Genome Med一文带你学会胚系突变与泛癌预后思路

The pan-cancer landscape of prognostic germline variants in 10,582 patients10582例泛癌预后胚系突变分析

一. 研究背景

大规模的测序项目可增加人们对癌症的理解，并增强临床决策。除了被广泛研究的体细胞突变，胚系突变也具有重要的临床用途，可能影响疾病进程。作者基于此，假设胚系突变可影响患者的预后，并以大量原始数据为基础进行研究。

二. 分析流程

三. 结果解读

作者利用TCGA数据库，对33种不同类型癌症进行测序，筛选出细胞系，并结合临床数据，进行了6种分析。

1. 预后胚系突变的鉴定

  前3项分析确定了与预后相关的胚系突变。

图1. 分析1-3中确定的预后胚系突变

A图：对分析1-3的描述。

B图：分析1，预测某种癌种预后的胚系突变。

• 每个点代表一个胚系突变，越靠近外侧与患者预后关系更为密切。

• 红：显著相关。

• 黑/灰：突变的交替染色体。

C图：分析2，预测多种癌症预后的胚系突变。

D图：将患者按器官系统、组织学、分子进行分组。

E图：分析3，预测分组预后的胚系突变。

分析1：测试了519139个突变与某种癌种患者预后的关系，确定了70个独特的预后突变。作者在图2中展示了部分预后胚系突变的Kaplan-Meier图。

分析2：发现了数百个突变可以预测4种及以上癌症的预后，但仅有5个突变可以预测7种及以上的癌症预后。

分析3：作者通过将相似的癌症类型分组，增加可以纳入研究的具有次要等位基因的患者数量，确定了103个预后突变。

图2. 分析1中部分预后胚系突变的K-M图

2. 导致氨基酸变化的预后胚系突变

第4-6项分析重复了前三项分析，只不过分析对象为能显著引起氨基酸变化(CADD>25)的有害突变。

注：CADD(Combined Annotation Dependent Depletion)，一种用于评估人类基因组中单核苷酸变体以及插入/缺失变体的有害性的工具。

图3. 分析4-6中确定的预后胚系突变

A图：对分析4-6的描述。

B图：分析4，预测CADD>25的某种癌种预后的胚系突变。

C图：分析5，预测多种癌症预后的胚系突变。

D图：分析6，预测分组预后的胚系突变。

分析4：测试了981个突变，确定了9个独特的预后突变。

分析5：发现了16个突变可以预测4种及以上癌症的预后，其中仅有一个可预测5种癌症的预后。

分析6：与分析3类似，利用图1D中的分组进行分析，确定了3个额外的预后突变。

3. 预后胚系突变的泛癌景观

作者将分析1和3中确定的大量预后突变与全基因组相关研究(GWAS)所确定的突变特征进行比较，而通过GWAS鉴定的突变有三个特点：

1. 次要等位基因往往与不良的风险增加相关。

2. 效应大小与等位基因频率呈负相关。

3. 大部分不会引起氨基酸变化。

图4(A-D). 预后胚系突变的特点

A图：分析1鉴定的预后胚系突变的散点图。

B图：分析3鉴定的预后胚系突变的散点图。

C图：分析1中胚系突变的基因组位置。

D图：分析3中胚系突变的基因组位置。

在分析1所预测的胚系突变中，与风险增加相关的等位基因通常是次要等位基因(图4A)。尽管这一结论在分析3中并不显著，但在较大样本量和较小效应量下也可检测(图4B)，因此满足特点1。

Spearman相关性分析显示，分析1(rho=-0.282，p=0.0184)和分析3(rho=-0.667，p<2.2E-16)的效应大小与等位基因频率呈负相关(rho<0)，满足特点2。

结果显示绝大多数预测性突变不会引起氨基酸的变化(图4C、D)，满足特点3。

4. 胚系突变显著改善预后预测模型

图4(E,F). 预后胚系突变对患者预后模型的改善

E图：根据临床模型(C)和临床+胚系突变模型(C+GV)创建ROC曲线的示例

作者通过临床模型创建了ROC曲线(蓝)，随后在此基础上加入预测变量rs3003628再次创建了一条ROC曲线(红)，不难看出加入预测变量后AUC(曲线下面积)有显著增加，即改善了预测模型。

F图：ΔAUC的平均和标准误差图

70个受试者中，有63个预测模型加入胚系突变这一变量后有了显著改善。

5. 通过文献进行总结

作者总结了与预后胚系突变相关的基因以及发挥作用的机制的文献综述。

图5. 与预后胚系突变相关基因以及机制的文献综述

A图：与预后胚系突变相关的基因的癌症相关功能。

193个基因中，有90个基因与某个预后胚系突变接近，且影响9个癌症特征。

B图：按文献报道将基因进行分类。

约有50%的预测性突变与抑癌或致癌相关。

C图：突变的研究进展的比例。

仍有三分之一的基因未在人类疾病背景下研究。

D图：与预后相关的胚系突变基因中有4个是癌症驱动基因。

MSH6、POLQ、ARID5B和IDH2是被报道过的癌症驱动基因。

E图：可引起氨基酸变化的部分胚系突变。

分析4-6中的12个胚系突变引起显著氨基酸变化，许多变化发生在具有注释或已知功能的蛋白质编码区。

F图：可作为顺式表达数量性状基因座的胚系突变。

有39个变异可作为eQTLs。作者强调了5个突变，其近亲基因表达水平也可预测生存率，其中有3个可作为顺势eQTLs。

G图：与其他疾病相关的预后胚系突变。

6. 某种癌种预后突变特征

作者介绍了3个胚系突变，以说明胚系突变如何与患者预后相关。

图6. 与预后相关的例子

A图：GSEA显示与凋亡裂解相关基因上调。

B图：GSEA显示与凋亡执行阶段相关基因上调。

C图：GSEA显示与细胞周期进展相关的E2F靶点下调。

D图：生存曲线显示该突变与预后不良相关。

E图：BIRC5表达情况的箱线图。

F图：生存曲线显示BIRC5表达升高与预后不良相关。

rs1800932：发生于MSH6基因，是许多组织中MSH6表达增加的eQTL，可通过增加肿瘤细胞对替莫唑胺(用于治疗脑胶质瘤的DNA烷基化剂)的敏感性，与良好预后相关。

rs55796947：发生于MAP2K3基因，在MAP2K3中引入一个截断激酶结构域的终止密码子，GSEA也显示该变异上调了与细胞凋亡相关基因(图6A、B)，同时下调了细胞周期进展相关的E2F靶点(图6C)，与良好预后相关。

rs77903511：发生于BIRC5基因，BIRC5的表达可以抑制细胞凋亡，与患者的预后不良相关(图6F)，而该胚系突变可以导致BIRC5的过表达(图6E)，与预后不良相关(图6D)。

以往在临床上对基因组信息的研究主要集中在体细胞突变上，而本文打破了常规的思路，利用TCGA数据库的大量原始数据，对33种不同癌症的测序数据进行了系统的分析，以检验胚系突变是否也可应用于临床，最后发现其可改善对患者预后的预测。而结合以往的文献，仍有许多胚系突变值得进一步的研究，这对于以后的研究方向有了巨大的贡献。