Cancer Cell: 解开循环肿瘤DNA有助于深入了解前列腺癌生物学和转移的克隆动力学

背景：

前列腺癌(PCa)经常转移到骨骼，骨活检的DNA分析是非常具有挑战性的。《Nature》杂志最近的一篇报道表明，转移性前列腺癌患者循环肿瘤DNA (ctDNA)的全基因组测序(WGS)可以告知转移性疾病的亚克隆组成，并推断出基因表达模式。

简介：

2022年9月30日，来自美国国立卫生研究院国家癌症研究所癌症研究中心的Adam G. Sowalsky教授课题组在Cancer Cell（IF: 38.6）杂志上发表题为“Unpacking circulating tumor DNA lends insight into prostate cancer biology and the clonal dynamics of metastasis”的文章[1]。

主要结果：

自20世纪90年代以来，前列腺癌(PCa)的诊断和监测包括检测患者血液中前列腺特异性抗原(PSA)的含量。PSA的表达受雄激素受体(AR)的积极控制，这是一种核激素受体，在睾酮存在时，指导一个独特的转录程序。良性和癌变的管腔前列腺上皮细胞都依赖AR生存，针对AR的激素治疗是前列腺癌治疗的主要手段。尽管AR抑制剂的作用越来越强，转移性前列腺癌总是对激素治疗产生耐药性，随着肿瘤细胞表现出可塑性和上皮细胞重编程，PSA的产生相应减少。非激素化疗或其他靶向治疗可能是有效的，但选择合适的治疗方法可能涉及确定前列腺癌是否已演变为真正的AR缺失肿瘤，经历神经内分泌分化，或发展为FGFR驱动型前列腺癌。

当应用于转移性肿瘤活检时，明确的病理标记物可以区分PCa亚型，但约90%的侵袭性前列腺癌转移到骨，这一挑战加剧了。即使介入放射学有了改进，从PCa骨活检中获得足够的组织来进行组织学或基因组分析也很罕见，在过去十年中文献报道的唯一样本不足1000个。进一步使转移性前列腺癌的精确诊断复杂化的是，该疾病固有的异质性，其转移位点的重新播种倾向，以及在同一患者中隐藏多种癌症亚型的倾向。因此，虽然转移性前列腺癌的骨活检仍在进行，但从中推断肿瘤生物学仍然具有挑战性。

循环肿瘤DNA (ctDNA)，以及对其收集和分析的改进，在解决多种实体肿瘤活检的一些特征问题方面显示出了希望。对于前列腺癌患者，ctDNA显示出在转移性而非原发疾病中的效用，使用体细胞突变和体细胞拷贝数改变作为与非肿瘤来源的循环细胞游离DNA的区别特征。当与来自同一患者与血浆供体匹配的肿瘤组织的全外显子组测序相比，ctDNA中组织中的克隆突变普遍存在，但仅在ctDNA中检测到大量突变，这引起了人们的担忧，即单个活检不能代表转移性肿瘤的分子图谱。尽管如此，在使用这些药物进展迅速的患者的ctDNA中发现了肿瘤抑制因子如TP53和BRCA2的截断突变，这些突变与AR靶向治疗的耐药性有关。这些早期的发现共同指向ctDNA“池”的复杂组成，因此需要全面的基因组和系统发育分析来揭示同一患者内转移的不同行为。

图1：循环肿瘤DNA分析

赫伯特等人最近发表在《Nature》杂志上的一项研究描述了第一次对转移性前列腺癌患者ctDNA的深度(＞1503覆盖率)全基因组测序(WGS)。除了描述来自35名患者的70个PCa ctDNA样本的完整分子图谱外，作者还利用连续采样和时间匹配的组织WGS分析每个肿瘤的进化历史。高测序深度可以在每个时间点对肿瘤进行亚克隆重建，评估时间点之间的克隆动态，以及特异性AR靶向治疗对肿瘤基因型的选择性影响。

一个重要的发现是，在大多数患者中，ctDNA包含多个肿瘤亚克隆的基因组，非整数染色体拷贝数改变证明了这一点，而匹配的组织活检基因组主要是整数。在大多数情况下，来自同一患者的组织和ctDNA样本之间共享肿瘤抑制因子或癌基因的早期驱动改变。这些数据，当整合到系统发育树中时，将转移样本作为ctDNA的一个贡献来源(但不一定是主要来源)，证实了多年来的猜测，即PCa ctDNA是多个转移瘤的代表。

作为从ctDNA样本中获得每个患者克隆结构的一部分，作者设计了一种创新的计算方法来处理全基因组复制(WGD)。WGD有可能混淆单个突变调用，特别是当所有样本的WGD状态不一致时。作者提供了一个全面的技术补充概述了他们的新生物信息框架，以确定WGD的时间和如何适合突变的等位基因状态发生在WGD之前或之后。值得注意的是，作者发现WGD发生在超过一半的转移性前列腺癌患者中，这可能是对这些患者使用有丝分裂抑制剂的争论。当WGD作为非截断事件发生时，它在亚克隆谱系中被选中独立发生。

连续血浆比连续组织活检更容易收集，从接受AR靶向治疗的患者中纵向采样的ctDNA，通过PSA水平的上升，显示了治疗后克隆群体的变化。虽然AR基因的改变(包括其扩增)预计会与耐药性密切相关，但一个令人惊讶的发现是，AR非整倍体存在于较小的祖先克隆中，它们与主要的亚克隆竞争，以驱动对AR抑制剂的耐药性。AR获益是唯一主要的经常性变化。这一发现部分解释了为什么转移性前列腺癌总是致命的;当变异在小群体中预先存在时，选择抗性亚克隆是不可避免的。

赫伯特等人的论文进一步扩展了利用ctDNA推断肿瘤生物学的技术优势。与组织或白膜层法DNA相比，ctDNA在文库准备前被有意地破碎，而在核小体未保护的位点上固有地破碎。在没有进一步破碎的情况下，ctDNA的WGS将反映出它们在循环中发生的片段大小和分布。作者利用这些额外的细节，以及匹配的组织活检RNA的全转录组测序，生成核小体占用图，其中跨越转录起始位点的片段越多，转录活性越高。该方法揭示了在几乎每个转移性PCa ctDNA样本中AR表达的强烈依赖性，除了那些经历了神经内分泌分化的肿瘤，AR靶向治疗在临床上不再有用。

结论和展望：

赫伯特等人对ctDNA进行的全面基因组谱分析表明，与固体组织活检的WGS相比，ctDNA具有显著的技术优势。然而，对于确定是否存在从理论上讲存在于任何转移位点的躯干驱动体改变，从任何可到达的转移位点(如淋巴结)对DNA进行靶向测序仍有显著的成本优势。尽管如此，作者使用的“片段组学”方法表明，ctDNA WGS可以被重新用于推断显性转移克隆的肿瘤生物学特性。随着DNA测序的成本持续下降，更多常规的ctDNA片段组学分析可以通过测量转移瘤对治疗的转录反应来支持临床决策。

原文链接：doi: 10.1016/j.ccell.2022.09.002

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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