看似相同的腫瘤患者對(duì)治療的反應(yīng)可能會(huì)有很大的不同。眾所周知，體細(xì)胞突變對(duì)藥物療效有很大影響，但是胚系突變對(duì)藥物敏感性影響則少有研究。本研究首次系統(tǒng)闡述了先天的胚系突變與藥物敏感性的關(guān)系。研究人員使用胚系突變和體細(xì)胞突變進(jìn)行聯(lián)合分析，用之前篩選來自993個(gè)細(xì)胞株和265種藥物敏感性的數(shù)據(jù)。研究人員驚訝發(fā)現(xiàn)，胚系突變對(duì)藥物敏感性變化的影響可能與體細(xì)胞突變引起的影響一樣大或更大。有些甚至有直接關(guān)系。研究人員最后以最為顯著的17-AAG應(yīng)答作為例子，展示了胚系信息與轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)的結(jié)合可以用來改善病人分層 、確定新的藥物敏感性標(biāo)記物 。
研究背景
癌癥中個(gè)性化治療的核心前提是根據(jù)腫瘤的分子特征來預(yù)測(cè)藥物反應(yīng)，從而為治療決策提供信息?，F(xiàn)在許多項(xiàng)目比如CTD（癌癥靶向研究）、CCLE（癌癥細(xì)胞系百科全書）等研究篩選了數(shù)百種來自多種癌癥類型的細(xì)胞系，評(píng)估它們對(duì)不同化合物的敏感性（主要是靶向治療）。通過將細(xì)胞系的分子特征與藥物敏感性表型的相關(guān)聯(lián)，來鑒定遺傳和非遺傳的生物標(biāo)志物。
雖然越來越深入的分子特征分析有助于改善藥物敏感性的預(yù)測(cè)，但遺傳標(biāo)記仍然是個(gè)性化治療的核心。這是因?yàn)榘┌Y亞型的特征在于腫瘤的突變譜，但也因?yàn)檫z傳變異數(shù)據(jù)在臨床實(shí)踐中最容易獲得。以前的體外篩選分析主要集中在體細(xì)胞變異，相比之下，遺傳的胚系變異與藥物敏感性的相關(guān)性仍然很大程度上未知，同時(shí)某些研究發(fā)現(xiàn)胚系變異和體細(xì)胞突變都可解釋藥物敏感性的變化。本文中，研究人員發(fā)現(xiàn)，泛癌設(shè)計(jì)中兩種變異的整合可以提供新的治療方法，通過（i）改善藥物敏感性預(yù)測(cè)（圖 1a）和（ii）提供額外的藥物效用胚系生物標(biāo)記（圖 1b）。這兩種遺傳信息在臨床上可通過相同的測(cè)序?qū)嶒?yàn)同時(shí)獲得，而且胚系遺傳背景在患者的細(xì)胞中是穩(wěn)定的。
圖1
研究成果
1. 鑒定癌細(xì)胞系中的胚系變異
研究人員選取了GDSC篩選的最新數(shù)據(jù)，包括993種細(xì)胞系（來自30種癌癥類型）的體細(xì)胞變異數(shù)據(jù)和265種藥物化合物的藥物敏感譜。研究人員重新分析了原始芯片數(shù)據(jù)以獲取胚系變異。在此基礎(chǔ)上，研究人員采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)推算（imputation），并且評(píng)估了局部連鎖不平衡，從而大大擴(kuò)展了可能的胚系變異數(shù)據(jù)。
2. 預(yù)測(cè)胚系和體細(xì)胞變異的藥物反應(yīng)
研究人員分別使用體細(xì)胞突變，體細(xì)胞突變和胚系變異的組合來訓(xùn)練藥物敏感性的多元線性回歸模型（圖 1a）。綠色部分代表聯(lián)合模型較體細(xì)胞突變模型增加的藥敏性關(guān)聯(lián)。從圖中可發(fā)現(xiàn)對(duì)于12種藥物，與僅基于體細(xì)胞變異的模型相比，考慮胚系變異的模型顯著改善了預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。同時(shí)研究人員觀察到該模型在所有藥物中平均選擇了44個(gè)胚系變異作為特征，這表明胚系對(duì)藥敏性的響應(yīng)是多基因的。在最引人注目的例子（17-AAG）中，兩種變異的聯(lián)合模型解釋了5.1％的表型變異（r = 0.28），而只基于體細(xì)胞突變的模型預(yù)測(cè)僅達(dá)到隨機(jī)水平（圖 1a）。
為了比較胚系變異和其它分子數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)能力，研究人員還使用來自相同細(xì)胞系的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)聯(lián)合體細(xì)胞突變數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型。發(fā)現(xiàn)胚系變異對(duì)其中55種藥物來說，比基因表達(dá)水平更具預(yù)測(cè)性。此外，基于DNA的生物標(biāo)志物在臨床中比基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)更容易得到。這說明了胚系變異數(shù)據(jù)的適用性。
3. 藥物應(yīng)答的數(shù)量性狀基因座
研究人員使用數(shù)量性狀基因座（QTL）作圖來檢測(cè)與265種藥物中每種藥物反應(yīng)的遺傳關(guān)聯(lián)點(diǎn)，同時(shí)使用了胚系變異或體細(xì)胞突變。發(fā)現(xiàn)78種藥物具有至少一種顯著的藥物反應(yīng)QTL，其中9種是胚系變異（圖2a）。雖然全局來看，體細(xì)胞QTL比胚系QTL具有更大的效應(yīng)大?。?.125、0.049，圖 2b），但兩種QTL類型在變異頻率分層時(shí)表現(xiàn)出差不多的效應(yīng)大小。
在達(dá)到顯著性的9個(gè)胚系QTL的集合中，除了17-AAG 18的應(yīng)答QTL之外，其他尚未被報(bào)道過。為了評(píng)估這些關(guān)聯(lián)的有效性，研究人員分別篩選了CCLE和CTD 2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行重分析，發(fā)現(xiàn)這些都可被復(fù)制（P<>中的腫瘤抑制因子，并且它與黑色素瘤中轉(zhuǎn)移和細(xì)胞增殖活動(dòng)的減少有關(guān)。
圖2
4. 17-AAG應(yīng)答的胚系QTL的分子機(jī)制
17-AAG是觀察到的最顯著的胚系QTL應(yīng)答藥物，也是第一個(gè)達(dá)到臨床試驗(yàn)步驟的HSP90抑制劑。雖然多個(gè)變異與17-AAG反應(yīng)顯著相關(guān)（圖 3a），但先前的證據(jù)表明rs1800566是該關(guān)聯(lián)的因果變異，這是人群中的常見變異（等位基因頻率~30％，圖 3f）。此變異先前已被確定為酶活性喪失，多個(gè)研究證明其作用于 NQO1的表達(dá)。
研究人員使用來自相同細(xì)胞系的基因表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)NQO1表達(dá)水平和胚系變異rs1800566之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)，在任一CC或CT胚系背景的高表達(dá)水平都導(dǎo)致藥物功效的增加（圖 3b）。值得注意的是，這些因素沒有關(guān)聯(lián)，即并沒有發(fā)現(xiàn)rs1800566影響NQO1表達(dá)水平的實(shí)際證據(jù)。相反，NQO1表達(dá)水平與細(xì)胞系起源組織強(qiáng)烈相關(guān)（圖 3c）?？傊?，研究人員提出了一種機(jī)制，即NQO1的表達(dá)水平是17-AAG藥物反應(yīng)的主要決定因素，受胚系背景調(diào)節(jié)。
最后，研究人員探討了如何改善患者分層。通過比較17-AAG與最近的HSP90抑制劑AUY922的藥物敏感性（后者通過獨(dú)立于NQO1的機(jī)制起作用），發(fā)現(xiàn)在TT胚系背景中，AUY922比17-AAG更有效，數(shù)據(jù)表明，如果NQO1高度表達(dá)，17-AAG在CC或CT胚系背景中與AUY922一樣有效（圖 3d）。值得注意的是，與匹配的對(duì)照組織相比，NQO1在癌細(xì)胞中經(jīng)常過表達(dá)，這有可能被利用來指導(dǎo)NQO1靶向治療。這些結(jié)果表明對(duì)胚系背景的計(jì)算對(duì)治療成功至關(guān)重要。
圖3
文章總結(jié)
本研究系統(tǒng)闡述了胚系遺傳變異對(duì)癌細(xì)胞系藥物反應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)體細(xì)胞突變和胚系變異的聯(lián)合建?？梢燥@著改善個(gè)性化藥物功效的預(yù)測(cè)。通過比較胚系變異與基因表達(dá)譜的預(yù)測(cè)值，發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)譜對(duì)藥物反應(yīng)的一些預(yù)測(cè)可以通過潛在的胚系效應(yīng)來解釋。
除了對(duì)藥物敏感性的預(yù)測(cè)之外，本研究還確定了個(gè)體胚系變異與藥物應(yīng)答之間的關(guān)聯(lián)，再現(xiàn)了先前已知的變異應(yīng)答并鑒定了新的關(guān)聯(lián)。盡管結(jié)果與大量已知的藥物應(yīng)答體內(nèi)標(biāo)志物一致，但仍存在無法重現(xiàn)的情況。這些差異有許多可能的解釋，如體外模型的統(tǒng)計(jì)功效和局限性。值得注意的是，本研究基于泛癌分析，因此有可能遺漏組織特異性信號(hào)。更進(jìn)一步的分析應(yīng)為系統(tǒng)性組織特異性分析，但這也需要更大的樣本量。
除了再現(xiàn)已知的關(guān)聯(lián)外，本研究鑒定了9個(gè)重要的胚系QTL，其中大部分尚未報(bào)道過（圖4）。該表可能提高對(duì)藥物作用的理解。盡管使用獨(dú)立的篩選數(shù)據(jù)成功再現(xiàn)了幾種胚系突變和藥物應(yīng)答的關(guān)聯(lián)，但由于胚系和體細(xì)胞變異只能在計(jì)算上區(qū)分，結(jié)果仍存在局限性。因此，確定的關(guān)聯(lián)仍需要額外的體外和體內(nèi)驗(yàn)證。
最后，本研究詳述了17-AAG應(yīng)答的胚系QTL，鑒定了胚系變異和影響17-AAG藥敏性的NQO1表達(dá)之間的相互作用，并研究了組織特異性效應(yīng)?？梢灶A(yù)計(jì)系統(tǒng)地確定相互作用和組織特異性關(guān)聯(lián)將為藥物敏感性的個(gè)性化模型開辟新的方向。如今進(jìn)行的使用原發(fā)性腫瘤的研究，特別是國際癌癥基因組聯(lián)盟（ICGC）和癌癥基因組圖譜（TCGA），開始提供所需的訓(xùn)練數(shù)據(jù)規(guī)模?？梢灶A(yù)見，交互分析將成為充分利用這些數(shù)據(jù)集的強(qiáng)大工具。
圖4
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