Genome Med：基于多组学分析揭示乳腺癌新辅助化疗反应相关的新分子特征

乳腺癌（BC）是全球最常见的恶性肿瘤之一。新辅助化疗（NAC）目前是高危早期、局部晚期或无法手术的乳腺癌的标准治疗方法。新辅助化疗是在手术前进行的，目的是减少肿瘤负荷并检测乳腺癌对治疗的敏感性。

已有研究证明对新辅助化疗有病理完全缓解（PCR）的患者可提高无病生存期和总生存期。但由于乳腺肿瘤的高度异质性，尚不清楚哪些患者群体最有可能受益于新辅助化疗。因此，确定最有可能从新辅助化疗中获益的患者至关重要。先前的许多研究已经为筛查受益于新辅助化疗的患者提供了多种预测性生物标志物，并为探索乳腺癌的新治疗靶点奠定了基础。但预测患者对新辅助化疗的反应仍然是乳腺癌治疗中的一大挑战。因此，迫切需要确定新的预测性分子生物标志物，以进一步帮助选择更有可能受益于新辅助化疗的患者。

来自山东大学第二医院及山东大学等机构的联合研究团队在Genome Medicine发表了题为“Genomic and transcriptomic analysis of breast cancer identifies novel signatures associated with response to neoadjuvant chemotherapy”的文章。研究团队利用多组学方法对来自50名乳腺癌患者的233个样本进行了全外显子组（WES）和RNA测序，对与新辅助化疗反应相关的分子特征进行了鉴定和验证，揭示了新辅助化疗前后乳腺癌的基因组和转录组学谱，并确定了与新辅助化疗反应性和预后相关的多组学分子特征和潜在生物标志物。

文章发表在Genome Medicine

在NAC乳腺癌测序集中，符合条件的原发性乳腺癌患者接受了新辅助化疗，然后接受了手术。纳入标准为：（1）患者组织学诊断为非转移性乳腺癌；（2）患者在手术前接受至少两个周期的新辅助化疗；（3）可以收集到新辅助化疗前的活检样本和新辅助化疗后的手术样本（如果有残余疾病）（图1A）。研究人员利用WES分析了47个治疗前和44个治疗后的肿瘤样本以及匹配的胚系DNA样本，利用RNA-seq分析了50个治疗前和45个治疗后的肿瘤样本（图1B），用于识别新辅助化疗后的分子变化，并筛选与乳腺癌对新辅助化疗反应相关的分子特征。

图1. 研究总览。

一、匹配肿瘤治疗前后的体细胞突变和拷贝数变异

在肿瘤对新辅助化疗反应的体细胞突变和CNV特征变化的分析中，治疗前肿瘤中鉴定出15,499个体细胞SNV和598个体细胞小INDEL，治疗后肿瘤中发现了27,458个核苷酸取代和770个小INDEL。在44个配对的治疗前和治疗后肿瘤中，共分别鉴定出4433个和6767个非同义突变。队列中的突变负荷没有统计学上显著的变化（图2B），在新辅助化疗前和新辅助化疗后样本中，最常出现突变基因是TP53、TTN和MUC16，但这些变化没有统计学意义（图2C）。

接下来，研究人员对标志性基因集的分子特征数据库（MSigDB）进行了基因集富集分析，发现有三种途径受到突变的显著影响。在治疗后的肿瘤中，DNA修复和蛋白质分泌途径的突变率显著降低。在44个配对的治疗前和治疗后肿瘤中，29个治疗前和16个治疗后肿瘤含有DNA修复途径的基因突变（图2D），14个治疗前和4个治疗后肿瘤在蛋白质分泌途径中含有基因突变（图2D）。治疗后组（4/44）中的血管生成途径突变率高于治疗前组（11/44）（图2D）。

图2. 配对治疗前后肿瘤样本之间的基因突变、突变负荷和MSigDB途径的变化。

二、新辅助化疗后基因表达和细胞组成的变化

配对治疗前后肿瘤之间的差异表达基因分析确定了1,130个差异表达基因（DEG），包括705个上调基因，425个下调基因（图3A）。基因富集分析表明，与治疗前肿瘤相比，与细胞周期进展相关和DNA修复相关的基因集在治疗后显著下调，与缺氧/HIF1A靶点反应和KRAS信号传导相关的基因集在治疗后上调（图3B）。研究团队分析了每个肿瘤的细胞组成，结果表明新辅助化疗后B细胞组分、活性树突状细胞和γδT细胞减少（图3C），而M2巨噬细胞的组分和内皮细胞在治疗后的肿瘤中增加（图3D）。

图3. 新辅助化疗后基因表达、肿瘤浸润免疫和基质细胞组成的变化。

三、CDKAL1 P409L突变降低乳腺癌对新辅助化疗的敏感性

为了筛选与新辅助化疗易感性相关的分子特征，研究人员通过分析WES数据比较了无响应组（n = 16）和有响应组（n = 11），没有发现两组之间突变负荷的统计学显著差异（图4A）。根据COSMIC数据库对突变特征权重的分析结果，与有响应组相比，无响应组中与同源重组导致的DNA双链断裂修复失败相关的特征3的权重较低（图4C）。通过分析RNA-seq数据进一步比较了无响应组和有响应组之间DNA修复途径相关基因表达的差异，显示大多数DNA修复相关基因的表达在无响应组中显著上调（图4D）。

图4. 治疗前肿瘤的突变特征。

WES数据分析在47个治疗前肿瘤中鉴定出了43个显著突变的基因（图5A），并鉴定了与乳腺癌化疗敏感性相关的突变基因，综合体外研究结果后发现，CDKAL1 P409L突变可能通过抑制乳腺癌细胞的凋亡来诱导多西他赛耐药性。

图5. CDKAL1 P409L突变降低了癌症细胞对多烯紫杉醇治疗的敏感性。

四、ADRB3或ADGRA2扩增导致更差的治疗反应和乳腺癌预后

研究人员对配对肿瘤和正常样本进行了体细胞拷贝数变异（SCNA）分析，以了解无响应组和有响应组治疗前样本基因组之间的拷贝数扩增或缺失峰。在包含ADGRA2和ADRB3基因的无响应组中，在8p11.23处发现了一个独特的扩增峰。此外，在反应性肿瘤中观察到3p13处的独特缺失峰，其中包含癌症相关基因FOXP1（图6A）。

图6. ADGRA2或ADRB3的高表达与乳腺癌患者较差的新辅助化疗反应和预后相关。

该研究揭示了乳腺癌新辅助化疗前后的基因组和转录组特征变化，并确定了潜在的化疗耐药性和不良预后的新生物标志物（CDKAL1 P409L、ADGRA2和ADRB3），有助于指导乳腺癌个性化治疗的发展。总之，多组学分析技术揭示了乳腺癌新辅助化疗前后的基因组和转录组学变化，以及鉴定与新辅助化疗敏感性相关的分子特征，提供了一种更好的方法。

论文原文：

Yin, G., Liu, L., Yu, T. et al. Genomic and transcriptomic analysis of breast cancer identifies novel signatures associated with response to neoadjuvant chemotherapy. Genome Med 16, 11 (2024). https://doi.org/10.1186/s13073-024-01286-8