课前准备---脑膜瘤异质性和进化的时空机制(空间 + CNV + 蛋白)

原创

追风少年i

发布于 2024-09-07 11:03:15

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作者，Evil Genius

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肿瘤内异质性是癌症进化和治疗耐药的基础，但驱动肿瘤内异质性的靶向机制尚不清楚。脑膜瘤是最常见的原发性颅内肿瘤，对所有药物治疗都有耐药性，高级别脑膜瘤具有显著的肿瘤内异质性。脑膜瘤占原发性颅内肿瘤的40%以上，大约1%的人在其一生中会患上脑膜瘤。生物信息学研究已经揭示了脑膜瘤发生的机制，但目前的脑膜瘤分类系统可能被肿瘤内的异质性所混淆。虽然大多数脑膜瘤是低级别的，临床表现为良性，但高级别脑膜瘤特别不均匀，容易复发，即使进行手术和放疗治疗，生存率也会降低。

了解将肿瘤内异质性与肿瘤进化联系起来的空间基因组、生化和细胞机制可能揭示药物依赖性。

利用空间转录组学和蛋白质谱分析方法研究来自高级别人脑膜瘤的临床样本

实验设计及工作流程

从9名患者中切除的10例高级别脑膜瘤(指定为M1-M10)的16例颅内样本进行了临床、组织学和分子分析。

10X visium + harmony整合

空间蛋白质谱分析

利用这些临床、组织学、分子和空间数据，研究队列被分为三组，以研究脑膜瘤在分子、时间和空间进化背景下肿瘤内异质性的基因组、生化和细胞机制。研究结果使用多重seqIF显微镜进行验证。502例脑膜瘤单细胞转录组的空间反卷积和大量RNA测序，以及临床前脑膜瘤三维(3D)共培养模型的药理学和活细胞成像。

不同的肿瘤内基因和蛋白表达程序

WHO根据有丝分裂计数、脑侵袭等组织学特征和CDKN2A/B纯合缺失或热点TERT启动子突变等罕见分子特征定义脑膜瘤分级，这些特征足以诊断WHO三级脑膜瘤。大多数世卫组织一级脑膜瘤可通过手术或放疗得到有效治疗，但许多世卫组织二级或三级(高级别)脑膜瘤(占病例的20-30%)对治疗具有耐药性，并导致严重的神经系统发病率和死亡率。形态学特征可影响脑膜瘤WHO分级，与BAP1失活突变相关的横纹肌形态也与高级别行为相关。因此，目前的临床分类系统将不同致癌突变的脑膜瘤归为同一高级别组，这可能无法为临床试验提供最佳框架。为了确定高级别脑膜瘤是否与肿瘤内趋同或发散的基因或蛋白表达程序相关，我们研究了BAP1失活(M1)的高级别脑膜瘤的空间基因组和生化机制。来自三名不同患者的CDKN2A/B纯合缺失(M2)或TERT启动子突变(M3)。将来自高级别脑膜瘤的结果与来自组织学上定义的WHO 1级脑膜瘤(LGM1和LGM2)的另外4,426个空间转录组进行比较，这些转录组缺乏与不良临床结果相关的不利CNV或SSV。通过样本整合和Harmony的批量校正，对M1-M3、LGM1和LGM2的空间转录组进行差异表达分析，在5个肿瘤中发现了10个簇，与高级别脑膜瘤相比，WHO 1级脑膜瘤的多样性和簇数减少。空间CNV分析识别肿瘤异质性。

空间蛋白谱验证了高级别脑膜瘤空间转录组间的不同信号传导机制，并揭示了M1-M3中细胞增殖、应激、微环境、免疫和生长因子信号通路的异质性。具有不同致癌突变的高级别脑膜瘤通过不同的肿瘤内基因和蛋白质表达程序来区分。

空间亚克隆CNVs、信号传导机制和细胞类型

然而，高级别脑膜瘤的局部复发是常见的，复发是标准干预无效的脑膜瘤患者死亡的主要原因。脑膜瘤抵抗治疗的机制尚不清楚。为了解决这个问题，在组织学和分子分类系统的背景下，研究了原发性和复发性高级别脑膜瘤的空间基因组学、生化和细胞机制，这些脑膜瘤在原发性和复发性切除之间接受了放疗。

在配对的复发性脑膜瘤和原发性脑膜瘤中，bulk分子方法显示出更高的基因表达风险评分、增加的CNV负担和侵袭性的致癌突变，如TERT启动子突变或CDKN2A/B纯合缺失。

尽管使用Harmony进行了样本整合和批量校正，但在配对的原发性和复发性脑膜瘤中，空间基因表达程序存在差异。合并CNVs可以改善脑膜瘤预后的预后模型，但脑膜瘤CNVs的空间结构和随时间的演变尚不完全清楚。为了确定亚克隆cnv的空间扩增是否导致高级别脑膜瘤复发，我们使用intercnv对来自配对原发和复发脑膜瘤空间转录组的cnv进行反卷积。空间投影验证了来自配对样本的复发性脑膜瘤的CNVs，而不是原发性脑膜瘤。空间投影还在配对原发肿瘤的亚克隆空间转录组中发现了来自复发性脑膜瘤的克隆性CNVs，这些转录组低于使用大块分子方法检测的极限。为了支持这些数据，空间转录组显示MAPK靶基因(RAB7, MAPK11和PLCE1)和表观遗传调控因子(SMARCA2)的表达减少，这些基因在配对的复发性脑膜瘤和原发性脑膜瘤中通过拷贝数缺失而丢失。有趣的是，与患者匹配的覆盖于枕叶皮层的原发性(M7)和复发性(M7 ')脑膜瘤相比，覆盖于额叶皮层的颅内脑膜瘤(M8)也表现出不同的组织学、SSV、CNV和空间转录组结构。这些数据表明，即使在个体患者中，区域不同的脑膜瘤也可能与不同的基因组特征相关。