Nat Can | 单细胞组学揭示乳腺癌的进化轨迹
撰文：骄阳似我
IF：42.778
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亮点：
将细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）抑制剂与内分泌治疗相结合可改善转移性雌激素受体阳性乳腺癌患者的预后，但其在早期患者中的价值尚不清楚。本文使用来自单独内分泌治疗或与CDK抑制剂ribociclib联合治疗的活组织进行单细胞RNA测序，揭示了早期乳腺癌肿瘤的进化轨迹。用联合疗法治疗的抗性肿瘤显示雌激素信号传导的加速丧失，同时通过生长因子受体上调JNK信号传导。相反，在单一或联合治疗期间维持雌激素信号传导的癌细胞显示通过ERBB4信号传导增强CDK4/6活化和ERK上调。这些结果表明，早期雌激素受体阳性乳腺癌的联合治疗通过从雌激素转变为生长信号介导细胞增殖而导致抗性的出现。
激素受体阳性（雌激素受体阳性（ER ）和/或孕激素受体阳性（PR ））乳腺癌占所有乳腺癌的70-80%。在ER 乳腺癌中，雌激素受体被雌激素激活，并且将该信号转导至细胞核促进细胞增殖和肿瘤生长。ER 乳腺癌的主要治疗方法是内分泌治疗，使用芳香化酶抑制剂（AI）消耗乳腺癌细胞产生的雌激素，或通过直接调节或降解阻断ER活性。所有转移性乳腺癌患者中约90%最终对内分泌治疗产生耐药性，至少33%的早期疾病患者会产生内分泌抵抗。为了研究这种联合治疗在早期非转移性乳腺癌中的疗效，内分泌治疗与CDK4/6抑制剂的联合治疗改善转移性ER 乳腺癌的疾病控制和辅助试验正在进行。
CDK4/6蛋白与细胞周期蛋白D形成复合物，使细胞周期关键检查点调节视网膜母细胞瘤蛋白（RB1）磷酸化和失活，导致E2F转录因子激活，促进细胞周期从G1期到S期的转变。雌激素与ER的结合与生长因子受体（GFR）与生长因子结合，激活细胞周期蛋白D/CDK4/6驱动细胞增殖。ER还可以激活细胞外信号调节激酶（ERK）丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号传导并驱动细胞周期蛋白D基因的转录和细胞周期进程。一些已知的内分泌治疗抵抗机制包括关键雌激素受体的丢失或修饰-α(ESR1）以及磷酸肌醇3激酶（PI3K）或表皮生长因子受体途径的激活。先前的研究还揭示了在转移性环境中对CDK4/6抑制剂治疗具有抗性的潜在机制，包括CDK6和细胞周期蛋白E2（CCNE2）的破坏或丧失，以及AKT1，RAS，ERBB2和FGFR基因的激活。但早期非转移性乳腺肿瘤的耐药机制尚不清楚，需要进一步的研究来表征CDK4/6抑制剂的作用和存活细胞的耐药机制。
近期，在Nature子刊 Cancer杂志上发表了一篇题目为“Serial single-cell genomics reveals convergent subclonal evolution of resistance as patients with early-stage breast cancer progress on endocrine plus CDK4/6 therapy” 的文章，详细介绍了早期ER 乳腺癌中内分泌和细胞周期抑制剂联合治疗的耐药性如何演变。
研究发现：在治疗期间，肿瘤经历亚克隆进化。PIK3CA，TP53和MAP3K1基因发生突变，AKT3，CCND1，CCNE2，CDK6，FGFR1基因拷贝数增加，ESR1，RB1和TP53基因拷贝数减少。PTEN，GATA3等变异的等位基因频率增加，携带这些突变的克隆富集。鉴定亚克隆癌细胞群，发现所有患者的肿瘤均显示为多克隆人群。由于抗性亚克隆优势的增加，内分泌治疗期间肿瘤异质性降低。相反，联合治疗期间总体异质性由于优势度的降低而增加。如图1：内分泌或联合治疗对基因组突变的影响。
研究表明：联合治疗期间雌激素信号减弱加速进化。单独使用内分泌治疗时，持续性肿瘤可以维持雌激素信号传导，而缩小的肿瘤显示雌激素信号降低。相反，联合治疗导致持续性肿瘤治疗期间雌激素信号明显减少，肿瘤缩小，ER表达和通路活性降低。ESR1信使RNA的表达降低，表明其对内分泌治疗的先天耐药性。随着时间的推移，联合治疗加速了ESR1 mRNA水平的降低，
肿瘤表现出最明显的表达减少。缩小的肿瘤也表现出雌激素受体mRNA表达的减少，但更接近于单独的来曲唑水平。如图2:联合治疗期间雌激素独立性的加速演变。
在联合治疗期间，除了ER信号外，还检测到MAPK信号改变的几个特征。JNK和ERK途径是MAPK网络的主要组成部分；联合治疗6个月后所有患者的肿瘤细胞显示JNK表达上调。在单独使用内分泌治疗的耐药肿瘤中未观察到JNK通路的显着激活（图3a），表明其在CDK抑制剂抗性中的特定作用。如图3：JNK通路激活发生在联合治疗耐药出现期间，并与雌激素独立性和增强CDK6表达。
受体酪氨酸激酶上调在治疗期间很常见。在50%的肿瘤中，ERBB4基因显著上调。ERBB4是MAPK信号传导的上游，ER共调节因子可以通过ERK信号传导来驱动增殖。缺乏CDK6扩增的肿瘤ERBB4上调较少，表明它可以抵抗内分泌但不抑制CDK。当患者缺乏CDK6扩增时，成纤维细胞生长因子受体2（FGFR2）在JNK激活的细胞中也被上调。如图4c，在具有高雌激素信号传导的肿瘤细胞中，CDK4/6激活的增强可以通过ERBB4和ERK上调和激活而发生。或者，内分泌信号减少的的癌细胞可以通过上调JNK途径绕过CDK4/6抑制。总之，抗性癌细胞状态反映了在没有CDK6扩增的肿瘤中从ERK到JNK MAPK信号传导的表型转变和减少的雌激素信号传导。如图4 ：激活ERBB4和FGFR2作为内分泌和联合治疗的耐药机制。
联合治疗期间细胞周期重新激活在G1检查点阶段期间雌激素受体表达丧失，JNK1活化，细胞周期抑制剂细胞周期蛋白依赖性激酶2A抑制和CDK6上调之后。如图5 ：治疗的后果：细胞周期重新布线以绕过CDK抑制。
总之，我们的分析确定了肿瘤如何通过表型和亚克隆进化来规避内分泌和CDK4/6抑制的机制。这些机制包括转向其他增殖信号通路，绕过对ER和CDK6激活的依赖。该方法提供了在癌症治疗早期检测抗性机制的方法，以鉴定针对肿瘤中存活的肿瘤亚克隆的表型靶标。
教授介绍：
Andrea H. Bild
Andrea Bild博士是Utah大学药理学和毒理学系的助理教授，同时也是生物医学信息学和肿瘤学系的助理教授。她是亨茨曼癌症研究所的研究员，也是核细胞生长和分化控制项目的成员。她主要的研究项目是癌症中心项目：细胞生长和分化的核控制，利用DNA微阵列分析研究癌症。她专注于导致肿瘤形成和扩散的信号通路，获得了盖恩斯维尔佛罗里达大学的学士学位和丹佛科罗拉多大学的博士学位。
参考文献：
Serial single-cell genomics reveals convergentsubclonal evolution of resistance as patients with early-stage breast cancerprogress on endocrine plus CDK4/6 therapy
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