[研究]基于多种遗传与表观遗传学分析揭示IDH1突变型胶质瘤恶性进展的分子机制
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译者：MoonLau
REF: Murat Günel, et al. IntegratedGenomic Characterization of IDH1Mutant Glioma Malignant Progression.NatureGenetics. 2015.
胶质瘤是中枢神经系统最常见的原发性肿瘤，约占中枢神经系统肿瘤的30%，颅内恶性肿瘤的80%。来自美国耶鲁大学的研究团队通过分析41例配对样本的外显子测序、拷贝数、基因表达及甲基化等数据，揭示了IDH1突变型胶质瘤恶性进展背后的驱动因素并针对这些因素探索了新的胶质瘤分子治疗的可行性，其研究成果发表在最新一期权威杂志《Nature Genetics》。
世界卫生组织（WHO）根据肿瘤的密度、核异型性、增殖指数、坏死等因素等病理特征将胶质瘤分成四级。其中，WHO IV级胶质母细胞瘤（GBM）中位生存期仅为12.2-18.2个月。基因组学研究表明，80%星形细胞胶质瘤具有IDH1 R132H突变，并伴随TP53、ATRX基因突变及17号染色体杂合缺失。少突细胞胶质瘤则表现为CIC、FUBP1基因突变及1p/19q的联合缺失。同时，表观遗传学分析提示IDH1突变型胶质瘤表现为全基因组启动子区高甲基化表型（即G-CIMP）。因为缺乏有效的治疗手段，大多数II-III级胶质瘤会进展为恶性行为更高的GBM。
为了揭示IDH1突变型胶质瘤恶性进展背后的分子遗传学背景，作者研究了41对IDH1突变胶质瘤患者初诊低恶度肿瘤样本及其复发后高恶度样本的外显子测序、全基因组基因分型、基因表达谱和全基因组甲基化分析。
通过外显子测序，作者分别确定了27个突变（有配对正常DNA的患者）和129个突变（无配对正常DNA的患者）。整体上来看，TP53、ATRX、CIC、FUBP1、RTK-RAS-PI3K信号通路相关基因（EGFR，PIK3R1，PIK3CA，PTEN，NF2和mTOR）及染色体重构复合体SWI/SNF家族相关基因（SMARCA4，ARID1A，ARID1B，ARID2，PBRM1）突变率较高。而且，作者发现NOTCH1和NOTCH2存在较高的突变率，而且突变的位点位于NOTCH的EGF样结构域（这一突变会导致NOTCH失活）。同时，NOTCH突变肿瘤中NOTCH通路的靶基因出现不同程度的下调。Hippo信号通路中FAT1、FAT2、FAT3也存在不同程度突变。拷贝数改变再次证实少突胶质细胞瘤中1p/19q缺失，星形细胞胶质瘤中17q上TP53基因组杂合缺失。最常发生拷贝数改变的CDKN2A/B在不同组织分型中无明显差异。与此类似的是MYC基因，在各种组织亚型中均表现为扩增。
整合分析进展复发和初诊样本突变-拷贝数变异的数据，作者发现初诊肿瘤中28%的突变和30%拷贝数改变在进展复发后丢失，但IDH1突变始终存在，并呈现一种非线性克隆进化的模式。此外，27%复发胶质瘤患者常见的突变基因（如TP53，ATRX，CIC，FUBP1）会发生不同位点的突变。尽管经过放疗的患者获得突变的几率更高，基因的拷贝数改变保持不变。
在胶质瘤恶性进展中，RTK-RAS-PI3K，NOTCH，Hippo信号通路突变率（22%，12%，10%）和SWI/SNF家族的突变率（39%，7%）均比较高。作者发现，在转录调节中发挥作用的MED12突变率为7%，而其中的一个错义突变常发生在MED12第44位甘氨酸残基，这一突变常发于在多种肿瘤。与进展密切相关的扩增的基因为MYC和FOXM1（20%，24%），缺失基因为9号染色体短臂（9p）的CDKN2A/B（61%）、10号染色体长臂（10q）的PTEN、4q的FBXW7（32%）和14q的MAX（29%）。以往研究证明，FBXW7、MAX分别是MYC信号通路的抑制因子和转录共激活因子。此外，Hippo信号通路中的分子FAT1（4q），FAT2（5q）也发生缺失（34%，27%）。
图2. IDH1突变型胶质瘤恶性进展过程中的非线性克隆进化模式
图3. 41例IDH1突变胶质瘤患者恶性进展中的基因组改变
对于转录层面的研究，作者发现了215个差异表达的基因。其中，上调的基因富集在细胞周期、G2/M期转换、G1/S期转换等生物学行为。85%患者进展中发生FOXM1基因网络的激活，这与基因拷贝改变结果一致。同时，73%患者进展中发生E2F2基因网络的激活。基因共表达分析表明在进展过程中细胞周期相关基因明显上调。临床GBM常表现为血管高度增生，与此一致的是，作者发现GBM中与血管发生相关的基因表达上调。相反，突触传导、有机酸代谢相关的基因表达下调。
图4. IDH1突变型胶质瘤恶性进展中差异基因的表达
接下来，作者通过分析DNA甲基化数据研究IDH1突变型胶质瘤CIMP的改变。作者发现，进展过程中多种转录基因编码基因启动子区CpG岛高甲基化，其中包括HOX簇、FOX，PAX，NKX，SOX，TALE，TALX和TBX等转录因子家族，调控神经发生等多种生物学行为。对高甲基化区域进行富集，结果包括胚胎干细胞（hESCs）启动子区H3K27的三甲基化（H3K27me3）和PRC2的靶基因。进一步对ENCODE中hESCs H3K27me3 ChIP-seq数据进行分析，结果表明在进展过程中高甲基化基因启动子区H3K27me3信号增加，与EZH2、SUZ12 ChIP-seq结果一致。胶质瘤进展过程中，PRC2靶基因高甲基化，发育相关转录因子表达被抑制，使胶质瘤细胞处于自我更新的状态。胶质瘤进展过程中65%患者EZH2表达量升高。EZH2能够与DNA甲基转移酶作用，与靶基因的甲基化过程相关。
图5. IDH1突变型胶质瘤恶性进展过程中甲基化的改变
针对异常激活信号通路，作者试图寻找新治疗方法。有文献报道BET（Bromodomain and extra-terminal family）抑制剂能够抑制MYC的激活。作者通过原代培养的细胞系实验发现，IDH1突变细胞系对BET抑制剂更敏感（IC50<150nM）。
图6. IDH1突变型胶质瘤恶性进展中的原癌信号通路及BET抑制剂对IDH1突变型胶质瘤的作用
整合基因突变、拷贝数改变、基因表达和DNA甲基化数据，作者得出了驱动胶质瘤恶性进展的原癌信号通路。59%胶质瘤患者进展中出现MYC信号通路激活。MYC信号通路中MYC，FBXW7，MAX都与胶质瘤的恶性进展密切相关。同时，RTK-RAS-PI3K和Hippo信号通路在66%和71%患者中激活。而且，这些信号通路的改变普遍存在，与患者是否接受放化疗无关。值得注意的是，93%患者进展中发生MYC，RTK-RAS-PI3K，Hippo信号通路相关的基因的改变。FOXM1和E2F2基因网络在85%和73%的患者中高表达。65%患者EZH2表达上调，75%发育相关转录因子被高甲基化，致使胶质瘤细胞处于胚胎干细胞样状态。通过直接比较初诊和进展复发胶质瘤的遗传背景，作者揭示了IDH1突变胶质瘤恶性进展背后的驱动因素，并为提供了使用BET抑制剂治疗IDH1突变的胶质瘤的新思路。
天津医科大学总总医院浦佩玉述评：本文整合多种检测方法研究了具有IDH突变的低恶度胶质瘤进展为继发性GBM的基因组学变化，以期寻找其恶性进展的主要驱动因子。因病理资料来自成对的初发及复发胶质瘤，较为难得。结果发现其恶性进展与多种分子遗传学与表遗传学变化相关。尤其是MYC信号的激活，细胞周期进展相关基因的上调以及与细胞发育相关转录因子基因启动子区高甲基化，促使胶质瘤细胞处于快速增殖、自我更新及低度分化状态。这将对有助于的我们进一步了解低恶度胶质瘤恶性进展的分子机制。
作者简介：本文主要作者之一李捷，原为天津医科大学总医院神经外科副教授，后任职于Yale大学病理系，从事分子病理研究，现于天津谱天生物科技有限公司专攻肿瘤蛋白组学研究。
本文来源：胶质瘤通讯
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