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Nature 重磅!整合多组学揭示儿童髓母细胞瘤的发病机制

2020-04-21

髓母细胞瘤(medulloblastoma,MB)是儿童最常见的颅内恶性肿瘤, 其发生率占儿童颅内肿瘤25%。目前公认的髓母细胞瘤的分子亚型主要有4种类型:WNT型、SHH型、3型和4型。SHH型是MB最为常见的一种分子亚型,占小儿髓母细胞瘤的30%。该亚型形成的原因很多,研究人员从儿童患者的遗传易感性基因的角度进行的。

2020年4月1日, 来自欧洲分子生物学实验室Jan O. Korbel、St.Jude儿童研究医院Paul A. Northcott与海德堡霍普儿童癌症中心Stefan M. Pfister研究组合作在Nature期刊发表论文“Germline Elongator mutations in Sonic Hedgehog medulloblastoma”。研究通过基因组、转录组、DIA蛋白质基因组学等技术分析了MBSHH型遗传易感性。结果发现,在14%的MBSHH儿童患者中发现跨ELP1基因罕见的种系功能丧失变异,ELP1是最常见的髓母细胞瘤易感基因,可将具有MBSHH亚型的儿童患者的遗传易感性增加到40%。此外, 蛋白质组不稳定性的遗传易感性可能是导致罕见儿科脑癌发病机制决定性因素。该工作也为蛋白质稳态在其他癌症类型作用机制和潜在的治疗方案研究提供了数据支持。

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Nature     IF=43.07


研究路线

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研究速览

1. 大队列数据分析显示ELP1是新的MBSHH特异易感性基因

为了确定除已报道的癌症易感基因外的髓母细胞瘤遗传易感性,研究人员对来自CEFALO研究的713名儿童髓母细胞瘤患者、288名无患癌症的儿童,以及来自gnomAD项目(遗传资源数据库)的118479名无癌成年人进行研究。通过病例-对照分析,研究人员确认了此前研究报道的与髓母细胞瘤相关的易感基因。同时,还鉴定到儿童MBSHH型髓母细胞瘤与ELP1基因功能缺失突变存在显著相关性。MBSHH患者的种系ELP1 LOF变异是杂合的,分布在整个基因序列中,而这种情况在一般人群中非常罕见。

研究还发现,13%的MBSHH型髓母细胞瘤儿童患者中都出现ELP1变异,而其他分型,包括WNT型、3型或者4型髓母细胞瘤患者出现ELP1变异占比仅0.18%。后者的频率与无癌成人种系ELP1 LOF变异低负担一致,该结果也进一步表明ELP1是MBSHH特异的易感性基因。

进一步对两大系列的514名儿童癌症患者和2272名成人癌症患者的分析证实了种系ELP1 LOF变异与MBSHH密切相关。所有MBSHH型髓母细胞瘤儿童患者中出现种系ELP1 LOF变异占比为14.4%,这远远超出了已知的MBSHH易感基因中致病性种系变异的负担。总体而言,ELP1是一个新的癌症遗传易感性基因且与儿童MBSHH型髓母细胞瘤有关。

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图1. ELP1相关髓母细胞瘤

2. ELP1相关的MBSHH肿瘤的发生需要三个连续的突变步骤

研究人员进一步对髓母细胞瘤基因组和外显子分析发现,在所有ELP1相关MBSHH肿瘤中杂合性缺失影响ELP1野生型等位基因。体细胞拷贝数分析表明,所有ELP1相关MBSHH肿瘤表现出染色体臂上9q缺失,这是导致ELP1野生型等位基因失活的标志性事件。

由于种系ELP1 LOF变异携带者倾向于随着年龄的增长而发展为MBSHH,因此研究人员研究了ELP1相关的MBSHH肿瘤是否属于特定的MBSHH分子亚型。研究发现ELP1相关的MBSHH肿瘤可能属于特异的MBSHH分子亚型。基于DNA甲基化对MBSHH队列进行分类,一共分为四种分子亚型,包括SHHα, SHHβ, SHHγ and SHHδ。超过95%的ELP1相关的MBSHH型成神经管细胞瘤都属于SHHα亚型。该亚型此前报道与TP53突变和差的临床结果有关。研究发现,种系ELP1变异被定义为SHHα范围内的遗传亚型,并且与种系和体细胞TP53突变互斥。相比之下,ELP1相关的MBSHH肿瘤在PTCH1的体细胞改变中显著富集,而在MYCN和GLI2的扩增中显著缺失。

值得注意的是,ELP1相关的MBSHH肿瘤的一个子集包含了p53途径上聚合的体细胞改变,包括PPM1D和MDM4的扩增。在81%的ELP1相关的MBSHH肿瘤中发现PCH1体细胞改变,并且普遍存在于含有种系ELP1 LOF变异的保留染色体臂9q上。ELP1相关的MBSHH肿瘤进一步显示了染色体臂9q和9p的反复丢失和增加,这一模式与髓母细胞瘤发育过程中等臂染色体9p形成一致。

总体来说,体细胞突变事件的模式表明,ELP1相关的MBSHH肿瘤的发生需要三个连续的突变步骤:1)杂合子种系ELP1 LOF变异;2)ELP1的体细胞双等位基因失活,同时通过丢失染色体臂9q而导致PTCH1的单等位基因失活;3)双等位基因失活通过体细胞突变或局部缺失使剩余的PTCH1等位基因失活。

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图2. ELP1相关的髓母细胞瘤体细胞突变地图

3. 蛋白内稳态的破坏是ELP1相关的MBSHH肿瘤发病机制

ELP1是高度保守的Elongator复合体中六个亚基中最大的亚基。最近有研究表明Elongator复合物主要的功能是参与tRNA中摆动碱基位置尿苷的化学修饰过程,该化学修饰对于高效的翻译延伸过程非常关键。家族性自主神经异常是罕见的遗传障碍,主要影响自主神经系统,在很大程度上仅限于Ashkenazi犹太人群。这是由于非经典ELP1剪接位点变异,在99%的患者中打乱ELP1组织特异剪接位点,以及与在摆动位置减少的tRNA修饰有关。

在本研究中,所有MBSHH患者都是先前报道的ELP1剪接位点变异的野生型,该变异与家族性自主神经异常有关。为了评估与MBSHH中ELP1缺失相关的影响,研究人员检测了208例髓母细胞瘤患者的转录组,与其他亚型相比,MBSHH组中ELP1的mRNA表达显著降低,在MBSHH分子亚型中SHH的表达最低,与野生型ELP1 MBSHH肿瘤相比,突变型中ELP1转录本表达显著降低,这与突变的ELP1转录本的无义介导的衰变一致。突变型与野生型EPL1 MBSHH相比,有976个差异表达基因,包括RNA剪接、氨基酸激活和未折叠蛋白反应有关的基因集显著上调,这表明ELP1缺乏与蛋白质稳态缺失存在关联。与神经发生相关的基因集在ELP1相关的MBSHH中显著下调。

为了补充转录组的结果,研究人员进一步分析了15名MBSHH患者蛋白质组。与蛋白折叠、氨基酸激活以及ATF-6介导UPR相关的蛋白在ELP1相关MBSHH患者组中显著上调表达,该结果与转录组分析结果一致。整合多组学包括DNA、RNA和蛋白变化,进一步提示在这些MBSHH肿瘤中,种系ELP1 LOF变异是与翻译解除调控有关的主要的遗传因素。

在ELP1相关的MBSHH中,ELP1和催化Elongator亚基ELP3是下调表达最显著的蛋白,PTBP2是神经元分化所需的脑部特异RNA结合蛋白。对转录组和蛋白组的数据分析Elongator亚基的定量结果,结果显示,ELP1在RNA和蛋白水平都下调,而ELP2,ELP3以及ELP4仅在蛋白水平都下调表达,ELP1与 MBSHH相关。该结果与此前研究一致,其中一个亚基的丢失导致Elongator复合体解构。

为评估Elongator缺陷是否导致tRNA中ncm5U、mcm5U和mcm5s2U修饰合成受损。研究人员通过对突变型和野生型ELP1 MBSHH患者来源异种移植瘤(PDX)中提取tRNA进行分析, 结果发现ELP1缺陷与所有三种Elongator依赖tRNA修饰显著减少相关。而Elongator非依赖tRNA修饰不受影响。

进一步评估突变型和野生型ELP1 MBSHH肿瘤中差异表达的蛋白质,显示出明显的密码子使用偏向。在ELP1 MBSHH肿瘤中下调表达的蛋白质在翻译效率低的AA末端密码子中富集,而上调表达的蛋白在翻译效率高的赖氨酸、谷氨酰胺和谷氨酸的AG末端密码子中富集。对正常人组织的转录组分析显示,小脑是大脑发育过程中ELP1表达的主要部位。此外,在小脑发育过程中,ELP1在未分化的祖细胞群体中表达最高。

总之,上述研究表明,ELP1相关的MBSHH肿瘤的特征是Elongator复合物的失稳、Elongator依赖的tRNA修饰的丢失、密码子依赖的翻译重编程和UPR通路激活。

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图3. ELP1相关髓母细胞瘤分子特点

文章小结

该研究利用基因组、转录组、DIA蛋白质基因组学等技术分析了MBSHH型遗传易感性。14%的儿童MBSHH是由延长因子缺乏导致的翻译性失调所驱动的,并提示蛋白内稳态的破坏是MBSHH先前未知的致病机制。本文的发现进一步证实了MBSHH患者(目前占儿科患者的40%)中遗传易感性的高患病率,并进一步提倡对受影响的患者和家庭实施遗传检测和监测计划。从广义上讲,作者提供了一个强大的理论基础,可以将遗传研究扩展到已知的癌症易感基因之外,并鼓励继续研究翻译失调在癌症中的作用及以其作为治疗靶点进行指导干预的潜在可能性。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2164-5



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