10+代谢反应轴的肿瘤分型都做了什么？
导语
今天和大家分享的是2020年1月份发表在Clin Cancer Res杂志上的一篇文章(IF=10.107)“Altered Gene Expression along the Glycolysis-Cholesterol Synthesis Axis Is Associated with Outcome in Pancreatic Cancer.”。文章中作者分析了325名PDAC患者中糖酵解和胆固醇生成基因的表达，并鉴定了与生存差异和已知的胰腺癌预后类型相关的不同亚组。
Altered Gene Expression along the Glycolysis-Cholesterol Synthesis Axis Is Associated with Outcome in Pancreatic Cancer
糖酵解胆固醇合成轴的基因表达改变与胰腺癌结局相关
一、研究背景
胰腺导管腺癌（PDAC）是所有癌症中存活率最低的肿瘤之一，5年生存率不到10％。PDAC的难愈性和能够预测治疗反应的临床验证生物标志物的短缺，限制了有效治疗方法的出现。PDAC存在明显的分子异质性，会根据结构变异，染色体重排事件，表观遗传修饰和基因表达特征产生不同的肿瘤亚类，这些信息可以转化为临床成果以进行预后评估和治疗反应的预测，以及基于每种肿瘤独特的分子标记的个性化疗法的发展。糖酵解对肿瘤进展的影响可以通过将代谢物丙酮酸从转化转变成乳酸转移到线粒体中来实现，该代谢过程是通过由丙酮酸载体1和2（MPC1和MPC2组成）的线粒体丙酮酸复合物（MPC）的活性来进行的。MPC活性降低与某些癌症类型的预后不良相关。PDAC细胞系具有独特的糖酵解和脂肪生成特性，从而影响其对代谢剂的反应。然而，在离散代谢途径中的基因表达异质性是否影响临床结局或作为PDAC中可操作代谢脆弱性的基础，目前尚不完全清楚。
二、结果解读
1、糖酵解和胆固醇基因表达确定四个PDAC分型
为了根据糖酵解和胆固醇合成途径基因的相对表达水平对PDAC肿瘤进行分层，利用了可切除(可切除的数据集包括TCGA PAAD-US和ICGC PACA-CA)和不可切除的PDAC患者肿瘤的RNA序列数据(不可切除的队列研究包括COMPASS，PanGen和POG)。将样品过滤以排除肿瘤含量<30％的样品，总共留下325个患者样品（TCGA n = 61，ICGC n = 148，COMPASS n = 90 ，PanGen / POG n = 26），进行富集肿瘤细胞特异性mRNA。选择属于反应组基因“糖酵解”（n = 29）和“胆固醇生物合成”（n= 24）的基因进行分析。
先前的研究已表明，不同癌症类型之间代谢基因表达存在异质性，包括特定途径内的同工酶。为选择在每个通路内共调控和与PDAC生物学相关的基因，使用共识聚类来识别两组稳定共表达的糖酵解(n=14)和胆固醇合成(n=15)通路基因，用于代谢亚型。计算每个样品共表达的糖酵解和胆固醇生成基因的中位表达水平，并将其用于分配与以下两种途径特别相关的四个代谢谱之一：静态，糖酵解，产胆固醇。图1C中显示了整个代谢亚组中的糖酵解和胆固醇生成基因的表达水平。可切除和转移性样本之间每组的样本比例差异无统计学意义。为了确定基质类型是否影响代谢分类，我们使用正常和激活的PDAC基因特征对病例进行了聚类分析。两种基质亚型之间代谢亚组的分布没有显着差异。糖酵解与可切除和转移性PDAC的中位生存期最短，与糖酵解在肿瘤进展中的作用一致。有趣的是，在胆固醇合成基因表达增加的情况下，观察到生存获益。在可切除组和转移组，中位总生存时间最长。混合组预后明显比转移组的糖酵解组的更好。在切除的PDAC中，胆源性病例的复发间隔最长。代谢基因表达的重编程与相关代谢产物的变化有关。这个结果表明，在PDAC中存在与糖酵解-胆固醇合成轴相关的多种代谢表型，其中糖酵解速率高但胆固醇合成率低的肿瘤比具有更高胆固醇生成表型的肿瘤对化疗的敏感性更高。
图1.基于糖酵解和胆固醇基因表达PDAC的肿瘤分层
2、代谢亚型与肿瘤基因组和已知PDAC亚型的关系
分子事件如致癌突变的KRAS和MYC扩增，以及TP53能够促进包括PDAC在内的癌症中的代谢过程。为了确定不同代谢亚型的致癌事件，作者研究了在不同代谢亚型中PDAC中经常突变的SNV、indels和CNV的频率。糖酵解基因表达与KRAS呈中度相关，与MYC呈弱相关。这些发现与KRAS和MYC驱动PDAC中糖酵解的肿瘤代谢的观点一致，并提明具有KRAS和MYC拷贝增加的肿瘤可能更依赖于葡萄糖的利用，更容易受到糖酵解抑制。
其他PDAC代谢过程的基因表达分析显示，糖酵解组中HIF1A和相关糖酵解基因LDHA和SLC16A3的表达增加，而胆固醇生成组中的固醇合成转录激活因子SREBF2的表达增加。而在糖酵解性肿瘤中，编码AMP激活的蛋白激酶（AMPK）催化亚基之一的PRKAA1的表达降低。胆源性肿瘤中的氨酰胺酶的基因的AKT2和AKT3以及GLS的表达降低。这表明PI3K / AMPK和谷氨酰胺代谢通路的成分在糖酵解性和胆固醇生成性肿瘤中存在特异失调。PDAC与支链氨基酸的摄取和利用减少有关，戊糖磷酸和核苷酸代谢途径的KRAS依赖性上调。对这些网络的分析表明，在静态亚组中涉及氨基酸分解代谢，核苷酸代谢和磷酸戊糖途径的基因表达降低，表明这些肿瘤总体上可能代表具有低代谢活性的PDAC亚型。
图2.PDAC代谢亚组之间的突变图
之前的研究已经确定了PDAC基因表达特征与生存相关的。与不良预后相关的亚型包括基底型（Moffitt和colleagues），鳞状（Bailey和colleagues）和准间质（Collisson和colleagues）分类。为了研究糖酵解-胆固醇生成轴上的表达模式是否可能是先前建立的亚型之间差异的，作者确定了每个样品的各种PDAC亚型，并研究了它们与代谢表型的重叠程度。静止组主要包括经典病例（Moffitt和colleagues），并且ADE和外分泌样发生率最高。Collisson和colleagues的外分泌样信号与编码消化酶的基因的高表达有关，这表明静止组可能包括更多不同起源细胞类型的病例，特别是那些涉及消化酶分泌的病例。与提供最差结果的糖酵解表型一致，这些病例大多数为基底样，鳞状和准间质。胆固醇的亚组的特征是两种不良预后特征中所占比例最低，并且祖细胞癌病例的比例最高。糖酵解基因表达与Moffit和colleague的基础基因呈正相关，而与Moffit和colleague的经典基因呈负相关。而成胆基因表达与Moffi和colleague的经典基因呈正相关，综上所述，这些数据暗示着不同的肿瘤代谢途径是有助于已知PDAC亚型的预后作用的机制，并将糖酵解和胆固醇合成确定为不同亚型中潜在的可靶向代谢脆弱性。
图3.PDAC代谢亚群与已知基因表达亚型的比对
3、MPC复合物作为肿瘤糖酵解-胆固醇合成轴的潜在调节因子
MPC复合物调节线粒体丙酮酸通量，抑制癌细胞中MPC1和MPC2的表达促进肿瘤糖酵解活性和乳酸的产生。为研究MPC1和MPC2与糖酵解和胆固醇生成表型之间的关系，作者比较了代谢亚组中两个基因的突变频率和表达水平。注意到每个基因中CNV之间存在一种的矛盾关系，影响MPC1的CNV仅是缺失，而影响MPC2的CNV的大多数（16/17）是扩增产物。MPC1的表达水平和MPC2显著不同。每个其他群体相比，MPC1和MPC2基因表达糖酵解样品显著减少；和MPC2是表达相比显著增加。线粒体丙酮酸转运在mRNA水平上的失调可能是代谢肿瘤亚型的原因。与糖酵解性肿瘤中细胞质丙酮酸向乳酸生成的假设一致，在糖酵解基因表达增加的肿瘤中，LDHA水平更高。
图4.MPC1和MPC2表达与PDAC代谢亚组和细胞信号通路的关联
为了探索与MPC1 / 2表达相关的细胞通路，我们在MPC1 / 2和所有其他测定的基因之间进行了相关性分析。总共713个基因和303个基因与MPC1 / 2正相关。正相关基因的GSEA显示与氧化磷酸化通路有显着相关性。在负相关基因中富集的通路包括那些与低分化肿瘤有关（缺氧，TGFβ信号传导和E-钙黏着蛋白活性）。这些数据表明，MPC活性参与了与PDAC中肿瘤进展相关的细胞网络，部分是可能通过影响肿瘤糖酵解活性和胆固醇生成活性之间的平衡来实现的。
图5.与细胞代谢有关的各种途径的基因的中位基因表达水平
4、糖酵解和胆固醇基因簇在其他类型癌症中的相关性
不同类型的癌症具有独特的代谢特征，这些特征受突变态势和器官特异性酶表达的驱动，可能会影响预后。为了确定糖酵解和胆固醇生成基因表达亚型在其他器官部位的相关性，作者对17种TCGA癌症类型再做了一次糖酵解和胆固醇生成基因表达的共识聚类分析，在9种癌症类型中发现了共表达途径特异性基因的离散簇。共表达的糖酵解和成胆通路仅在少数癌症中存在，这表明某些基因在每种癌症中对代谢程序的特定细胞类型贡献。糖酵解基因在basallike和colleagues表达显示显著的正相关性，PDAC分类系统基因在所有类型的癌症中均表明，基底样基因特征也与更大范围的肿瘤类型中糖酵解活性的增加相关。
对于某些类型的癌症，还发现中位糖酵解基因表达与KRAS（LGG，COAD，LUSC）或MYC（GBM，HNSC，LUAD，BLCA，LUSC）表达呈正相关。与PDAC相似，在糖酵解基组中MPC1（HNSC，LUSC）或MPC2（BLCA，COAD）或两者（LUAD）的表达均显着减弱。在LGG（log-rank P = 0.0076）和LIHC（P = 0.018）中观察到四种代谢亚型的生存率存在显着差异。在LGG中，低表达胆固醇基因低表达亚组的生存时间比胆固醇基因高表达的亚组的生存时间短。在LIHC中，在糖酵解和混合型病例中的结局均较差。这些结果表明，肿瘤代谢依赖性可能根据不同的基因组特征和特定于癌症类型的肿瘤微环境因素而有所不同。例如，IDH1和IDH2中的编码代谢酶在LGG中很普遍，可能对细胞代谢和肿瘤进展有独特的影响。
图6.其他癌症类型的糖酵解和胆固醇生成基因谱分析
三、小结
作者根据糖酵解和胆固醇生成基因的表达模式将325个可切除和不可切除PDAC的综合队列分为4组（静止，糖酵解，胆固醇和混合），并研究它们与生存，突变和预后基因表达特征的关系，发现糖酵解和产胆固醇的基因表达与预后的PDAC亚型分类基因的表达相关。为先前建立的PDAC亚型提供了新的生物学见解，并可能有助于开发针对独特肿瘤代谢谱的个性化疗法。
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