發現代謝組學擴展了對于三陰性乳腺癌的精準醫療
文章標題：Comprehensive metabolomics expands precision medicine for triple-negative breast cancer
發表期刊：Cell Researc
發表時間：2022年2月
影響因子：25.62
合作客戶：復旦大學附屬腫瘤醫院
百趣生物提供服務：發現代謝組學-親水版、發現代謝組學-親脂版、靶標驗證以及代謝流
復旦大學附屬腫瘤醫院乳腺外科邵志敏教授、江一舟教授領銜團隊成功繪制出當前世界上最大規模的三陰性乳腺癌代謝物圖譜，優化了既往分型標準，為三陰性乳腺癌（TNBC）的精準個體化治療提供新方向。
作為三陰性乳腺癌“復旦分型”研究的延續，該研究團隊還針對目前療效最差的兩個三陰性乳腺癌亞型，提出對代謝通路中的關鍵代謝物鞘氨醇-1-磷酸和N-乙酰-天冬-谷氨酸的合成進行抑制，有望成為此類乳腺癌的精準靶向治療的潛在策略。
在此之前，研究團隊于2019年在國際上率先繪制出全球最大三陰性乳腺癌多組學圖譜，并據此提出三陰性乳腺癌“復旦分型”，將三陰性乳腺癌分為了4個不同的亞型：免疫調節型、腔面雄激素受體型、基底樣免疫抑制型、間質型。并通過大量數據的綜合分析，發現三陰性乳腺癌的代謝基因特征在不同樣本中存在顯著差異。多種生物信息學算法計算的結果提示，根據代謝基因的差異可以將三陰性乳腺癌分成三個代謝亞型，分別為脂質合成型、糖酵解型以及混合型。每種代謝亞型可采用不同的治療手段，并可能在未來推向臨床。相應研究成果發表于國際著名期刊《細胞代謝》（Cell Metabolism）
往期推文可點擊鏈接查看：三陰性乳腺癌“復旦分型”再開新路，治療需要“各行其道”
研究結果
圖1.TNBC中極性代謝組和脂質組檢測流程
研究首先展示了代謝物分析的工作流程和研究隊列的概況。本研究注釋了594種極性代謝物和1944種脂質代謝物，與以往研究注釋的代謝物數量和樣本數量相比，新開發的TNBC代謝組學數據集樣本量大，注釋到的代謝物多，是研究TNBC代謝重編程的重要資源。
圖2.三陰性乳腺癌的代謝組學格局
研究發現了452種代謝物在腫瘤與正常組織中存在差異（腫瘤中高表達417種，低表達35種）。腫瘤中富集的代謝物主要涉及甘油磷脂代謝、氨基糖和核苷酸糖代謝途徑。應用SNF方法對TNBC進行代謝物分型，探討TNBC在腫瘤間代謝組學上的異質性。通過此分析，TNBC可分為三個亞組。代謝組學C1亞型具有鞘脂類和脂肪酸富集的特征，而代謝組學C2亞組具有糖代謝、核苷酸代謝和氧化反應上調的特征。代謝組學C3亞組與正常組織相比存在相對較低程度的代謝紊亂。
圖3.極性代謝組和脂質組與基因組特征之間的系統評價
基于Recon3D數據庫，分析了極性代謝物豐度與配對代謝基因mRNA表達之間的相關性。進一步利用TNBC多組學隊列的體細胞突變和拷貝數數據，分析代謝物和腫瘤基因組改變之間的關系。研究顯示了12p13的拷貝數擴增與神經遞質-氨基丁酸(GABA)和N-乙酰-天冬氨酸-谷氨酸(NAAG)的豐度呈正相關。綜上所述，通過對基因組特征與代謝物之間的關聯進行分析，可能為TNBC中代謝重編程的驅動力的研究提供了線索。
圖4.通過機器學習方法實現，代謝組分型細化了BLIS腫瘤的轉錄組分型
在轉錄組亞型方面，LAR亞型幾乎與代謝組C1亞型相重疊，BLIS、免疫調節(IM)和間充質樣(MES)亞型主要分為代謝組C2和C3亞型。在代謝基因分型（MPS）方面，MPS1亞型與代謝組C1亞型高度一致，而MPS2和MPS3亞型與代謝組C2和C3亞型交織。作者還探討了代謝組學亞型的預后價值，并證明了BLIS腫瘤包含兩個具有預后差異的代謝組學亞組。在調整了腫瘤大小、陽性淋巴結數量和同源重組缺陷評分后，代謝組學亞型仍是BLIS腫瘤中一個獨立的預后因素。通過機器學習的方法建立一個簡化的BLIS腫瘤代謝組學分型系統，研究發現Lasso方法和SVM方法在試驗隊列中均具有良好的預測效果。通過受試者工作特征(ROC)曲線以及所納入的6種代謝物的貢獻，進一步證明了Lasso模型的預測效果。轉錄組學(LAR)亞型與代謝組學C1亞型重疊，基底樣免疫抑制(BLIS)亞型包含兩個具有預后差異的代謝組學亞型C2和C3亞型。
圖5.LAR亞型神經酰胺代謝分析顯示S1P是一個潛在的治療靶點
轉錄組LAR亞型幾乎與代謝組學C1亞型重疊，并以鞘脂代謝相關代謝物的富集為特征。因此，作者詳細分析了LAR亞型的鞘脂代謝途徑，以確定LAR腫瘤的關鍵代謝物。與正常組織和非LAR腫瘤相比，LAR腫瘤的特征是神經酰胺的富集。進一步對代謝物和相關代謝基因mRNA表達的通路分析顯示，在LAR腫瘤中，神經酰胺通路的從頭合成和降解更活躍，而與非LAR腫瘤相比，糖基和磷酸基的轉移沒有明顯上調。這些結果表明，神經酰胺途徑的從頭合成和降解在LAR腫瘤中起著關鍵作用。作者進一步利用穩定同位素示蹤實驗來說明LAR亞型中神經酰胺途徑的活性從頭合成和降解的活躍。作者進一步系統地阻斷了細胞系和患者來源的類器官(PDO)模型中神經酰胺通路的從頭合成和降解的每一步，鑒定出SPHK1和促腫瘤代謝物S1P在LAR腫瘤中的重要性。進一步使用小型患者來源的異種移植瘤(mini-PDX)模型測試了PF543和FTY-720的療效。與PDO模型的結果一致，LAR亞型的mini-PDX模型對PF-543和FTY-720的處理更為敏感。
綜上所述，研究結果表明，神經酰胺通路的重要中間體S1P在LAR腫瘤中發揮了關鍵作用。PF-543和FTY-720可能是一種亞型特異性的治療方法LAR腫瘤。
圖6.NAAG在BLIS腫瘤中被鑒定為一種重要的促腫瘤代謝物
作者進一步探索了BLIS腫瘤中重要的促腫瘤代謝物。在分析了高危的BLIS腫瘤中特異性上調和預測不良預后的代謝物后，確定了NAAG是一個潛在的候選基因，并通過與化學標準品對比進一步驗證了該代謝物的鑒定準確性。據報道，兩種酶RIMKLA和RIMKLB負責NAAG的產生。由于RIMKLB在轉錄組水平上的含量明顯高于RIMKLA，且與NAAG的豐度呈正相關，作者推測RIMKLB是決定TNBC中NAAG水平的關鍵酶。當用shRNA敲除HCC1806和LM2-4175細胞系中的rimklb時，我們觀察到NAAG豐度顯著下降，同時生長速率和遷移和侵襲能力下降。加入50μM NAAG后，rimklb敲低對腫瘤的抑制作用得到部分恢復。在體內進一步驗證了rimklb和NAAG的作用。通過補充NAAG可以部分挽救rimklb敲低導致的腫瘤生長顯著下降。
研究小結
本研究利用這個大型TNBC代謝組學數據集，描述了TNBC的代謝組學圖譜，揭示了TNBC的代謝異質性。此外，通過基因組學、轉錄組學和代謝組學數據的綜合分析，本研究鑒定了TNBC的亞型特異性代謝組學治療靶點，將進一步推動TNBC的精確治療。
文/阿趣代謝組學