7+纯生信:胶质瘤IDH克隆异质性

小伙伴们大家好呀,今天要为大家介绍的是于2020年10月13日发表于neuropathology and applied neurobiology(IF= 7.5)的文章,题目为IDH clonal heterogeneity segregates a subgroup of non-1p/19q codeleted gliomas with unfavourable clinical outcome,作者单位是哈尔滨医科大学。
7+纯生信:胶质瘤IDH克隆异质性
接下来,小编将剖析一下这篇文章的思路,从研究视角去解析文章的思路和工作。
一、为什么做这项研究?
根据修订的世界卫生组织(WHO)分类标准,弥散性神经胶质瘤(DGs)根据其IDH突变和1p / 19q编码状态将其分为三个主要分子亚组。然而,在每个亚组中,明显的生物学异质性和临床过程的差异是显而易见的,仍有待解决。本研究试图评估体细胞突变的克隆状态,并探讨DG中是否存在其他分子亚组。
目标非常清楚,想解决的是DG的分型问题问题。作者选择的方式从体细胞突变去进行疾病分型。针对这个问题,具体如何做?又得到什么样的结果?
二、结果分析
1. 患者队列特征
首先,纯生信的研究都需要选择数据库和数据集。本文作者首先收集了体细胞突变数据(n = 896),肿瘤纯度数据(n = 1089)和绝对拷贝数数据(n = 1090)。在过滤了4个超突变样本后,获得了876个主要DG的核心样本集,其中包含完整的数据,包括体细胞突变,样本纯度和DNA拷贝数。队列诊断的中位年龄为51岁,范围从14至89岁,男性517例,女性359例。大部分样本为IV级肿瘤(n = 372,43%),而242(28%)和261(30%)为II级和III级肿瘤。同样地,有372(42%)个样本被分类为胶质母细胞瘤,337个(38%)星形胶质瘤为167例,少突胶质细胞瘤为167例(19%)。根据2016年WHO主要基于IDH突变状态和1p / 19q状态的分子分类,将167个(19%)样品分类为IDHmut-codel,将269个(31%)样品分类为IDHmut-non-codel,和439个(50%)作为IDHwt。
7+纯生信:胶质瘤IDH克隆异质性
图1. DGs中驱动基因的克隆异质性
2. 弥漫性胶质瘤体细胞突变的克隆状态谱
确定数据集和整体分析以后,接下来就直奔目标:体细胞突变。作者先根据等位基因频率进行建模来估计每个突变的等位基因变异频率(CCF),研究成功地确定了870个肿瘤中大多数突变的克隆状态,占总突变的91.6%。在这些突变中,发现63.1%为克隆,36.9%为亚克隆(图1A)。在IDHmut-codel和IDHmut-non-codel胶质瘤中,观察到与非驱动程序基因突变相比,驱动程序基因突变趋向于克隆,突出了它们在DG引发中的潜在作用。但是,除IDH2外,所有已知的神经胶质瘤驱动基因均具有不可忽略的亚克隆突变(图1B)。值得注意的是,尽管IDH1被认为是神经胶质瘤发展的起始事件,但仍然观察到17.1%的IDH1 R132突变体样本含有亚克隆IDH1突变,这与之前的研究结果一致。例如,在IDHmut-codel患者(TCGA-DB-A64U)中,IDH1(R132H)错义突变是亚克隆的,而样本TCGA-CS-4943中的相同突变位点是克隆的(图1C)。

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图2. 体细胞突变与临床和分子特征的关系
3.克隆突变与临床和分子特征的相关性
体细胞变异的克隆状态在临床上有重要意义。首先,作者探索了在神经胶质瘤发展的不同阶段获得的突变是否会反映出临床和分子特征的差异?一般来说,性别、偏侧性、癌症家族史、肿瘤位置和首次出现的症状等特征与克隆和亚克隆突变的发生率无关。结果发现年龄与三种神经胶质瘤亚型的克隆和亚克隆突变负担均显着相关(图2A)。值得注意的是,在IV级IDHwt神经胶质瘤中,观察到年龄与更多的克隆(而非亚克隆)突变相关。老年患者中克隆突变的数量更高,在神经胶质瘤发生之前获得了更多中性的体细胞突变,并在诊断之前的患者一生中积累了这些突变。另外,研究发现随着IDHmut-codel胶质瘤的肿瘤进展,克隆突变发生率显着增加(图2B),这与IDHmut-non中的情况不同-codel和IDHwt肿瘤,其中分级显示与克隆和亚克隆突变都相关,这意味着在IDHmut-codel亚型中,克隆克隆而非亚克隆突变占II和III级肿瘤突变负担的差异。胶质瘤分子亚型(基于IDH和1p / 19q编码状态)与克隆和亚克隆突变均相关(图2C)。特别是,与侵袭性较低的亚型相比,恶性神经胶质瘤较多的患者具有更高的克隆突变数,而亚克隆突变则显示出不同的趋势,其中中度恶性肿瘤表现出最低但没有中间突变负担。此外,还观察到IDHwt神经胶质瘤的克隆和亚克隆突变均与染色体(Chr)7的增加和Chr 10的缺失,MGMT启动子状态和TERT启动子状态有关。综上所述,克隆和亚克隆突变与独特的临床和分子特征相关联,因此有必要在未来的基因组研究中了解体细胞变异的克隆结构。

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图3. 分级分类分析鉴定新的DG分子亚组
4. 亚克隆IDH突变导致非1p / 19q编码胶质瘤的临床预后不良
接下来,研究探索了当考虑肿瘤克隆结构时是否存在胶质瘤的其他分子亚型。利用常染色体上的23个驱动程序事件的克隆状态,进行了基于网络模块化的层次分类分析。在分级分类的顶部,确定了IDH和1p/19q分子状态(图3A)捕获的三种肿瘤分类。进一步的分层分析显示,这些样本被分离并分为两个子组:I(26个样本)和II(49个样本)。I组患者携带TP53克隆突变和IDH亚克隆突变,并以100%特异性定位到IDHmut-non-codel亚型。II组患者的特征是IDH、CIC和FUBP1亚克隆突变,对应IDHmut-codel亚型,特异性为78%。这些发现表明,考虑到IDH克隆体系结构,IDHmut-codel和IDHmut-non-codel胶质瘤可进一步分为两个单独的亚组。另外,具有IDH克隆突变且无1p / 19q编码(以下简称为IDHsubmut-non-codel)的患者的OS和DSS明显短于具有IDH克隆突变且无1p / 19q编码(图3B,C)。

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图4. 分子亚组之间的肿瘤内异质性比较
5. 肿瘤的异质性
已发现肿瘤内异质性(ITH)对于患者预后和对治疗的反应具有重要的临床意义。因此,评估了IDH亚克隆突变且无1p/19q编码缺失的神经胶质瘤中ITH的存在程度。在34名IDH突变且无1p/19q密码缺失的患者中,结果观察到每个样本的突变CCF显着降低(图4A),亚克隆突变数(图4B)明显高于235名IDH突变且无IDH突变的患者。然而,这两个患者群之间克隆和总体体细胞突变的负担是相似的(图4B,C)。此外,通过整合肿瘤纯度和局部体细胞拷贝数以及变异等位基因频率,通过独立的算法Pyclone推断出突变的细胞患病率,并确定了肿瘤亚克隆的组成。还发现IDHsubmut-non-codel患者的突变CCF较低,并且可检测的亚克隆种群数量明显较多。研究证实,通过比较IDHsubmut-non-codel亚型(图4D)存在明显更高的肿瘤纯度,在具有亚克隆IDH突变且无1p/19q缺失的神经胶质瘤中观察到的更高的ITH并非正常细胞污染的结果(图4D)IDHclomut-non-codel子组。

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图5. 差异表达和基因集富集分析
6. 亚克隆IDH突变和No 1p / 19q编码亚型的临床和分子特征
接下来,使用显着的临床特征和分子指标(包括基因组学和转录组学)进一步表征了IDHsubmut-non-codel分子亚组。亚克隆IDH突变且无1p / 19q编码的胶质瘤主要分布在II / III级的中年患者中。IDHsubmut-non-codel神经胶质瘤主要出现在额叶,诊断时癫痫发作频率很高。但是,没有观察到IDHsubmut-non-codel和IDHcolmut-non-codel分子亚组之间在临床参数上没有任何统计学上的显着差异。研究发现四个基因组事件,包括一个扩增峰7q11.21和三个缺失峰19q13.41、9p21.3和19q13.43与IDHclomut-non-codel子类型相比显着相关。含有CDKN2A肿瘤抑制基因的局灶性9p21.3区经常在多种肿瘤中突变或缺失。与CDKN2A缺失有关的预后较差的患者已在先前的研究中提及。在多变量分析中考虑CDKN2A缺失状态时,IDH克隆状态仍然分别是OS和DSS的独立因素。除了这些特征外,没有其他基因组特征可以清楚地区分这两个簇。在IDHsubmut-non-codel和IDHclomut-non-codel样本的基因表达之间进行的监督分析导致67个差异表达的基因,包括51个上调基因和16个下调基因(图5A)。其中包括许多与肿瘤相关的基因,例如TNF,CNKN2A,VGF和IGFBP2。但是,使用Hallmark基因集进行的GSEA分析显示IDHsubmut-non-codel样品中细胞周期相关基因集(图5B)显着富集,与这些样品中更高的肿瘤增殖潜力相符。这些结果表明,高的肿瘤增殖活性可能对1p / 19q-非编码神经胶质瘤的预后有影响。

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图6. DG的改进的分级分类方案。
(7)一种基于克隆架构的胶质瘤分类系统
将亚克隆的IDH突变和没有1p/19q编码整合到当前临床广泛使用的脑肿瘤分子分类系统中,将DGs分为四个基因组亚组:两个先前描述的亚型,以及其他两个亚型是细分的亚型(图6A)。这种细粒度的神经胶质瘤分类系统显示出与OS(图6B)和DSS(图6C)的紧密关联。与先前的研究一致,发现IDHmut-codel患者的预后最佳,IDHwt患者的生存期最差。IDHclomut-non-codel和IDHsubmut-non-codel亚型的预后中等。具体而言,IDHclomut-非编码肿瘤的患者往往比IDHmut-codel肿瘤的患者具有更短的OS和DSS。IDHsubmut-non-codel患者显示出比IDHwt肿瘤患者明显更好的结局。在诊断和分级时调整年龄后,作者发现了这种改良的分子分类仍然是OS和DSS的独立预后因素,并提供了除这些临床变量以外的其他预后信息。值得注意的是,在LGG患者中,改良的分子分类也与OS和DSS独立相关。然而,在GBM患者中,修改后的分子分类仅在单变量模型中有意义,而在多变量模型中则无意义。因此,本文提出了一种改进的DG分子分类方案,该方案可用于前瞻性鉴定具有不同预后的患者。
三、总结
本文整合了变异等位基因频率,局部拷贝数和肿瘤纯度的计算框架,来推断来自癌基因组图谱(TCGA)的876个DG中体细胞突变的克隆性。研究进行了无监督的聚类分析,以鉴定分子亚组并表征其临床和生物学意义。结果发现基于当前的WHO脑胶质瘤分子分类定义了完善的分层系统,该分类系统与患者的临床结果密切相关。本文是首次将体细胞突变的克隆状态纳入癌症基因组分类,并强调了在胶质瘤精确分层中考虑IDH克隆结构的必要性。
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