全外显子测序研究肿瘤的小样本思路

人全外显子组测序（exon-seq）是指对仅占人类基因组1%的外显子进行高通量测序，这样可以研究由编码基因突变引起的多种疾病，而且只对基因组1%的外显子测序，我们可以在考虑成本的基础上将测序深度测到100X以上，这样可以发现更多低频突变引起的罕见疾病，使得我们研究人类疾病信息变的更高效、更省成本。肿瘤的发生就是基因组变异的最常见的疾病，目前可以使用exon-seq进行编码基因的突变和肿瘤特征的研究，同时结合转录组进行肿瘤机制的研究，这些都是最常见的研究方法和思路。
下面再给大家介绍另一种研究思路，这个思路主要合适小样本量，与检测基因突变和肿瘤特征的大样本量有着很大的不同。通常来说检测基因突变都需要足够的样本量才能够确定某基因是否突变，这就要求样本量要足够大。除了基因突变检测外，exon-seq还可以用于验证肿瘤特征，例如目前传统的肿瘤治疗还是以化疗药物为主，但这些药物对于不同的肿瘤异质性其作用也不尽相同，可能会产生一些副作用，这就需要体外试验来验证该药物的作用，以及对于每个不同的患者来讲是否可以使用该药物进行癌症治疗，所以目前就出现了体外类器官模型的构建，构建完成后还需要验证原发肿瘤和模型肿瘤在病理组织学和基因组特征的视角下是否相同，如果相同，就可以使用该模型进行体外用药的试验来判断药物的作用。对于这种验证肿瘤特征是否一致的研究，我们只需要小样本就可以很快地完成基因组特征的比较，从而为后续的体外药物验证提供了有价值的模型。
下面以一篇案例为大家呈现外显子组小样本的应用，其中该文章的外显子组和转录组是由基迪奥提供的测序和分析服务。

合作单位：中国人民解放军总医院

中文题目：外显子组和转录组研究胃癌模型的构建及纳米制剂的效果比较

英文题目：Construction of gastric cancer patient-derived organoids and their utilization in a comparative study of clinically used paclitaxel nanoformulations

发表时间：2022年5月

发表期刊：Journal of Nanobiotechnology

IF：9.4287

#研究背景#

胃癌(GC)是一种高度异质性的疾病，有许多不同的组织和分子亚型。传统的化疗药物由于纳米制剂能减少全身不良反应，临床上越来越重视其在GC患者治疗中的应用。为了改善治疗结果，为这些纳米制剂的使用提供个体化用药参考和指导，可使用患者来源的类器官(PDOs)模型来实现这个目标。所以本文首先从手术切除的肿瘤组织和内镜活检中构建了多个GC PDOs系，并且使用外显子测序验证了原发肿瘤与PDOs模型的基因组特征的一致性；接下来比较评估了PDOs对两种紫杉醇（PTX, paclitaxel）纳米制剂（Albu-PTX和Lipo-PTX）的反应，并阐明了它们的潜在作用机制，通过这些研究进一步支持了利用GC PDOs评估纳米制剂有效性。

#测序样品#

（1）人外显子组测序：对GC3 PDOs和原发肿瘤样本进行外显子组测序；（2）转录组测序：对空白对照、Albu-PTX和Lipo-PTX处理48 h后的GC PDOs进行转录组分析。

#研究思路#

#研究结果#

1. GC PDOs模型的基因组特征

为了评估如PTX的纳米制剂对GC的体外响应，作者构建了GC PDOs模型。为了验证GC PDOs模型与原发性肿瘤的基因组特征是否一致，作者使用全外显子组测序对GC PDOs和原发肿瘤样本进行外显子组测序，CNV分析发现GC PDOs在很大程度上重现了其来源的原发肿瘤。通过在DriverDBv2数据库中搜索GC常见的驱动基因的拷贝数变异，如TP53、PIK3CA、CDH1、KRAS等，分析发现在GC PDOs和原发肿瘤中表现出高度的相似性。之后又进行了突变频谱的分析，结果发现GC PDOs保留了原发肿瘤中观察到的大部分基因突变，如ERCC2、SNAI1、HERC2和RUNX1。最后进行了突变特征分析，结果发现PDOs和原发肿瘤在点突变类型的总体趋势上也显示出相似性。综上得出GC PDOs和原发肿瘤几乎一致，说明该模型构建很成功。

2. 纳米制剂Albu-PTX和Lipo-PTX对GC PDOs的不同反应机制

Lipo-PTX和Albu-PTX具有相似的物理化学性质，但表现出不同的杀癌效果，所以作者主要研究了这两种纳米制剂的机制及产生的差异。通过转录组测序对Albu-PTX和Lipo-PTX处理48 h后的GC PDOs进行基因表达差异分析，结果发现两个不同的处理增加了几个微管蛋白相关基因（包括TUBA4A和TUBB2A）的表达，同时降低了许多与DNA复制和修复相关的基因（包括MCM7、BRCA2和POLE）的表达。KEGG通路分析显示，暴露于这些制剂会影响涉及DNA复制、细胞周期和缝隙连接的通路（图2B）。上述变化与PTX的抗癌机制一致，包括促进微管聚合，抑制微管解聚，随后有丝分裂停止。

通过对两种PTX纳米制剂的差异分析比较，结果发现Lipo-PTX组中的显著基因比Albu-PTX组的多很多，所以作者又进行了GSEA富集分析，与Albu-PTX组相比，Lipo-PTX组表现出与细胞对化学刺激反应相关的基因上调；细胞代谢过程的正向调节、细胞凋亡以及与DNA复制、细胞周期和DNA修复相关的基因下调（图2C）。综上说明Lipo-PTX在细胞水平杀灭GC PDOs方面优于Albu-PTX。

#小结#

在这项研究中，作者首先构建了患者来源的类器官模型，被用于评估个性化肿瘤治疗效果，该模型的成功构建有助于进一步加快抗癌治疗药物的合理、个体化使用提供指导进程。接着验证构建的模型与原来肿瘤是否一致，作者使用外显子组测序进行差异比较，分别从CNV特征、胃癌常见驱动基因的CNV特征、突变频谱、突变特征上研究了肿瘤特征是否一致。最后作者使用转录组分析纳米制剂Albu-PTX和Lipo-PTX对GC PDOs的不同反应的机制，经过差异基因分析和富集分析比较得出了更优的药物选择。

转自：基迪奥生物

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