树，不同的树干长度暗示了PSC的单克隆起源，TP53、KRAS和EGFR的突变都在躯干中，这表明它们是PSC致癌的早期事件。
3 EMT程序在PSC致癌中的作用
基于上皮和肉瘤样成分的转录组数据，上皮和肉瘤样成分之间总共有195个差异表达基因（DEG），富集了ECM-受体相互作用、粘着斑、细胞间连接，细胞外基质组织，细胞粘附等途径，并且大多数与上皮和间充质特征以及EMT相关。随后，作者基于转录组数据探讨了上皮和肉瘤样成分的EMT状态。使用76个EMT标记基因的表达水平进行了聚类，肉瘤样和上皮成分分别产生了两个主要的聚类并占优势，表明两个成分的EMT状态不同。计算肿瘤中每种成分的EMT得分以量化差异，肉瘤样成分的EMT评分显著高于ADC或SCC成分。
DNA甲基化数据的无监督共识聚类产生三个聚类，分别由SCC、ADC和肉瘤样成分占据主导地位，表明肉瘤样成分的DNA甲基化谱图不同。在上皮和肉瘤样成分之间包含差异甲基化探针（DMP）的基因富集了粘着连接、PI3K-Akt信号传导途径、粘着斑、细胞连接、细胞-基质粘附的调节等途径，并同样与EMT相关。类似地，作者推断DNA甲基化参与了EMT的调节，从而促进了肿瘤的增殖和转移，并通过76个EMT标记基因中的26个证实。
4 PSC的肿瘤微环境
考虑到高TMB（与肿瘤新表位负荷有关）和高LF（T细胞炎症的TME）都可作为免疫疗法的预测生物标志物，作者分别对34种和31种恶性肿瘤进行了TMB和LF的全癌分析，以预测PSC免疫疗法的疗效。排名前五位的TMB内的肿瘤包括皮肤皮肤黑色素瘤（SKCM）、肺腺癌（LUAD）、肺鳞状细胞癌（LUSC）、膀胱尿路上皮癌（BLCA）和肺肉瘤样癌（PSC），其中大多数是对免疫检查点封锁敏感的癌症类型。。前三个LF内的肿瘤是PSC，LUSC和LUAD，表明TSC感染了T细胞的微环境。高TMB和LF表明，免疫治疗将是PSC患者的良好治疗选择。
作者还对PD-L1、CD4、CD8、CD68和FoxP3进行了荧光多重免疫组织化学分析，以定量探索上皮和肉瘤样成分之间免疫微环境的关系。五个标记物的表达在上皮和肉瘤样成分之间没有显著差异，但在两个成分之间的CD4、CD8和CD68表达中观察到了显著的相关性。考虑到PSC的高LF，上皮和肉瘤样成分可能都具有丰富的免疫细胞浸润，进一步强调了免疫治疗对PSC患者的潜力。
5 分子分型
考虑到高水平的肿瘤间异质性，分子分型可以提供对PSC的生物学、预后和治疗的见识，并改善临床实践。DNA甲基化数据的无监督分层聚类产生了三个主要的聚类：C1，C2和C3。C1具有比C2和C3更低的DNA甲基化水平，与ADC和相应的肉瘤样成分高度相关，具有更多的EGFR突变。C3的EMT得分低于C1和C2，VIM表达最低，CDH1表达最高，表明C3保持了上皮特征。C2与C3相似，具有较高的DNA甲基化水平，但TP63的表达水平低于C3。C3患者的总生存期（OS）明显长于C1和C2患者，这可能部分是由于间充质特征的最低水平。
由于免疫疗法已成为非小细胞肺癌治疗的重要组成部分，作者试图探索这三个亚型之间免疫微环境的差异。C1的CTLA4和PD-L2的表达水平明显高于C3。通过DNA甲基化的LF和基于预定义的标记基因表达水平计算每个肿瘤的淋巴细胞浸润率，显示C1具有最多的浸润淋巴细胞，而C3具有最少的浸润淋巴细胞。免疫组织化学分析显示，有40％的样本对PD-L1呈阳性，并且C3患者的PD-L1表达较低，而CD8阳性淋巴细胞浸润的细胞密度较低。这三个亚型之间的免疫微环境的差异将为未来针对PSC的精细免疫疗法的临床研究提供线索。
6 PSC、LUAD和LUSC的综合分析
PSC（由我们检测到）和LUAD和LUSC（由TCGA发布）的DNA甲基化数据的无监督分层聚类产生了两个主要簇，提示PSC样本可以基于LUSC或LUAD的分子特征分为两个子组，PSC_SC和PSC_AD。PSC的C3亚型的大多数样品都在PSC_SC亚组中，C3的表达谱与LUSC的经典亚型相似，表明C3的致癌性与LUSC相关。对PSC_AD和TCGA LUAD的DNA甲基化数据进行了无监督分层聚类，进而将PSC_AD样本分为两个子集，分别显示C1和C2亚型占优势。C1和C2中的PSC样品的DNA甲基化谱分别与低CpG岛甲基化和CIMP中间LUAD相似，表明在致癌性中的相关性。
讨 论
本研究描绘了PSC中基因组改变的态势，强调了上皮的本质，并提示靶向治疗可能是一个好的治疗选择。同一肿瘤内的上皮和肉瘤样成分具有共同的起源，并且表现出独特的EMT状态，可以通过表观遗传调控，表明EMT的逆转是潜在的治疗切入点。泛癌分析显示PSC的TMB和LF高，表明免疫疗法的适用性。此外，分子分型可以加深对PSC生物学的理解，预测预后并指导临床实践中的分层治疗。对PSC、LUSC和LUAD的综合分析为它们在致癌性中的相关性提供了线索。