肿瘤分型，如何整合多组学数据发表高分文章？

导语

目前的预后工具很难对胃癌（GC）进行分型或者有效治疗。 

背景介绍

今天小编为大  家带来一篇整合转录组、蛋白组、代谢组做肿瘤分型的方法。文章发表在8分+的Front. Immunol上，题目为Integration of transcriptomics, proteomics, and metabolomics data to reveal HER2-associated metabolic heterogeneity in gastric cancer wit  h response to immunotherapy and neoadjuvant chemotherapy。

数据介绍

从大连医科大学附属第一医院收集112例胃癌患者和112名健康志愿者。收集了临 床病理学资料，包括年龄、性别、发病部位、TNM分期、转移部位和组织学分化。

转录组和蛋白质组（包括392个胃癌样本）数据来自TCGA、GTEx和癌症蛋白质组图谱（TCPA）项目 。

研究设计          

图1

结果解析
01   ERBB2在胃癌中的表征  

ERBB2在多种癌症中发挥作用。ERBB2表达与胃癌之间的密切关联主要体现在免疫和代谢性状方面。ERBB2的mRNA水平在包括胃癌在内的大多数恶性肿瘤中显著升高。G3和G4期的胃癌患者的ERBB2表达低于G1和G2期，这表明较低的ERBB2表达与胃癌患者的不良结局相关。

虽然ERBB2表达与胃癌的分期和复发之间没有显著关联，但ERBB2是免疫微环境和GC代谢重塑的关键调节因子（图2A，B）。ERBB2表达与胃癌中单核细胞、M1巨噬细胞、M2巨噬细胞、髓系树突状细胞、癌症相关成纤维细胞、幼稚CD4+T细胞、CD8+T细胞、γδT细胞、辅助性T细胞2（Th2）细胞和B细胞的浸润水平呈负相关，但与胃癌中M0巨噬细胞、中性粒细胞、记忆CD4+T细胞和T滤泡辅助细胞（Tfh）的浸润水平呈正相关。

图2

此外，ERBB2表达与胃癌中的许多典型免疫途径（例如抗原加工和呈递，细胞因子受体相互作用，趋化因子信号通路，自然杀伤（NK）细胞介导的细胞毒性和Toll样受体信号通路）呈负相关（图2A）。ERBB2表达与胃癌中的许多典型代谢途径（例如硫代谢;鞘脂代谢;组氨酸代谢;糖酵解/糖异生（GG）代谢;甘油磷脂代谢和丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸（AAG）代谢）呈正相关（图2B）。

02   ERBB2/HER2与胃癌患者免疫状态和代谢特征  

针对ERBB2在免疫微环境和泛癌代谢重编程中的关键作用，作者广泛研究了ERBB2基因及其蛋白产物HER2与胃癌免疫代谢调控的关系。基于TCGA-STAD和TCPA-STAD队列，作者整合了胃癌患者的转录和蛋白质组表达谱，并使用ssGSEA算法计算了每位患者的免疫细胞浸润（ICI）丰度和免疫功能评分。

Spearman相关性分析揭示了ERBB2基因及其蛋白质产物HER2与胃癌患者的免疫状态之间存在负调控关系（图2C，D）。MsigDB鉴定了经典的免疫和代谢途径（图2E，F）。结果显示，ERBB2参与胃癌中许多免疫途径的调节，包括抗原呈递，T细胞和B细胞受体信号通路，细胞周期，趋化因子信号通路，细胞因子相互作用，NK细胞介导的细胞毒性，转化生长因子β信号通路和Toll样受体信号通路（图2E)。此外，ERBB2在胃癌的代谢途径中起关键作用，包括AAG，α亚麻酸，精氨酸和脯氨酸，谷胱甘肽，甘油脂，组氨酸，嘧啶和胃癌代谢（图2F）。

03   胃癌的代谢景观  

作者进行了胃癌的代谢组学分析。使用“limma”包鉴定了859种代谢物（129种上调和730种下调），在胃癌患者和健康个体之间表现出明显的丰度变化。许多氨基酸在肿瘤中具有高度代表性和丰富性，包括L-胱氨酸，N-乙酰谷氨酸，N-乙酰基-L-丙氨酸和L-天冬氨酸（图3A）。此外，发现许多脂质代谢物的胃癌水平降低（例如LPC，PC和Cers），这在以前很少报道。

图3

为了分析与胃癌发病机制相关的代谢异常，对224份匹配的外周血样本中的差异表达代谢物进行了基于KEGG通路的分析。这些差异表达代谢物主要富集AAG，精氨酸，乙醛酸和二羧酸代谢。

04   加权代谢物共表达网络  

作者对胃癌样本进行聚类。平均连锁分层聚类后共保留24个代谢物模块。浅青色、午夜蓝和黑色模块与HER2表达显著相关，鉴定出这3个模块中的34种高连接代谢物并保存以供进一步分析。

这34种代谢物的表达和51个胃癌样本在不同HER2表达亚组中的临床性状分布如图3B所示。作者研究了这34种代谢物与112例胃癌患者的肿瘤分期、分级和类型之间的潜在关系。

此外，使用皮尔逊相关分析建立MMI网络，揭示了上述34种HER2共表达代谢物的重要作用（图3C）。将这些代谢物进一步提交给MetaboAnalyst 5.0和MBROLE 2.0平台，以确定与HER2表达密切相关的潜在代谢途径，结果显示AAG和GG代谢与HER2表达密切相关（图3D，E）。

05   鉴定胃癌的四个不同代谢亚组  

使用TCGA-STAD队列的RNA-seq数据并根据GG和AAG代谢相关基因对胃癌患者进行分层。 作者 使用一致性聚类来识别两组强共表达的GG和AAG代谢途径相关基因，用于代谢亚型并选择每个途径内共调控并与胃癌生物学相关的基因。计算每个样品共表达的GG和AAG代谢 相关基因的中位表达水平，并用于指定与这两种途径特别相关的以下四种代谢谱之一：quiescent，GG，AAG和混合亚型（图4A）。

图4

GG和AAG代谢相关基因在代谢亚组中的表达 谱如图 4B 所示。 对总生存期和疾病特异性生存期的分析显示，四个代谢亚组的预后差异显著，这表明代谢亚型的分类具有临床意义（图4C，D）。 GG代谢亚型中的ERBB2表达低于其他三种亚型（ 图4E ）。

为了确定新建立的代谢亚型的表达模式是否可能是以前已知的免疫亚型之间差异的基础，作者研究了研究队列中每个样本的各种GC免疫亚型。 GG亚型的炎症表型患病率显著，这可能导致其预后不良。

图5

突变谱分析表明，四种亚型之间的SNV和CNV突变存在一些差异 。虽然这些差异并不显著，但它们可能在具有不同代谢亚型的患者的预后中发挥作用。 不同代谢亚型特定分子的功能注释存在显著差异。静止亚型的特征是调节白细胞迁移、上皮细胞发育和分化、线粒体呼吸体和内质网-高尔基体中间区室（ 图 5A ）。GG亚型的特征是增强细胞粘附，整合素结合，糖胺聚糖结合和细胞对生长因子刺激的反应调节（ 图5A ）。AAG亚型主要富集于调节细胞酰胺代谢、含线粒体蛋白复合物、核DNA复制、有丝分裂核分裂和蛋白酶体核心复合物（ 图5A ）。混合亚型主要 富集于染色体分离、有丝分裂细胞周期过程、剪接体复合物和泛素连接酶复合物的调节（图5A）。

为了进一步检查肿瘤微环境中免疫细胞浸润的丰度，使用了各种算法来估计不同代谢亚型的ICI水平。 ESTIMATE和免疫细胞丰度标识符（ImmuneCellAI）算法都显示，在GG亚型中检测到更高的ICI评分（ 图5B ， C ）。同样，其他ICI评估算法（例如TIMER，CIBERSORT，QUANTISEQ，MCPCOUNTER，XCEL和EPIC）表明，参与先天性和适应性免疫应答（包括巨噬细胞，CD8 + T细胞，CD4 + T细胞和B细胞）的细胞浸润在GG亚型中显着更高（ 图5D ）。此外，GG亚型表现出相对较高的免疫检查点基因表达水平（ 图5E ）。GG亚型中免疫细胞的高浸润可能是局部免疫功能被检查点抑制的代偿现象，这可能是GG亚型预后不良的原因。

06   药物敏感性和免疫治疗  

使用“pRRophetic”R包测定每个样品的常用化疗药物和靶向药物的IC50值。如图6A所示，GG亚型对普纳替尼、贝沙罗汀、二甲基草酰甘氨酸、吡替利西布、伊马替尼、帕唑帕尼、PD173074、克唑替尼和舒尼替尼的IC50值较低，表明该亚型患者可能对这些化疗药物极其敏感。然而，混合亚型患者对顺铂、多柔比星、依坡霉素B、吉西他滨、甲磺酸奥巴托克拉和替匹法尼布更敏感（图6B）。

如图6C所示，静止和AAG亚型具有更有利的免疫治疗反应，这表明具有这些亚型的GC患者可能受益于免疫检查点阻断治疗。使用TIDE进行的分析表明，静止亚型和AAG亚型的排除评分较低，表明具有这些亚型的GC患者不太可能抵抗免疫治疗（图6D）。此外，使用TCIA进行的分析显示，PD-1阻塞，CTLA4阻塞和关节阻塞可能对静止亚型患者更有益（图6E-G）。

图6

小编总结

本研究基于HER2相关代谢途径，开发了一种多组学整合策略，揭示胃癌的代谢异质性及其临床应用价值。

作者首先以多方面的方式表征了ERBB2在多种癌症中的特征。研究结果表明，ERBB2表达在大多数肿瘤类型中显著上调，与肿瘤分期、分级、复发、预后、免疫微环境和代谢重编程密切相关。ERBB2表达增加与胃癌患者无病期延长密切相关。更重要的是，ERBB2表达负调控各种先天性和适应性免疫应答，但与胃癌中GG、AAG、硫和甘油磷脂代谢的活化呈正相关。

为了检查胃癌患者的整体代谢情况，使用使用血清样本对112名胃癌患者和112名健康个体进行了代谢分析。结果揭示了胃癌发病过程中的代谢变化，并确定了与胃癌的出现和发展相关的代谢变化网络，包括AAG，精氨酸，乙醛酸和二羧酸代谢。WMCNA用于确定涉及34种与HER2表达显着相关的候选代谢物的三个代谢模块。在这些共表达的HER2代谢物中，AAG代谢途径的组分L-天冬氨酸被认为是GC病理生理过程中的中心代谢物。作者发现GC中L-天冬氨酸的显着上调与肿瘤的分期，等级和类型以及HER2表达密切相关。这些HER2共表达的代谢物主要富集在AAG和GG代谢中，这与转录组学分析的结果一致。

此外，作者研究了不同代谢亚型在转录组水平上预后差异的潜在原因。首先，作者检查了四种代谢亚型中的CNV和SNV，发现具有不同代谢特征的GC患者的突变谱略有差异。随后，对各代谢亚型特定分子的功能富集分析显示，GG亚型与细胞粘附、整合素结合、糖胺聚糖结合和生长因子反应密切相关，提示其与预后不良有关。不同代谢亚型的肿瘤微环境表现出明显的异质性，GG亚型表现出较高水平的免疫细胞浸润和免疫检查点基因表达。GG亚型患者预后最差的原因之一是免疫检查点的过度活跃削弱了肿瘤微环境中的抗肿瘤免疫应答。