标题：The integrated genomic and epigenomic landscape of brainstem glioma
期刊：nature communications
影响因子：14.912
发表时间：2020
摘要
脑干胶质瘤是一组异质性肿瘤，既包括手术切除治愈的良性肿瘤，也包括没有有效治疗的高致死性肿瘤。本文作者对一大组脑干胶质瘤（包括弥漫性固有脑桥胶质瘤）进行了综合研究，包括表观遗传学和基因组分析。在这里，他们根据DNA甲基化数据分为H3-Pons, H3-Medulla, IDH,和PA-like的不同簇，每个簇都与独特的基因组和临床特征相关。H3-PON和-H3-Medulla的大多数肿瘤含有H3F3A突变，但显示出不同的甲基化模式，分别与桥脑或髓质内的解剖定位相关。临床数据显示，这些集群之间的总体生存率存在显著差异，路径分析表明这些样本中存在不同的致癌机制。研究结果表明，整合遗传学和表观遗传学数据有助于更好地理解脑干胶质瘤的发生和分类，并指导未来研究开发新的治疗方法。
背景
脑干胶质瘤是一组起源于中脑、桥脑或髓质的异质性肿瘤。在这些肿瘤中，儿童弥漫性固有桥脑胶质瘤（DIPG）的中位总生存期为9-12个月，由于化疗和放射治疗的不可操作性和耐药性，在过去50年中一直是主要的研究重点。大约80%的儿童DIPG含有影响H3F3A或HIST1H3B/C1的K27M突变。这些K27M突变肿瘤与特别差的预后相关。本文整合了全基因组测序、RNA测序和基于阵列的全基因组甲基化数据分析，以获得这些脑肿瘤分子组成的更全面的图像。
结果
1.患者队列特征
126名患者的肿瘤样本和配对的血液样本。肿瘤部位包括中脑被盖（11/126,8.7%）、顶盖（5/126,4.0%）、桥脑连接（2/126,1.6%）、桥（38/126,30.2%）、小脑中脚（7/126,5.6%）、桥髓（16/126,12.6%）、髓质（42/126,33.3%）和中脑丘脑（5/126,4.0%）。根据WHO分类对肿瘤进行分级，包括8.7%（11/126）WHO I级、41.3%（52/126）WHO II级、31.0%（39/126）WHO III级和19.0%（24/126）WHO IV级肿瘤。最初的组织病理学诊断主要为星形细胞瘤（59,46.8%），其次是少星形细胞瘤（21.4%）、胶质母细胞瘤（19.0%）、毛细胞性星形细胞瘤（PA）（6.3%）、神经节胶质瘤（2.4%）、毛粘液样星形细胞瘤（PMA）（1.6%）、多形性黄色星形细胞瘤（PXA）（0.8%），少突胶质细胞瘤1例（0.8%）。本研究包括的肿瘤的甲基化微阵列（n=123）和RNA测序（RNAseq）（n=75），配对肿瘤和正常（生殖系）对照的全基因组（n=97）和靶向测序（n=21）。
2.甲基化分类显示脑干胶质瘤中不同的H3簇与肿瘤位置相关
利用20000多个探针进行聚类，将样本分成了四类甲基化特征差异的样本。
3.不同甲基化簇的肿瘤的不同的基因组landscape
Fig3.每个样本每个兆基数的突变数。b脑系统胶质瘤样本中的临床信息和基因改变。c每个基因突变的频率。
为了识别这个脑干胶质瘤组群中的体细胞遗传变化，在肿瘤样本和匹配血液中都使用了68个常见突变脑肿瘤基因的全基因组测序和靶向测序。H3-Pons和H3-Medulla都富含H3突变，而PPM1D、FGFR1和NF1的突变频率在H3-Medulla中比在H3-Pons中更高（Fig. 4a）。Fig. 4b每个集群的潜在驱动因素和重大的非编码突变
4.基因表达分析揭示了丰富独特的基因组甲基化集群H3-Pons和H3-Medulla。
5.Fusion genes and copy number alterations.
验证了分析中确定的几个复发性融合基因，包括C15orf57-CBX3基因（n = 3）和NTRK2-其他基因（n =6）。Sanger sequencing是为了确认这些样本中的融合基因和特定 breakpoints 。
6.H3-medulla is correlated with better survival than H3-Pons
分析了不同cluster的生存情况。Kaplan-Meier分析显示，根据这四组甲基化聚类进行分层的患者有明显的生存曲线(图6a)。与H3 clusters相比，IDH表现出更长的总体生存期H3-medulla 和H3-Pons，尽管H3和TP53通路突变的基因改变相似，但总体生存趋势明显(Log-rank检验，p < 0.0001)(图6b)。与其他组相比，PA-like病例显示了更好的总长期生存率。
讨论
通过甲基化数据，本文发现脑干胶质瘤可以分为四种主要的甲基化簇:H3- Pons, H3- medulla, IDH和PA-like。作者在图7中总结了这些亚型的综合遗传和临床特征。研究发现H3突变肿瘤存在两个不同的表观遗传亚群，H3- pons和H3- Medulla。这两组患者的生存趋势有显著差异，H3- pons组比H3- medulla的病程更严重。基于RNA-seq的差异表达分析，发现这些肿瘤具有不同的基因表达途径富集，其中h3 -髓质肿瘤富集于免疫应答相关途径，而更侵袭性的H3-Pons肿瘤富集于细胞周期相关途径。尽管这些肿瘤具有相似的突变模式，核心突变(如H3F3A)有共同的改变，但这些表观遗传和表达模式的显著差异可能表明肿瘤微环境的不同来源或影响，需要进一步研究。这些发现表明甲基化状态可能改善脑干胶质瘤的分类，并指导临床决策。
还利用全基因组测序数据建立脑干胶质瘤的突变格局，发现甲基化模式与突变格局密切匹配。在这些基因簇中发现了几个频繁突变的基因，包括H3F3A、HIST1H3B、IDH1、TP53、PPM1D、ATM、ATRX、FGFR1、PIK3CA、NF1、PTEN、PDGFRA和TCF12。
利用来自不同解剖位置的100多个脑干胶质瘤的整合基因组分析，本文展示了脑干肿瘤的分子图谱，以改进肿瘤分类和了解其分子基础，并识别新的潜在治疗靶点，所有这些都是为了改善这些患者的预后。
