Cell重磅：中國科學家揭示肝癌3種分型和發病機制

肝癌是我國最常見的惡性腫瘤之一，主要包括兩種病理組織學類型，分別為肝細胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）和肝內膽管細胞癌（intrahepatic cholangiocarcinoma，iCCA），HCC占我國肝癌總數的83.9% ~ 92.3%。慢性乙肝病毒（hepatitis B virus，HBV）感染是導致我國肝癌發生的最主要原因，約85%的肝細胞癌患者攜帶HBV感染標志【1】。TCGA（The Cancer Genome Atlas）等基因組研究工作廣泛揭示了HCC的遺傳學圖景【2-4】，初步闡明了肝癌的關鍵基因和信號通路，但并非所有癌癥的DNA水平變異都具有明確的生物學意義。肝癌的發生發展是一個多步驟過程，受到機體的系統性調控，尤其對于感染HBV的肝癌，基因突變會對表型產生怎樣的影響，相關的研究報道較少。

2019年10月3日，復旦大學附屬中山醫院樊嘉院士、中國科學院上海藥物研究所周虎研究員及中國科學院生物化學與細胞生物學研究所高大明研究員研究組合作在Cell上發表題為Integrated Proteogenomic Characterization of HBV-related Hepatocellular Carcinoma的論文。該研究對159例感染HBV的中國HCC病人的肝細胞癌（Chinese HCC patients with HBV infection，CHCC-HBV）和配對癌旁肝組織樣本進行了蛋白基因組（proteogenomics）研究，通過檢測和整合分析基因突變、拷貝數變異、基因表達譜、蛋白質組及磷酸化蛋白質組等多維度組學數據，較為完整地揭示了肝癌腫瘤細胞的分子特性，全面解析了肝癌的發生和發展機制，為肝癌的精準分型與個體化治療、療效監測和預后判斷提供了新的思路和策略。

圖1 HBV相關HCC蛋白基因組研究概覽

本研究首先通過解析編碼基因突變圖譜揭示了159例肝癌患者的高頻突變基因，包括TP53（58%）、CTNNB1（19%）、AXIN1（18%）、KEAP1（7%）和RB1（6%）。與TCGA報道的HBV相關HCC病人隊列相比，CHCC-HBV病人隊列中AXIN1（18% vs 8%）、TSC2（7% vs 0%）、SMARCA2（5% vs 0%）、ATRX（5% vs 0%）和KMT2C（8% vs 0%）突變頻率偏高，而CTNNB1（19% vs 35%）、ARID1A（10% vs 16%）和RB1（6% vs 16%）突變頻率偏低，提示我國HBV相關HCC人群具有與西方國家不同的基因突變頻譜。由于我國相當一部分乙肝患者曾服用中藥治療，而根據近年來的報道中草藥含有的I類致癌物馬兜鈴酸（aristolochic acids，AA）可引起肝臟細胞基因組損傷和產生特殊的基因突變指紋，并有可能促進肝癌的發生發展【5】。經研究發現，本隊列中約1/3的肝癌樣本中含有馬兜鈴酸相關的基因突變“指紋”（AA signature），這是目前報道的含有馬兜鈴酸突變“指紋”的最大樣本量的肝癌隊列。同時，利用蛋白質組數據也檢測到了由馬兜鈴酸基因突變“指紋”編碼的變異蛋白。有意思的是，馬兜鈴酸的突變“指紋”與腫瘤突變負荷（tumor mutational burden，TMB）、腫瘤新抗原（neoantigen）、微環境免疫耐受（如CD8+ T細胞浸潤，ICOS、OX40、PD-L1和LAG3等免疫檢查點豐度）顯著相關，提示了對該類肝癌患者應用免疫治療可能會有特殊的療效。

圖2 HBV相關HCC基因突變解析

本研究發現可以根據蛋白質組數據將HBV相關HCC分為三個亞型，分別為代謝驅動型（metabolism subgroup，S-Mb）、微環境失調型（microenvironment dysregulated subgroup，S-Me）和增殖驅動型（proliferation subgroup，S-Pf），這三個亞型與基因組穩定性、癌栓有無、甲胎蛋白（alpha fetoprotein，AFP）豐度及RB1和TSC2基因突變等特征顯著相關。更重要的是，三個亞型的臨床預后顯著不同，其中代謝驅動型（S-Mb）的腫瘤中代謝相關蛋白（如ACAT1、ADH1A、G6PC和PGM1等）相對高表達，提示其保留了部分正常肝功能，預后最好；增殖驅動型（S-Pf）的腫瘤中增殖相關蛋白相對高表達（如PARP1、TOP2A、PCNA和MKI-67等），預后最差；微環境失調型（S-Me）的腫瘤中免疫、炎癥和基質相關蛋白相對低表達（CD4、CD8A、S100A12、SPARC和ITGB3），其患者預后介于增殖驅動型與微環境失調型之間。值得指出的是，對于36例蛋白分型和mRNA分型歸類不一致的樣本，蛋白分型可以提供更好的預后分離效果（蛋白分型HR=2.194 vs mRNA分型 HR=1.065）。而且，基于蛋白質組的分子分型的預后價值不依賴于臨床上常用的TNM分期，有望為肝癌的分子分型、個性化精準治療和臨床預后判斷提供指導（圖3）。

圖3 HCC三個亞型與預后顯著相關

通過監督學習（supervised-study）方法，研究人員鑒定到兩個與預后顯著相關的蛋白質PYCR2和ADH1A。PYCR2是參與脯氨酸合成的關鍵酶，與癌旁肝組織樣本相比，在癌組織中顯著高表達，且表達越高預后越差；ADH1A參與肝臟的氧化還原-解毒代謝功能，在癌組織中顯著低表達，且表達越低預后越差。該研究利用獨立于本研究的組織芯片（含有243個HBV-HCC樣本）進行多色免疫熒光分析，驗證了PYCR2和ADH1A表達與預后的相關性，說明其具有潛在的臨床預后指示應用價值。

該研究還發現，HBV編碼的mRNA和蛋白質在癌組織樣本中表達低于癌旁組織。SLC10A1是肝臟特異表達的膽汁酸轉運蛋白，同時也是HBV感染肝細胞的受體。研究發現SLC10A1表達水平在癌組織中顯著降低，并與病人的預后相關，表達越低預后越差。根據報道，HBV編碼基因的轉錄及膽汁酸代謝相關基因的表達由同一套轉錄因子（FXR、RXR等）調控，這些轉錄因子在肝癌組織中的低表達會同時導致膽汁酸代謝受阻和HBV基因表達下調，因而是肝癌組織不同于癌旁組織的一個重要分子特征。作者還發現，參與肝臟器官特異性代謝的蛋白質在腫瘤中表達下調，主要包括參與糖異生、解毒和尿素-氨代謝等肝臟特異性的代謝通路。而參與腫瘤細胞增殖相關代謝的蛋白質，如膽固醇代謝的關鍵酶（SOAT1、SOAT2和HMGCR等）和谷氨酰胺代謝相關蛋白（GLS和GLUD2），在腫瘤中表達上調。這些數據提示了在HBV相關HCC中，肝臟器官特異性代謝功能的喪失及腫瘤細胞代謝重編程的激活（圖4）。

圖4 感染HBV的HCC的特異性分子特征

最后，該研究還利用多組學數據系統性檢測了細胞代謝和信號通路在肝癌中的變化規律。代謝途徑方面，發現糖酵解和脂肪酸代謝在癌組織中整體上調，而膽汁酸代謝整體下調；而癌組織中的WNT、Hippo-YAP、mTOR信號通路沒有表現出整體性的上調，而磷酸化smad2/3信號在多數癌組織中上調，提示TGF-β信號通路的激活是HBV相關HCC中一個較為普遍的特征。

該研究還重點關注了肝癌中最重要的基因突變之一，CTNNB1突變型和野生型肝癌在蛋白質和磷酸化位點上的差異，并發現CTNNB1突變與果糖二磷酸醛縮酶A（ALDOA）第36位絲氨酸（Ser36）的磷酸化相關。而進一步的體內外功能研究表明，ALDOA磷酸化促進了肝癌細胞的無氧糖酵解代謝，并可以顯著促進肝癌細胞的的增殖及裸鼠體內成瘤，且在過表達突變型CTNNB1的肝癌細胞中敲減ALDOA可以更顯著地抑制細胞增殖。因此，ALDOA可能是靶向存在CTNNB1突變肝癌的一個重要潛在靶點。

綜上所述，該工作對中國人群的大隊列HBV相關HCC樣本進行了深入的蛋白基因組研究，為深入理解肝癌的發生發展機制和推進肝癌的臨床精準診療提供了重要的數據及理論支持。這也是繼年初賀福初院士團隊與樊嘉院士團隊在Nature發表運用蛋白組學方法發現早期肝癌新藥物靶點的研究（專家點評Nature丨中國科學家發現肝癌精準治療新靶點——開啟蛋白質組學驅動的精準醫學新時代）【6】之后，我國科學家運用系統生物學技術在肝癌研究領域的最新力作。

據悉，樊嘉院士、周虎研究員和高大明研究員為本文共同通訊作者，中山醫院高強教授、中國科學院上海藥物研究所朱洪文博士、中山醫院董良慶博士、至本醫療施巍煒博士及中國科學院生物化學與細胞生物學研究所博士研究生陳然為本文共同第一作者。這項工作得到了美國國立癌癥研究院Henry Rodriguez教授、美國貝勒醫學院章冰教授、華盛頓大學基因研究所Li Ding教授、美國西奈山伊坎醫學院Pei Wang教授的大力支持。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.052 

參考文獻

1 Prevention of Infection RelatedCancer Group, S. C. o. C. P. et al.[Strategies of primary prevention of liver cancer in China: Expert Consensus(2018)]. Zhonghua zhong liu za zhi[Chinese journal of oncology] 40,550-557, doi:10.3760/cma.j.issn.0253-3766.2018.07.013 (2018).

2 Totoki, Y. et al. Trans-ancestry mutational landscape of hepatocellularcarcinoma genomes. Nature genetics46, 1267-1273, doi:10.1038/ng.3126(2014).

3 Schulze, K. et al. Exome sequencing of hepatocellular carcinomas identifiesnew mutational signatures and potential therapeutic targets. Nature genetics47, 505-511, doi:10.1038/ng.3252 (2015).

4 Cancer Genome Atlas ResearchNetwork. Electronic address, w. b. e. & Cancer Genome Atlas Research, N.Comprehensive and Integrative Genomic Characterization of HepatocellularCarcinoma.Cell 169, 1327-1341 e1323, doi:10.1016/j.cell.2017.05.046 (2017).

5 Ng, A. W. T. et al. Aristolochic acids and their derivatives are widelyimplicated in liver cancers in Taiwan and throughout Asia.Science translational medicine9,doi:10.1126/scitranslmed.aan6446 (2017).

6 Jiang, Y. et al. Proteomics identifies new therapeutic targets ofearly-stage hepatocellular carcinoma. Nature 567, 257-261,doi:10.1038/s41586-019-0987-8 (2019).