編譯：勝寒，編輯：Tracy、江舜堯。
原創(chuàng)微文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載。
導讀三陰性乳腺癌(TNBC)目前仍然是醫(yī)學上尚未解決的難題。在本研究中，作者通過對大量數(shù)據(jù)的比對分析，發(fā)現(xiàn)三陰性乳腺癌患者存在三種具有不同代謝特征的異質(zhì)性代謝途徑亞型(MPSs): MPS1，脂質(zhì)代謝上調(diào)的脂源性亞型;MPS2，糖酵解亞型，糖和核苷酸代謝上調(diào);MPS3，部分通路失調(diào)的混合亞型。這些亞型通過72個樣本的代謝組學分析進行了驗證,結(jié)果顯示三種亞型有明顯的預(yù)后、分子亞型分布和基因組改變。此外，MPS1 TNBCs對靶向脂肪酸合成的代謝抑制劑更敏感，而MPS2 TNBCs對靶向糖酵解的抑制劑更敏感，且抑制乳酸脫氫酶可以增強腫瘤對MPS2 TNBCs抗PD-1免疫治療的反應(yīng)。總的來說，本研究證明了TNBCs的代謝異質(zhì)性，并使針對獨特的腫瘤代謝特征開發(fā)個性化治療成為可能。
原名：Metabolic-Pathway-Based Subtyping of Triple-Negative Breast Cancer Reveals Potential Therapeutic Targets譯名：基于代謝途徑的三陰性乳腺癌亞型揭示了潛在的治療靶點
通訊作者單位：復(fù)旦大學附屬腫瘤醫(yī)院；復(fù)旦大學上海醫(yī)學院腫瘤學系1. 轉(zhuǎn)錄組分析顯示TNBCs的代謝失調(diào)
為了研究TNBCs的代謝重編程，作者從《京都基因和基因組百科全書》(KEGG)數(shù)據(jù)庫中提取了86種代謝途徑的1660種人類基因。作者首先表征了mRNA表達與蛋白質(zhì)豐度之間的關(guān)系，以便了解基于Oslo2 Landscape隊列的mRNA水平是否可以代表蛋白質(zhì)水平。在乳腺癌中，共有73.3%的代謝基因的mRNA和蛋白表達呈顯著的正相關(guān)。主成分分析顯示，在FUSCC隊列和癌癥基因組圖譜(TCGA)隊列中，TNBCs與非TNBCs或正常樣本具有獨特的代謝基因表達，而非TNBCs和正常樣本似乎具有較高的相似性(圖1A)。然后，作者將重點放在TNBCs的分析上，并應(yīng)用兩種不同的表達譜差異度量來研究FUSCC隊列中TNBCs及其對應(yīng)正常組織之間和內(nèi)部的代謝基因表達的全局變化。TNBCs與相應(yīng)正常組織或TNBCs樣本內(nèi)的表達距離明顯大于正常樣本內(nèi)的表達距離(圖1B)。接下來，作者分析了FUSCC隊列的轉(zhuǎn)錄組譜，以確定特定代謝途徑的轉(zhuǎn)錄差異是否能夠解釋TNBCs的失調(diào)?；蚣患治?/span>(GSEA)表明，與正常樣本相比，TNBCs腫瘤中共有21條代謝通路顯著失調(diào)(18條通路上調(diào)，3條通路下調(diào))。氧化磷酸化和嘧啶代謝是TNBCs腫瘤中最上調(diào)的代謝途徑(圖1C)。這些異常通路似乎包含了大部分的代謝過程，并且在TNBCs腫瘤樣本中，大多數(shù)異常通路都上調(diào)(圖1D)。此外，作者使用差分秩守恒分析來量化TNBCs腫瘤和正常樣本中代謝通路的守恒差異(圖1E)。與正常樣本相比，大多數(shù)代謝途徑在TNBCs腫瘤樣本中具有較低的秩守恒指數(shù)(RCIs) ，表明大多數(shù)代謝通路在TNBCs腫瘤樣本中mRNA表達水平存在較高程度的失調(diào)和變異性。此外，特定的生物合成過程，如纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和膽固醇的生物合成，在TNBCs中顯示最小的RCIs。這些數(shù)據(jù)表明，在TNBCs腫瘤樣本中確實存在代謝失調(diào)和異質(zhì)性。圖1 TNBCs的代謝失調(diào)
2. 基于代謝途徑的TNBCs分類
為了揭示TNBCs的代謝異質(zhì)性，作者基于基因組變異分析（GSVA）估計了來自FUSCC隊列的每個樣品中86種代謝途徑的富集得分，將所有360種TNBCs腫瘤分為三種異種亞型（圖2A）。MPS1(占所有腫瘤的26.4%)被指定為脂質(zhì)代謝亞型，其特征是脂質(zhì)代謝途徑的相對上調(diào)，包括脂肪酸(FA)生物合成、膽固醇生物合成和甾體生物合成。MPS2(占所有腫瘤的36.9%)被稱為糖酵解亞型，其特征是碳水化合物和核苷酸代謝途徑顯著上調(diào)，包括檸檬酸循環(huán)、糖酵解、嘌呤代謝和嘧啶代謝。MPS3(占所有腫瘤的36.7%)被稱為混合亞型，其特征是各主要類型的組合失調(diào)。
以往的研究已經(jīng)通過基因表達分析確定了TNBCs的幾種分子亞型。作者確定了每個樣本的TNBCs分子亞型，并研究了它們與MPSs的重疊(圖2B和2C)。MPS1主要由管腔雄激素受體(LAR)亞型和PAM50非基礎(chǔ)亞型組成。MPS2主要由典型的基底樣病例組成，并包含最高頻率的PAM50基底亞型。與混合表型一致的是，MPS3由多個不同分子亞型的腫瘤等組成。此外，三種亞型表現(xiàn)出不同的臨床特征。具體來說，MPS1患者年齡較大，而MPS2 TNBCs的腫瘤級別較高。此外，MPS2的無復(fù)發(fā)生存率(RFS)明顯低于其他兩種亞型(圖2D)。多變量Cox比例風險模型還顯示在調(diào)整腫瘤大小、淋巴結(jié)狀態(tài)和分子亞型后，MPS2 TNBCs的RFS更差(圖2E)?？偟膩碚f，研究結(jié)果表明，TNBCs的代謝異質(zhì)性可分為三種代謝表型，且不能完全用基于轉(zhuǎn)錄的亞型來解釋，而碳水化合物和核苷酸代謝的上調(diào)與腫瘤的侵襲性有關(guān)。
圖2 基于代謝途徑的TNBCs分類
3. 基于代謝途徑的亞型表現(xiàn)出明顯的代謝特征
接下來，作者探究代謝酶的mRNA表達和相應(yīng)代謝產(chǎn)物豐度是否與不同亞型代謝途徑的富集分數(shù)相關(guān)聯(lián)。MPS1亞型腫瘤中膽固醇和新脂質(zhì)合成相關(guān)基因的表達被富集，包括乙酰輔酶a羧化酶(ACACA)、HMG -輔酶A還原酶(HMGCR)、脂肪酸合酶(FASN)和硬脂酰輔酶A去飽和酶(SCD)(圖3A)。相比之下，MPS2中糖酵解和核苷酸代謝的代謝酶表達相對升高，例如，MPS2顯示磷酸果糖激酶(PFKP)、烯醇化酶2 (ENO2)、胸苷酸合成酶(TYMS)和CTP合成酶1 (CTPS1)的表達高于其他亞型。作者還發(fā)現(xiàn)，在MPS2 TNBCs中，葡萄糖轉(zhuǎn)運體、溶質(zhì)轉(zhuǎn)運體家族2成員1 (SLC2A1)和乳酸轉(zhuǎn)運體SLC16A1的mRNA表達上調(diào)(圖3A)。 差異分析突出了每個亞型中特定代謝物的豐度。與脂質(zhì)基因表達增加一致，MPS1大量積累了各種脂質(zhì)，如肉豆酸、棕櫚烯酸、油酸和花生四烯酸(圖3B)。相比之下，MPS2的特征是葡萄糖水平較低，而葡萄糖是糖酵解的底物(圖3C)。作者通過糖酵解和核苷酸代謝中中間體的積累來區(qū)分該亞型，包括葡萄糖1-磷酸、二羥基丙酮磷酸、乳酸和3,5 -二磷酸腺苷(圖3C），此外，基于通路的差異豐度(DA)分析證實了MPS1和MPS2之間代謝途徑的差異。在MPS1中，大多數(shù)涉及脂質(zhì)代謝的代謝途徑具有較高的DA評分，這與轉(zhuǎn)錄組水平的差異一致，而在MPS2中，涉及碳水化合物代謝和核苷酸代謝的代謝途徑具有較高的DA評分。因此，作者證明了代謝酶表達和代謝產(chǎn)物豐度在區(qū)分這三個MPSs上是一致的。圖3 基于代謝途徑的亞型表現(xiàn)出明顯的代謝特征
4. TNBCs中基于代謝途徑的亞型的特征基因組改變
基因組的改變，如致癌的MYC擴增和PIK3CA或TP53的突變，可以驅(qū)動癌癥的代謝重編程。接下來，作者使用來自FUSCC隊列的TNBCs樣本的基因組數(shù)據(jù)(其中243個樣本具有全外顯子組測序[WES]和RNA-seq數(shù)據(jù)，以及302個樣本具有拷貝數(shù)改變[CNA]和RNA-seq數(shù)據(jù))來比較三種亞型之間的基因組改變。在任何亞型中，任何信號通路都沒有更高頻率的拷貝數(shù)缺失(圖4A)。在選擇亞型特異性突變基因時，作者發(fā)現(xiàn)PI3K通路成員(PI3KCA[42.0%]、PIK3R1[8.7%]、PTEN[17.4%])和RTK-RAS通路成員(ERBB2[5.8%]和HRAS[5.8%])的突變在MPS1中最常見。多次檢測校正后，PI3KCA和PTEN突變?nèi)匀伙@著增加(圖4B)，在體細胞CNA差異方面，作者的分析表明MPS2具有更頻繁的體細胞拷貝數(shù)改變。如MPS2染色體區(qū)域特異性擴增或增益，包括12p12.1-12p13.3、3p22.1-3p22.3、10p15.1。MPS2也有染色體區(qū)域2q21.1、10q24.1-10q25.3、13q14.11-13q14.3的缺失(圖4C)。而且作者還發(fā)現(xiàn)，在12p12.1-12p13.3染色體上，有幾個糖酵解基因，包括ENO2、GAPDH、LDHB和TPI1，還有幾個與癌癥相關(guān)的基因，包括FOXM1、FOXJ2、KRAS和TIGAR。這些基因在該基因組區(qū)域的CNA狀態(tài)與其mRNA表達呈正相關(guān)，這表明12p12.1-12p13.3染色體畸變可能調(diào)節(jié)了癌細胞的糖酵解活性。綜上，作者的分析顯示，特定染色體區(qū)域的改變可能影響TNBCs的代謝重編程和異質(zhì)性。圖4 TNBCs中基于代謝途徑的亞型的特征基因組改變
5. 基于代謝途徑的亞型對各種代謝抑制劑表現(xiàn)出明顯的敏感性
近年來，許多針對癌癥代謝的藥物被研發(fā)出來。作者進一步探討了這三種MPSs是否會對各種代謝抑制劑表現(xiàn)出不同的敏感性。作者首先分析了來自癌癥細胞系百科全書的24個人類TNBCs細胞系的基因表達和代謝組學數(shù)據(jù)。與TNBCs組織亞型一致，這些細胞系也有獨特的轉(zhuǎn)錄和代謝譜。作者發(fā)現(xiàn)MPS2細胞系比其他細胞系顯示出更高的FA攝取率，這表明這些細胞系可能更依賴FA途徑來產(chǎn)生脂質(zhì)(圖5A)。此外，耗氧率（OCR）和細胞外酸化率（ECAR）分別用于測量線粒體呼吸和糖酵解。MPS1細胞系顯示出比其他細胞系更高的耗氧量和更低的糖酵解速率，其中，ATP合酶依賴性耗氧量（OCRATP）和ECAR的比率是腫瘤細胞糖酵解偏好的指標。而TNBCs細胞系的糖酵解偏好變化很大，MPS2細胞系的糖酵解偏好最高（圖5B）。 根據(jù)它們獨特的代謝特征，作者預(yù)測TNBCs細胞系將對針對脂質(zhì)合成和糖酵解的抑制劑表現(xiàn)出明顯的敏感性。正如預(yù)測的那樣，MPS1細胞系對靶向脂質(zhì)合成的抑制劑敏感，而MPS2細胞系對靶向糖酵解的抑制劑更敏感（圖5C和5D)。此外，作者參考了一項已發(fā)表的研究，發(fā)現(xiàn)MPS2內(nèi)的TNBCs細胞系對γ-GCS抑制劑BSO和GLS1抑制劑BPTES的敏感性增強。除了短期生存能力測定外，作者還測試了LDH抑制劑GNE-140、草氨酸鹽和FASN抑制劑C75在長期菌落形成測定中的療效，并觀察到了類似的結(jié)果(圖5E和5F)。據(jù)報道，病人的類器官(PDO)模型保留了原始腫瘤的分子和細胞組成，在癌癥個性化治療特別是在臨床前藥物篩選方面有相應(yīng)優(yōu)勢。作者使用FASN抑制劑C75和LDH抑制劑GNE-140和FX-11對5個TNBCs PDO模型(2個用于MPS1, 2個用于MPS2, 1個用于MPS3)進行細胞活力測定。作者發(fā)現(xiàn)，TNBCs PDO模型中C75的半最大抑制濃度與TNBCs細胞系一致，MPS1 PDO模型中C75的半最大抑制濃度相對較低(圖5G和5H)。而在MPS2 PDO模型中，低濃度的GNE-140和FX-11可顯著降低細胞存活率。因此，根據(jù)轉(zhuǎn)錄組和代謝組對TNBCs進行分類，研究者們可以發(fā)現(xiàn)特異性的代謝弱點，從而進行靶向治療。圖5 基于代謝途徑的亞型對各種代謝抑制劑表現(xiàn)出明顯的敏感性
6. 抗LDH治療可使MPS2 TNBCs對免疫檢查點抑制劑敏感
根據(jù)之前的研究，癌細胞中乳酸分泌的增加抑制了T細胞和NK細胞的腫瘤免疫監(jiān)測，促進了腫瘤的生長。作者發(fā)現(xiàn)糖酵解的富集評分與免疫溶細胞活性及TNBCs中CD8+T細胞和NK細胞標志物CD8A、KLRC1、KLRF1的表達呈負相關(guān)。所以作者推測腫瘤細胞糖酵解的上調(diào)抑制了T細胞和NK細胞的免疫功能。為了驗證作者的推測，作者根據(jù)RNA-seq數(shù)據(jù)，從7個小鼠TNBCs細胞系中選擇了3個代表這3個亞型的細胞系進行進一步的實驗，體外藥物敏感性分析驗證了這三種細胞系的分型。然后，作者在體內(nèi)測試了LDH抑制劑FX-11和免疫檢查點抑制劑anti-PD-1的聯(lián)合作用。與預(yù)期的一樣，FX-11聯(lián)合抗PD-1治療并沒有提高TS/A或66cl4異種移植瘤的根治效果(圖6A和6B)；相比之下，PD-1或LDH單獨阻斷治療對4T1移植瘤的影響很小或沒有影響，而FX-11和anti-PD-1聯(lián)合治療對腫瘤生長有明顯的抑制作用(圖6A和6B)。對接受FX-11和抗PD -1的小鼠4T1腫瘤的分析顯示，腫瘤浸潤性CD8+ T細胞和NK細胞顯著增加(圖6C和6D)。聯(lián)合處理組的IFN- (h)、產(chǎn)生顆粒酶B的CD8+ T細胞和NK細胞的比例也明顯高于其他組(圖6E -6H)。因此，FX-11和抗PD -1的結(jié)合有效增強了MPS2腫瘤的抗腫瘤效應(yīng)細胞。作者的體內(nèi)實驗證實，抗LDH治療可能使MPS2 TNBCs對免疫檢查點抑制劑敏感。圖6 抗LDH治療可使MPS2 TNBCs免疫檢查點抑制劑敏感
此前有報道稱，代謝失調(diào)與多種癌癥的臨床療效和治療反應(yīng)相關(guān)。在TNBCs等異質(zhì)性疾病中，了解不同分子亞型的代謝譜非常重要。目前來看，該研究目前是最大的系統(tǒng)分析，證實了TNBCs中代謝重編程和異質(zhì)性的程度。作者成功地將TNBCs分為三種異質(zhì)亞型，它們具有獨特的代謝特征，預(yù)后，基因組改變以及對各種代謝抑制劑的敏感性。重要的是，抑制LDH可以增強MPS2 TNBCs中抗PD-1免疫療法的腫瘤反應(yīng)。根據(jù)先前的研究，作者證明TNBCs與管腔或富含HER2的乳腺癌相比，表現(xiàn)出不同的代謝表型，并且表現(xiàn)出更嚴重的細胞代謝失調(diào)。在TNBCs中還觀察到了不同癌癥類型之間常見的代謝適應(yīng)模式，比如嘌呤和嘧啶代謝的上調(diào)和FA降解的下調(diào)。研究表明，與正常組織相比，TNBCs腫瘤樣品中的氧化磷酸化明顯上調(diào)，參與脂質(zhì)和碳水化合物代謝的途徑在TNBCs中表現(xiàn)出最高的變化，葡萄糖，谷氨酰胺，乳酸，丙酮酸和游離FA都是支持腫瘤生長的生物能途徑的底物。盡管糖酵解和FA合成均支持癌細胞增殖，但作者發(fā)現(xiàn)TNBCs的糖酵解偏好與更差的結(jié)果密切相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)表明糖酵解和FA合成可能在TNBCs進程中發(fā)揮不同的作用。此外，MPS和TNBCs分子亞型之間的關(guān)聯(lián)可能揭示TNBCs代謝異質(zhì)性的決定因素，并為TNBCs分類提供生物學意義。為了確定TNBCs中不同代謝亞型的分子驅(qū)動程序，作者觀察到MPS1在PI3K和RTK-RAS途徑的成員中具有較高的突變頻率。PI3K途徑可通過刺激RTK（包括ERBB2和胰島素受體）或獲得PIK3CA中的致癌突變來激活。在腫瘤細胞中，激活PI3K途徑可以增加營養(yǎng)轉(zhuǎn)運蛋白的表達并增強脂質(zhì)合成，從而促進細胞的生物合成。因此，研究者們有必要深入探索PI3K途徑如何協(xié)調(diào)TNBCs，尤其是MPS1中的脂質(zhì)合成和糖酵解。此外，MPS2的特征在于更高的染色體不穩(wěn)定性和高度重復(fù)的CNA。作者發(fā)現(xiàn)，染色體區(qū)域12p12.1–12p13.3的增益是MPS2中的反復(fù)變化。這種改變可能會影響該基因組區(qū)域中的幾個糖酵解基因和轉(zhuǎn)錄因子的過表達，從而產(chǎn)生亞型特異性代謝重編程。先前的研究還發(fā)現(xiàn)，糖酵解酶和其他與癌癥相關(guān)的代謝酶中的CNA在具有獨特CNA特征的腫瘤中協(xié)同富集，這支持了有關(guān)影響代謝基因位點的CNA共同充當基于拷貝數(shù)的代謝重塑驅(qū)動力這一假設(shè)。此外，作者還發(fā)現(xiàn)FOXM1在胰腺癌和肝細胞癌中促進糖酵解，這暗示轉(zhuǎn)錄因子在MPS2糖酵解調(diào)節(jié)中的作用。該項研究對臨床轉(zhuǎn)化也具有重要意義。首先，根據(jù)亞型特異性特征開發(fā)新的治療策略對TNBCs患者變得越來越重要。研究表明不同的MPS對代謝抑制劑的反應(yīng)取決于其代謝特征而變化，這表明針對代謝脆弱性的不同治療策略可能對TNBCs患者具有臨床益處。為了更準確地預(yù)測其對特定種類的代謝抑制劑的敏感性，需要進一步了解代謝網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)和可塑性。其次，盡管已顯示免疫檢查點抑制劑可在包括TNBCs在內(nèi)的多種腫瘤類型中成功，但許多患者對這些療法均無反應(yīng)，這表明其他機制可能影響這些腫瘤的免疫反應(yīng)。研究表明腫瘤微環(huán)境中的代謝物會影響免疫細胞的分化和功能進而調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。基于MPS2中糖酵解和乳酸產(chǎn)生的上調(diào)，作者假設(shè)抗LDH治療和抗PD-1治療可能在該TNBCs亞型中具有協(xié)同作用，體內(nèi)實驗證實了作者的假設(shè)，并揭示了治療MPS2患者的潛在治療策略。總之，該項研究揭示了TNBCs的代謝異質(zhì)性，并鑒定了三種具有不同代謝表型的亞型。每個MPS對靶向同一代謝途徑的抑制劑的一致敏感性支持了代謝亞型的功能重要性。然而，該研究仍有一些局限性，首先，代謝酶的轉(zhuǎn)錄差異間接指向其活性，因此，作者對TNBCs樣品進行了非靶向代謝組學驗證；其次，對基因組改變的生物信息學分析無法確定因果關(guān)系；此外，藥物敏感性測定需要臨床評估。https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33181091/
本站僅提供存儲服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請
點擊舉報。
