今天跟大家分享的是2020年发表在NATURE COMMUNICATIONS （IF：12.121）杂志上的一篇文章"Divergent mutational processes distinguish hypoxic and normoxic tumours".在文章中作者采用缺氧评分，构建了肿瘤缺氧的泛癌景观，并分析了缺氧与癌基因的相关性，以及分析了缺氧相关的突变和亚克隆特征。
Divergent mutational processes distinguish hypoxic and normoxic tumours
不同的突变过程区分低氧和常氧肿瘤
（推文作者：科研菌 虾饺皇）
一、研究背景
约有一半的实体瘤中氧含量低（缺氧），缺氧的区域可能由氧气供应中断引起，也可能是由需氧量的变化引起的。肿瘤细胞适应这种供氧不平衡的状况，且此前研究发现在几种癌症中缺氧与临床预后不良有关，这很大可能是缺氧相关的基因组不稳定和克隆选择导致的。缺氧条件下TP53的突变发生频率更高，且参与同源重组和非同源末端连接的蛋白质大量减少，有效错配修复的核心基因也被下调。肿瘤缺氧和基因组的不稳定性、特定的细胞形态或特定的突变的共存可以协同预测某些类型的肿瘤在明确的局部治疗后会迅速复发。缺氧与DNA修复缺陷之间的关系，预示肿瘤微环境施加选择性压力，形成特定基因谱。
二、分析流程
三、结果解读
1.肿瘤缺氧的泛癌景观
作者通过PCAWG联盟收集了来自27种癌症类型的1188个肿瘤样本的队列（所有样本有匹配的正常组织的WGS和肿瘤的RNA测序数据），并采用线性混合效应模型将低氧与其他因素相关联进行进一步研究。
作者首先通过Buffa、Winter和Ragnum开发的三个基于mRNA的缺氧信号对1188个肿瘤的肿瘤缺氧评分，并发现肺鳞癌（lung-SCC）、宫颈鳞状细胞癌（Servix-SCC）、头鳞癌（Head-SCC）缺氧程度最高，而慢性淋巴细胞性白血病（Lymph-CLL）和甲状腺腺癌（Thy-AdenoCA）缺氧程度低，与此前的研究结果是一致的；同时作者进一步分析肿瘤和配对的正常组织的缺氧程度，发现有23种肿瘤缺氧程度比正常的高且缺氧评分大于0。作者进一步评价同种肿瘤内的缺氧程度的异质性，发现有42%的肿瘤的缺氧评分有异质性，其中胆腺腺癌、成熟B细胞淋巴瘤、肺腺癌和乳腺腺癌的异质性最大，而慢性淋巴细胞性白血病和前列腺腺癌缺氧评分异质性较低（图1a）。作者还比较了TCGA数据集和PCAWG数据集的缺氧评分，发现同种肿瘤在两个数据集之间缺氧程度类似（图1b）。因此，在同种癌症之内和不同种癌症之间的缺氧程度存在广泛的异质性。
图1. 肿瘤缺氧的泛癌景观
2.肿瘤缺氧的基因组相关性
为了进一步探究缺氧和不同突变造成的基因组不稳定性是否相关，作者构建了不同种突变类型（拷贝数变异CNA、结构变异SV和单核苷酸变异SNV）的突变密度和缺氧的线性混合效应模型，以拷贝数畸变改变的基因组百分比（PGA）代表基因组的不稳定性作为阳性对照组，发现碱基对的缺失是与缺氧的相关性最高，SV类中重复和截短也和缺氧程度高相关，此外拷贝数减少和SNV / Mbp增加也与缺氧程度高相关。为了进一步确定SNV / Mbp为单独影响因素，作者构建了缺少SNV / Mbp因素的模型并使用ANOVA比较了两个模型，确定SNV / Mbp与缺氧相关（图2a）。因此缺氧与大多数类型的体细胞突变数量增加有关。
作者选用包含1096名患者的CNA、SV和SNV数据队列进一步探究缺氧是对染色体或基因是全面作用还是选择性作用，作者先定义了在同一基因中有多个突变为复合事件，并采用线性混合效应模型将缺氧与驱动基因相关联，发现有10个驱动事件与癌症低氧相关，其中无BCL2突变的肿瘤缺氧程度高，且所有BCL2的改变都是SV，而TP53、PTEN突变与缺氧程度高相关。因此，低氧程度与致癌基因和抑癌基因突变存在相关性。
图2. 肿瘤缺氧的基因组相关性
3.缺氧相关的突变特征
作者进一步构建缺氧评分和不同比例突变的模型，发现在65个点突变（SBS）特征中，有9个SBS在低氧性肿瘤中表现出与非低氧性肿瘤不同的活性：在缺氧程度高的肿瘤中，有6个SBS活性更高，3个SBS活性更低。此前有研究缺氧会导致DNA修复受损，因此作者认为缺氧程度高的肿瘤中高比例的突变可能是由于SBS3（与缺陷的同源重组修复有关）导致的；随缺氧程度升高，较高比例的突变是由于SBS6和SBS21（DNA错配修复有关）造成的；随缺氧程度升高，较低比例的突变是由于SBS1（与5-甲基胞嘧啶脱氨有关）造成的；此外，还有未知的SBS信号相关也与缺氧相关，如SBS5、SBS12、SBS17a和SBS17b。（图3a）
同时，在插入和删除（ID）中也有类似现象，在分析的17个ID中，有5个活性与肿瘤低氧评分相关，3个在缺氧升高的肿瘤中活性更高，而2个在缺氧性肿瘤中活性更低。随着缺氧评分的增加，较高比例的突变是由于ID6（缺陷的同源重组标记）和ID2（缺陷的DNA错配修复标记）造成的。
图3. 肿瘤缺氧的基因组相关性
4.肿瘤缺氧的亚克隆特征
此前研究表明，一些突变出现在尿毒症早期，其他突变则发生在尿毒症晚期，并且低氧与局限性前列腺癌中早期的CNA相关。为了探讨肿瘤微环境与突变环境之间的这种相互作用是否在癌症中更广泛地存在，作者进一步评估了缺氧是否与27种癌症类型的1188个肿瘤中克隆或亚克隆突变的数量有关，其中克隆突变是肿瘤中所有细胞共有的，而亚克隆突变仅存在于某些细胞亚群中。通过构建缺氧评分和克隆与亚克隆的线性混合效应模型后发现，缺氧程度升高与克隆突变数量的增加显著相关，特别是克隆SV。而肿瘤低氧与亚克隆突变数量不显著相关。这些数据表明，在亚克隆多样化之前，缺氧对肿瘤的早期发展施加了选择性压力。
作者又进一步评估肿瘤的突变背景及其氧化水平是否与其进化轨迹有关。此前作者先前证明患有缺氧性多克隆前列腺肿瘤且肿瘤抑制因子PTEN缺失的患者往往预后较差。作者进一步在泛癌水平探究肿瘤缺氧与PTEN缺失之间的关系，发现缺氧与PTEN突变存在显著的相互作用，具有这两种特征的肿瘤倾向于具有多克隆结构（图4b）；RNA数据发现PTEN突变和缺氧程度高的肿瘤中PTEN的mRNA的丰度最低，进一步确认基因组与肿瘤微环境之间这种相互作用的下游影响（图4c）。因此，在特定的微环境环境中，突变的存在可能会驱动肿瘤的进化轨迹（图4d）。
图4. 肿瘤缺氧的亚克隆特征
许多原发性肿瘤的分子氧水平较低，低氧性肿瘤对治疗的反应较差。在这项研究中，作者对涵盖27种癌症类型的1188例肿瘤中的缺氧情况进行了量化。缺氧程度高与各种癌症类型的突变负荷增加有关，而与潜在的突变类别无关。有几个病因不明的突变特征与低氧水平相关，导致了不同的比例突变的发生，说明某些潜在的突变是由于这些突变特征导致的。在基因水平上，TP53、MYC和PTEN中的驱动程序突变富集于缺氧肿瘤中，而PTEN突变与缺氧相互作用以诱导肿瘤进化轨迹。因此，缺氧在塑造癌症的基因组和进化景观方面起着至关重要的作用。
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