8月7日，中國科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所組學(xué)與智慧醫(yī)療中心聯(lián)合瑞典烏普薩拉大學(xué)、華大生命科學(xué)研究院、華大基因智惠醫(yī)學(xué)研究院在《自然》（Nature）上，發(fā)表了題為Prognostic genome and transcriptome signatures in colorectal cancers的研究論文。研究公布了全球首個大規(guī)模結(jié)直腸癌多組學(xué)的研究結(jié)果，并結(jié)合臨床信息系統(tǒng)總結(jié)了與臨床結(jié)果和疾病進(jìn)展密切相關(guān)的分子特征。

全球范圍內(nèi)結(jié)直腸癌每年新增病例約190萬例，發(fā)病率居所有癌癥第三位，大約20%的患者在確診時已發(fā)生轉(zhuǎn)移，其死亡率更是高居各類癌癥第二位，是嚴(yán)重威脅人類生命健康的重大疾病之一。

為了加深對結(jié)直腸癌發(fā)病機(jī)制的理解，識別驅(qū)動事件并確定其預(yù)后特征，科研團(tuán)隊針對瑞典U-CAN隊列中結(jié)直腸癌樣本進(jìn)行了測序分析。基于華大智造DNBSEQ測序平臺，研究團(tuán)隊對1063名結(jié)直腸癌患者的樣本進(jìn)行了全基因組和轉(zhuǎn)錄組測序，包括782例結(jié)腸癌和281例直腸癌，21%（223例）是微衛(wèi)星不穩(wěn)定（MSI）腫瘤，總共生成近412T數(shù)據(jù)，其中94%的病人有完整的5年臨床隨訪記錄，形成目前全球最大的結(jié)直腸癌多組學(xué)研究。此研究系統(tǒng)繪制了與結(jié)直腸癌相關(guān)的基因組變異事件全景，聯(lián)合基因表達(dá)分型揭示了與預(yù)后密切相關(guān)的分子特征。

根據(jù)全基因組的腫瘤突變負(fù)荷高低，患者被分為超突變型（23%，HM）和非超突變型（77%，nHM）。由于MSI腫瘤通常因為DNA錯配修復(fù)基因缺陷而表現(xiàn)出超突變特征，此隊列中超90%的HM腫瘤為MSI。具有HM特征的微衛(wèi)星穩(wěn)定（MSS）腫瘤則攜帶POLE或其他DNA修復(fù)通路相關(guān)基因突變。APC,?TP53和KRAS等驅(qū)動基因在MSS腫瘤突變頻率更高，而PIK3CA及BRAF等的突變則在MSI腫瘤中更為富集?；谠撽犃械幕蚪M突變共鑒定到96個顯著突變基因，其中24個為潛在的新驅(qū)動基因，其中WNT,?EGFR和TGF-β通路相關(guān)的驅(qū)動基因與結(jié)直腸癌生存顯著相關(guān)。

研究團(tuán)隊從突變特征譜分析鑒定出47個已知的和9個新發(fā)現(xiàn)的結(jié)直腸癌突變特征（SBS-CRC1、SBS-CRC2、DBS-CRC1、DBS-CRC2、DBS-CRC3、DBS-CRC4、DBS-CRC5、ID-CRC1、ID-CRC2），其中SBS28和DBS-CRC5與POLE突變的MSS腫瘤顯著相關(guān)，SBS-CRC1、DBS-CRC3和ID-CRC1是DNA錯配修復(fù)通路缺失的突變特征，而SBS44陽性的HM樣本具有更長的生存期。新的突變特征將有可能成為結(jié)直腸癌早期診斷和預(yù)后評估的生物標(biāo)志物，為結(jié)直腸癌的預(yù)防和治療提供新的思路。

通過時序分析研究團(tuán)隊推導(dǎo)出9個與癌癥發(fā)生早期事件相關(guān)的驅(qū)動突變基因（APC、TP53、KRAS、BRAF、ZFP36L2、TCF7L2、FBXW7、BCL9L和SOX9），而TRPS1、GNAS和CEP170這3個基因的突變則傾向于在癌癥發(fā)生的后期階段出現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)為結(jié)直腸癌的早期檢測和靶向治療的開發(fā)提供了臨床研究策略，并揭示了與腫瘤后期侵襲和轉(zhuǎn)移相關(guān)的重要分子變化。此外，利用高深度全基因組測序的優(yōu)勢，本研究在線粒體基因組和非編碼區(qū)域中也發(fā)現(xiàn)了與疾病相關(guān)的突變，并對與疾病進(jìn)展顯著相關(guān)的突變進(jìn)行了系統(tǒng)性的總結(jié)，這些突破性的發(fā)現(xiàn)將進(jìn)一步推動對結(jié)直腸癌發(fā)病機(jī)制的理解。

研究團(tuán)隊利用同一腫瘤樣本的基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)對突變基因和基因表達(dá)水平進(jìn)行了整合分析，驗證了RTK-RAS、PI3K、P53和TGF-β通路相關(guān)基因EGFR、KRAS、PIK3CA、CDKN2A、TGFBR1和ACVR2A的突變與基因表達(dá)增加有關(guān)，而無論是否為MSI腫瘤，其抑癌基因APC、PTEN和TP53上的突變均導(dǎo)致基因表達(dá)降低。

研究團(tuán)隊進(jìn)一步基于腫瘤基因表達(dá)差異譜解析出5個具有不同分子特征的預(yù)后亞型（CRPS），相較于結(jié)直腸癌經(jīng)典的共識分子分型CMS（CMS），利用獨立隊列轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)構(gòu)建的CRPS能更加準(zhǔn)確地預(yù)測預(yù)后，并在不同結(jié)直腸癌隊列中得到驗證。值得注意的是，在經(jīng)典的CMS分型中，CMS4間質(zhì)型腫瘤具有基質(zhì)細(xì)胞浸潤較高、TGF-β通路激活等特征，且被普遍認(rèn)為是預(yù)后較差的腫瘤，但在該研究新構(gòu)建的CRPS分型系統(tǒng)中，部分CMS4型腫瘤實際上被判定為預(yù)后較好的CRPS2型，而CRPS2型腫瘤具有上皮細(xì)胞特征，且在基因組20q11區(qū)域具有較多的擴(kuò)增，這些結(jié)果提示整合基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分子分型，能得到更精細(xì)準(zhǔn)確的患者預(yù)后分層，對優(yōu)化臨床腫瘤分型，指導(dǎo)結(jié)直腸癌精準(zhǔn)治療具有重要意義。

研究團(tuán)隊基于深度學(xué)習(xí)算法ResNet50開發(fā)的CRPS分型工具已在Github開源，為結(jié)直腸癌后續(xù)的研究和治療提供更加精準(zhǔn)的分子分型，為預(yù)后評估和深入理解疾病機(jī)制提供了重要信息和方法。

論文鏈接

圖1.?結(jié)直腸癌驅(qū)動基因的全景描繪

圖2.?新發(fā)現(xiàn)的結(jié)直腸癌突變特征

圖3.?基于驅(qū)動基因及結(jié)構(gòu)變異的時序分析

圖4.?結(jié)直腸癌相關(guān)通路中的基因突變和基因表達(dá)水平的綜合分析

圖5.?CRPS分型系統(tǒng)中各個亞型的分子特征及預(yù)后表現(xiàn)

圖6.?基于深度學(xué)習(xí)的CRPS分型工具