看似相同的腫瘤患者對治療的反應可能會有很大的不同。眾所周知，體細胞突變對藥物療效有很大影響，但是胚系突變對藥物敏感性影響則少有研究。本研究首次系統闡述了先天的胚系突變與藥物敏感性的關系。研究人員使用胚系突變和體細胞突變進行聯合分析，用之前篩選來自993個細胞株和265種藥物敏感性的數據。研究人員驚訝發現，胚系突變對藥物敏感性變化的影響可能與體細胞突變引起的影響一樣大或更大。有些甚至有直接關系。研究人員最后以最為顯著的17-AAG應答作為例子，展示了胚系信息與轉錄數據的結合可以用來改善病人分層 、確定新的藥物敏感性標記物 。
研究背景
癌癥中個性化治療的核心前提是根據腫瘤的分子特征來預測藥物反應，從而為治療決策提供信息。現在許多項目比如CTD（癌癥靶向研究）、CCLE（癌癥細胞系百科全書）等研究篩選了數百種來自多種癌癥類型的細胞系，評估它們對不同化合物的敏感性（主要是靶向治療）。通過將細胞系的分子特征與藥物敏感性表型的相關聯，來鑒定遺傳和非遺傳的生物標志物。
雖然越來越深入的分子特征分析有助于改善藥物敏感性的預測，但遺傳標記仍然是個性化治療的核心。這是因為癌癥亞型的特征在于腫瘤的突變譜，但也因為遺傳變異數據在臨床實踐中最容易獲得。以前的體外篩選分析主要集中在體細胞變異，相比之下，遺傳的胚系變異與藥物敏感性的相關性仍然很大程度上未知，同時某些研究發現胚系變異和體細胞突變都可解釋藥物敏感性的變化。本文中，研究人員發現，泛癌設計中兩種變異的整合可以提供新的治療方法，通過（i）改善藥物敏感性預測（圖 1a）和（ii）提供額外的藥物效用胚系生物標記（圖 1b）。這兩種遺傳信息在臨床上可通過相同的測序實驗同時獲得，而且胚系遺傳背景在患者的細胞中是穩定的。
圖1
研究成果
1. 鑒定癌細胞系中的胚系變異
研究人員選取了GDSC篩選的最新數據，包括993種細胞系（來自30種癌癥類型）的體細胞變異數據和265種藥物化合物的藥物敏感譜。研究人員重新分析了原始芯片數據以獲取胚系變異。在此基礎上，研究人員采用了統計學推算（imputation），并且評估了局部連鎖不平衡，從而大大擴展了可能的胚系變異數據。
2. 預測胚系和體細胞變異的藥物反應
研究人員分別使用體細胞突變，體細胞突變和胚系變異的組合來訓練藥物敏感性的多元線性回歸模型（圖 1a）。綠色部分代表聯合模型較體細胞突變模型增加的藥敏性關聯。從圖中可發現對于12種藥物，與僅基于體細胞變異的模型相比，考慮胚系變異的模型顯著改善了預測準確性。同時研究人員觀察到該模型在所有藥物中平均選擇了44個胚系變異作為特征，這表明胚系對藥敏性的響應是多基因的。在最引人注目的例子（17-AAG）中，兩種變異的聯合模型解釋了5.1％的表型變異（r = 0.28），而只基于體細胞突變的模型預測僅達到隨機水平（圖 1a）。
為了比較胚系變異和其它分子數據的預測能力，研究人員還使用來自相同細胞系的基因表達譜數據聯合體細胞突變數據訓練模型。發現胚系變異對其中55種藥物來說，比基因表達水平更具預測性。此外，基于DNA的生物標志物在臨床中比基因表達譜數據更容易得到。這說明了胚系變異數據的適用性。
3. 藥物應答的數量性狀基因座
研究人員使用數量性狀基因座（QTL）作圖來檢測與265種藥物中每種藥物反應的遺傳關聯點，同時使用了胚系變異或體細胞突變。發現78種藥物具有至少一種顯著的藥物反應QTL，其中9種是胚系變異（圖2a）。雖然全局來看，體細胞QTL比胚系QTL具有更大的效應大小（0.125、0.049，圖 2b），但兩種QTL類型在變異頻率分層時表現出差不多的效應大小。
在達到顯著性的9個胚系QTL的集合中，除了17-AAG 18的應答QTL之外，其他尚未被報道過。為了評估這些關聯的有效性，研究人員分別篩選了CCLE和CTD 2中的數據進行重分析，發現這些都可被復制（P<>中的腫瘤抑制因子，并且它與黑色素瘤中轉移和細胞增殖活動的減少有關。
圖2
4. 17-AAG應答的胚系QTL的分子機制
17-AAG是觀察到的最顯著的胚系QTL應答藥物，也是第一個達到臨床試驗步驟的HSP90抑制劑。雖然多個變異與17-AAG反應顯著相關（圖 3a），但先前的證據表明rs1800566是該關聯的因果變異，這是人群中的常見變異（等位基因頻率~30％，圖 3f）。此變異先前已被確定為酶活性喪失，多個研究證明其作用于 NQO1的表達。
研究人員使用來自相同細胞系的基因表達數據進行聯合分析，發現NQO1表達水平和胚系變異rs1800566之間的統計學關聯，在任一CC或CT胚系背景的高表達水平都導致藥物功效的增加（圖 3b）。值得注意的是，這些因素沒有關聯，即并沒有發現rs1800566影響NQO1表達水平的實際證據。相反，NQO1表達水平與細胞系起源組織強烈相關（圖 3c）。總之，研究人員提出了一種機制，即NQO1的表達水平是17-AAG藥物反應的主要決定因素，受胚系背景調節。
最后，研究人員探討了如何改善患者分層。通過比較17-AAG與最近的HSP90抑制劑AUY922的藥物敏感性（后者通過獨立于NQO1的機制起作用），發現在TT胚系背景中，AUY922比17-AAG更有效，數據表明，如果NQO1高度表達，17-AAG在CC或CT胚系背景中與AUY922一樣有效（圖 3d）。值得注意的是，與匹配的對照組織相比，NQO1在癌細胞中經常過表達，這有可能被利用來指導NQO1靶向治療。這些結果表明對胚系背景的計算對治療成功至關重要。
圖3
文章總結
本研究系統闡述了胚系遺傳變異對癌細胞系藥物反應的影響。發現體細胞突變和胚系變異的聯合建模可以顯著改善個性化藥物功效的預測。通過比較胚系變異與基因表達譜的預測值，發現基因表達譜對藥物反應的一些預測可以通過潛在的胚系效應來解釋。
除了對藥物敏感性的預測之外，本研究還確定了個體胚系變異與藥物應答之間的關聯，再現了先前已知的變異應答并鑒定了新的關聯。盡管結果與大量已知的藥物應答體內標志物一致，但仍存在無法重現的情況。這些差異有許多可能的解釋，如體外模型的統計功效和局限性。值得注意的是，本研究基于泛癌分析，因此有可能遺漏組織特異性信號。更進一步的分析應為系統性組織特異性分析，但這也需要更大的樣本量。
除了再現已知的關聯外，本研究鑒定了9個重要的胚系QTL，其中大部分尚未報道過（圖4）。該表可能提高對藥物作用的理解。盡管使用獨立的篩選數據成功再現了幾種胚系突變和藥物應答的關聯，但由于胚系和體細胞變異只能在計算上區分，結果仍存在局限性。因此，確定的關聯仍需要額外的體外和體內驗證。
最后，本研究詳述了17-AAG應答的胚系QTL，鑒定了胚系變異和影響17-AAG藥敏性的NQO1表達之間的相互作用，并研究了組織特異性效應。可以預計系統地確定相互作用和組織特異性關聯將為藥物敏感性的個性化模型開辟新的方向。如今進行的使用原發性腫瘤的研究，特別是國際癌癥基因組聯盟（ICGC）和癌癥基因組圖譜（TCGA），開始提供所需的訓練數據規模。可以預見，交互分析將成為充分利用這些數據集的強大工具。
圖4
