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【題目】Mechanism of ERBB2 gene overexpression by the formation of super-enhancer with genomic structural abnormalities in lung adenocarcinoma without clinically actionable genetic alterations

【期刊】Molecular Cancer

【見刊時間】2024年6月11日

【IF】27.7

【單位/通訊作者】日本國立癌癥中心研究所癌癥轉化研究組Syuzo Kaneko、Ryuji Hamamoto團隊

【關鍵詞】驅動突變；肺腺癌；超級增強子；結構變異；靶向治療

2024年6月11日，日本國立癌癥中心研究所癌癥轉化研究組Syuzo Kaneko、Ryuji Hamamoto團隊在《Molecular Cancer》上發(fā)表題為“Mechanism of ERBB2 gene overexpression by the formation of super-enhancer with genomic structural abnormalities in lung adenocarcinoma without clinically actionable genetic alterations”的研究論文。這項研究通過WGS和ChIP-seq對174例缺乏臨床可操作性的基因突變的肺腺癌（lung adenocarcinoma，LUAD）患者樣本進行全面研究，發(fā)現(xiàn)ERBB2基因區(qū)域形成的超級增強子（SE）與基因異常表達相關，并通過Hi-C和long-reads seq進一步證實結構變異（SV）將ERBB2基因區(qū)域帶至HNF1β基因座附近，從而導致ERBB2表達異常升高。這項研究發(fā)現(xiàn)SV異常不僅與驅動基因突變無關，且與術后復發(fā)風險升高相關，為肺腺癌精準醫(yī)療提供新的視角。

01. 驅動基因突變的鑒定由利用結構變異形成的SE驅動基因

?該研究為了克服LUAD患者中應用靶向治療的挑戰(zhàn)，拓展精準醫(yī)療范圍，從來自WES和RNA-seq數(shù)據(jù)集的938例患者中選擇了LUAD病例進行分類與分析，結果發(fā)現(xiàn)476例患者中存在驅動基因突變（占總隊列的50.7%）。另外，從非CAGA（臨床可操作性基因突變）的420例中選擇了174例進行了WGS和H3K27ac ChIP-seq分析，結果顯示非CAGA患者突變頻率更高。

為闡明正常組織與腫瘤組織之間的不用特征，對7個非CAGA樣本進行H3K27Ac ChIP-seq，并進行對照比較。PCA分析結果表明非CAGA患者的腫瘤樣本表現(xiàn)出多樣性特征。

接著通過WGS和H3K27Ac ChIP-seq分析，結果發(fā)現(xiàn)SE和SV在非CAGA患者中的重疊區(qū)域頻率更高。此外，通過Manta分析和ROSE分析，結果發(fā)現(xiàn)整個數(shù)據(jù)集中位點數(shù)量雖然龐大，但只有約1%的位點顯示出重疊區(qū)域，表明SV在特定區(qū)域中作為SE形成的直接觸發(fā)因素。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了SE在非CAGA LUAD患者中的潛在作用，助力非典型驅動基因的鑒定。

?圖1. A）SEs與結構變異兩組重疊的基因組位點；B）CAGA和非CAGA LUAD患者中每個樣本結構變異事件的log2比較（左），SE-SV重疊的比較（右）

圖2. 在非CAGA LUAD樣本中標記為SE區(qū)域并發(fā)SV的基因簇的KEGG富集分析氣泡圖

圖3. 從非CAGA LUAD樣本中獲得的前5個富集通路的基因簇，在SE和SV重疊區(qū)域注釋的單個基因計數(shù)熱圖

02. ?基因表達對非CAGA LUAD樣本中伴隨SV的SE形成的影響

該研究通過對938例LUAD的RNA-seq數(shù)據(jù)進行聚類分析，結果發(fā)現(xiàn)非CAGA LUAD中存在類似角膜緣和角膜上皮干細胞的顯著特征，而EGFR突變陽性組則在Ⅱ型肺泡細胞和上皮祖細胞中富集。進一步分析揭示了SE和SV在非CAGA LUAD中的重要作用，特別是ERBB2、EGFR、CDK4和MDM2等基因在這些區(qū)域的表達顯著升高。作者發(fā)現(xiàn)H3K27Ac峰值與基因表達顯著相關，并確定趨化因子活性通路在具有SE和SV的病例中顯著參與。這些結果表明SE和SV的重疊會導致基因表達的異常升高。

圖4. A-B）ERBB2、EGFR、CDK4和MDM2基因表達峰值散點圖

圖5. E-G）單個非CAGA LUAD樣本的circos圖

03. ?由基因表達異常升高引起的驅動突變候選對象

?通過SE-基因的關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)了一組異常高表達的基因，這些基因是由SE和SV驅動的驅動突變候選基因，其中FRS2（成纖維細胞生長因子受體底物 2）和CAV2（窖蛋白2）可能成為候選基因。

FRS2在激活MAPK和PI3K信號通路中發(fā)揮關鍵作用，被確定為致癌基因；而CAV2參與癌癥進展，高表達與胰腺癌進展和不良預后相關，影響著腫瘤發(fā)展和轉移過程。

這些發(fā)現(xiàn)提示FRS2和CAV2在非CAGA LUAD的分子動態(tài)中起重要作用，深入了解它們的分子機制可能為潛在的治療策略提供幫助。

04. ?SE和SV的染色體結構與ERBB2基因位點重疊?

研究發(fā)現(xiàn)在40.8%的非CAGA LUAD患者中，SEs形成與SVs相關，導致基因表達顯著升高。其中，1.15%的患者在ERBB2基因周圍形成SEs。

進一步分析發(fā)現(xiàn)ERBB2過表達并非通過Y1248磷酸化來激活，而可能涉及其它信號通路。

關鍵的是，使用泛HER激酶不可逆抑制劑--波奇替尼(Poziotinib)和抗體偶聯(lián)藥物--“德曲妥珠單抗（T-DXd）”對這些ERBB2過表達的LUAD模型表現(xiàn)出良好的抑瘤效果。

為了深入研究染色體結構變化和相互作用，該研究進一步使用Hi-C技術進行分析，結果發(fā)現(xiàn)ERBB2與HNF1β基因位點發(fā)生了重排，從參考基因組中的相距約1.9 Mb縮短至~125 Kb。

這些結果不僅闡明了非CAGA LUAD的復雜基因組景觀，也強調了ERBB2靶向治療在具有特定SE形成的患者群體中的應用潛力。

圖6. A)非CAGA LUAD患者與SV相關SE形成的比例的餅圖；B）LUAD中PDX模型的H3K27Ac ChIP-seq的基因組視圖；C）基于Hi-C、WGS和H3K27Ac ChIP-seq對ERBB2異常表達樣本分析的綜合可視化

05. ?培養(yǎng)細胞中ERBB2和HNF1β位點之間的靶向染色體重排?

該研究通過CRISPR-Cas9系統(tǒng)誘導培養(yǎng)細胞中基因組結構異常，WGS和Hi-C分析結果發(fā)現(xiàn)ERBB2區(qū)域存在復雜的結構異常，包括與HNF1β基因座的常見染色體倒位。

通過設計gRNAs并在細胞中誘導染色體倒位，作者發(fā)現(xiàn)只有在同時引發(fā)ERBB2和HNF1β基因組區(qū)域的雙鏈斷裂時，約0.20-0.69%的細胞顯示出HER2表達增加。這進一步證實了觀察到的基因組結構異常直接影響了HER2基因的表達水平。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了染色體倒位對HER2表達的影響，為進一步探索基因組結構異常與基因表達之間的關系提供了重要線索。

圖7. A）Hi-C和ChIP-seq結合分析的案例；B-D）在ERBB2和HNF1β基因位點上發(fā)現(xiàn)了共同的染色體倒位（綠色框），D為陰性對照

06. ?異常基因在臨床預后中的意義

該研究通過對6個關鍵基因（CDK4、ERBB2、MDM2、FRS2、EGFR和CAV2）的SE-基因關聯(lián)分析，結果發(fā)現(xiàn)一組顯著異常高表達的潛在驅動基因。作者進一步分析了其與相關臨床結果的相關性。結果表明高表達基因，特別是FGF3、FGF4和FGF19的存在均與顯著降低的無復發(fā)生存期相關。這些結果強調了在沒有驅動基因突變的情況下，來自SE和SV景觀分析獲得的基因的穩(wěn)健性，這些基因具有作為預后預測因子的臨床意義。

圖8. A）Hi-C和ChIP-seq結合分析的案例；B-D）在ERBB2和HNF1β基因位點上發(fā)現(xiàn)了共同的染色體倒位（綠色框），D為陰性對照

總結

這篇文章研究了非CAGA LUAD中SE和SV之間的復雜相互作用，揭示了它們在基因表達調控中的重要作用。通過整合WGS、H3K27ac ChIP-seq、Hi-C等技術，分析結果發(fā)現(xiàn)許多基因由于SE與SV的重疊而表現(xiàn)出異常表達。這些異常表達在某些非CAGA LUAD病例中顯著增加了術后復發(fā)的風險?？傊?，這篇文章識別到了大量的潛在的驅動基因，從而能更準確地選擇臨床試驗患者，這有望提高LUAD的個性化治療方法的有效性并改善患者預后。?