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Nature | 多层菊形团样胚胎性肿瘤诊断和复发的分子图谱
2019-12-30

撰文 | 章台柳

责编 | 兮

 

多层菊形团样胚胎性肿瘤(embryonal tumorswith multilayered rosettes,ETMRs是一种在幼儿特发的恶性脑瘤,预后普遍较差。其呈现出多种组织学类型,室管膜母细胞瘤(EBL)、髓母细胞瘤(MEPL)和具有丰富神经毡和真菊形团样的胚胎性肿瘤(ETANTR)等,共同形成一种独特的生物学肿瘤类型【1】,即ETMR。ETMRs的遗传学特征为19号染色体上miRNA簇C19MC的扩增并与TTYH1融合【2】,在90%的ETMR中存在。目前没有有效的治疗方法,需要更多地了解ETMR的肿瘤发生病理过程,以制定新的治疗策略。

 

近日,来自德国的Stefan M. Pfister、 Marcel KoolAndrey Korshunov合作在Nature杂志上发表文章The molecular landscape of ETMR at diagnosis and relapse,报道了ETMR肿瘤原位和复发的分子图谱。ETMRs主要分为C19MC扩增型和非扩增型,非扩增型中具有DICER1种系变异或其他miRNA相关如miR-17-92的体细胞变异。ETMRs肿瘤中SNVs的保守度较低,但R-loops结构导致的基因组不稳定则普遍存在,而DICER1功能的缺失导致R-loops增加。原位和复发肿瘤相比,SVs变异具有保守性,而SNVs变异不具有。拓扑异构酶抑制剂和PARP抑制剂联用靶向R-loops,或是治疗ETMRs的有效策略。
 


研究人员首先对193份ETMR样本的DNA甲基化图谱及28份mRNA-seq数据进行聚类分析,验证了ETMRs是与其他脑部肿瘤完全不同的肿瘤类型。没有C19MC扩增的ETMRs倾向于聚类在一起,但并不与C19MC扩增的ETMRs分开;ETMRs的miRNA表达具有独特的模式,C19MC扩增型和非扩增型具有相似性。C19MC非扩增型ETMRs中仍然有C19MC miRNAs表达,其水平比扩增性低10倍,C19MC miRNAs在正常的脑组织或其他脑肿瘤中不表达。ETMRs中特异性上调的成熟miRNA包括所有C19MC miRNA和miR-17-92簇,而let-7 miRNA家族的几个成员在ETMRs中特异性下调。ETMRs可在全部的脑区发生,没有组织学特异性。因此,ETMRs具有独特的分子图谱的肿瘤类型,虽然其组织病理学特征具有多样性,具有C19MC扩增型和非扩增型,解剖位置多样,但是肿瘤间的分子间异质性有限。比于正常脑组织和其他脑瘤,ETMR上调Hippo、WNT、Notch、SHH等发育相关的信号通路和碱基切除修复、P53等DNA修复途径。但一些ETMR中缺乏这些通路的上调,这可能与肿瘤内部异质性相关。DNA修复基因的表达和组织学上的差异可能与后代的分化水平有关,而DNA修复表达水平高的未分化细胞在复发是生长出来。

 
 
 
除了C19MC扩增,ETMRs是否具有其他的DNA变异?研究人员对82个肿瘤样本进行测序,其中包括16例C19MC非扩增型和12例复发肿瘤,发现原发肿瘤中DICER1、CTNNB1、TP53具有频发突变,其他发育相关的突变则频率很低。值得注意的是,所有DICER1突变都发生在C19MC非扩增型,而且具有体细胞突变和种系突变。DICER1突变导致3’/5’成熟miRNA的比率显著增加。其他的DNA变异包括13号染色体上miR-17-92簇的扩增、影响C19MC位点的断点(breakpoints)突变及严重的染色体不稳定性。ETMRs中普遍突变的基因不多,但拷贝数变异较为常见,而且很多染色体碎裂(chromothripsis)导致的断点突变大多位于C19MC周围,这导致ETMR基因组具有结构上的不稳定性。

分析原位肿瘤和复发肿瘤的全基因组测序数据,发现获得体细胞SNV突变不是肿瘤发生的早期驱动事件。相比于原位肿瘤,复发肿瘤的体细胞SNVs突变大幅增加,表明肿瘤治疗诱导产生新的突变。同时,原位肿瘤的突变特征主要与年龄有关,而复发肿瘤呈现出新型的突变特征。原位肿瘤的体细胞SNVs突变没有偏好性,而复发肿瘤显示出C>A、C>T、T>A的突变而且具有转录链偏好性;SNVs的组成在治疗后发生改变,但多次复发肿瘤的SNVs具有相似性。虽然SNV突变不具有保守型,但是原位肿瘤和复发肿瘤中断点突变(breakpoints)的保守型很强。两者间73%的断点突变显示出保守性。同一个体的原位和复发肿瘤样本中,仅有110个原位肿瘤断点突变在复发肿瘤中检测不到,说明结构变异(structuralvatiants,SVs的形成是ETMR肿瘤发生的早期事件。那么,什么导致ETMR中断点突变的产生?
 
R-loops是RNA聚合酶暂停时形成的结构,能导致非模版链DNA环移动,造成DNA损伤。R-loops可以在解旋酶活性被破坏后形成,促进转录和复制的碰撞,导致染色体的不稳定。ETMRs中DNA/RNA解旋酶的表达和解旋酶活性有关的过程被上调,提示R-loops可能在断点突变的形成中起作用。ETMRs中R-loops主要位于转录起始位点、CpG岛等;19号染色体上具有高密度的R-loops,但仅在ETMRs中C19MC周围有一个较大的峰值。同时,很多断点与R-loops具有重叠,且断点的形成与R-loops富集的区域具有强相关性;对比位于R-loops内、外的断点数量,发现R-loops中的断点具有富集性,而且断点在R-loops 中富集特异性地发生在ETMR中。R-loops可能在ETMRs的断点突变产生中有重要作用。大多数ETMRs中存在miRNA相关的变异,而DICER1等多种miRNA处理因子与R-loops的形成相关。Dicer1敲除细胞导致R-loops和双链断裂增加,表明在ETMRs中,R-loops可能导致染色体不稳定性,而miRNA处理缺陷导致R-loops增加。


 
最后,研究人员探究R-loops是否可以作为治疗靶点。该研究团队之前报道过ETMRs对拓扑异构酶I(TOP1)的抑制剂高度敏感【3】,TOP1可以调控R-loops的形成。而topotecan和irinotecan通过将TOP1与DNA共价连接而起到TOP1毒素的作用;PARP1能够通过parylation修饰释放TOP1。研究人员使用PARP和TOP1抑制剂的联用提高R-loops的水平,发现两者具有协同作用,降低ETMRs细胞的生存,且这种协同作用更依赖于TOP1抑制剂。TOP1抑制剂增加细胞核中R-loops的数量,而PARP抑制剂不能;但两者联用大幅增加R-loops并导致DNA损伤,R-loops的增加导致DNA损伤。因此,PARP和TOP1抑制剂在ETMRs中具有协同作用,两者联用或可成为ETMR患者的治疗方案。
 
 
 
总的来说,本研究充分描绘了ETMRs肿瘤的原位和复发的分子图谱,并揭示出R-loops的上调导致基因结构变异,造成基因组不稳定性,同时证明靶向R-loops或将是治疗ETMRs的有效策略,为我们理解ETMRs肿瘤的病理过程及治疗方法提供了新的视角。
 
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1815-x
 
   制版人:Blingbling
 
 
 
 

参考文献

 
 
1. Korshunov, A. et al. Embryonal tumor withabundant neuropil and true rosettes (ETANTR), ependymoblastoma, andmedulloepithelioma share molecular similarity and comprise a singleclinicopathological entity. Acta Neuropathol. 128, 279–289(2014).
2. Kleinman, C. L. et al. Fusion of TTYH1 withthe C19MC microRNA cluster drives expression of a brain-specific DNMT3B isoformin the embryonal brain tumor ETMR. Nat. Genet. 46, 39–44 (2014).
3. El Hage, A., French, S. L., Beyer, A. L.& Tollervey, D. Loss of topoisomerase I leads to R-loop-mediatedtranscriptional blocks during ribosomal RNA synthesis. Genes Dev. 24,1546–1558 (2010).

 

 
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