基于肿瘤克隆演化树确定免疫治疗靶点的方法研究

The present immunotherapy is effective only for a subset of cancer cells. How to determine the best targets capable of killing all the lineages from many tumor targets is unsolved. In an attempt to establish a computational approach capable of exploiting the immunotherapy targets in cancer genome, we used a set of 23 pairs of cervical cancer exome-seq data as the breakthrough. We have identified the high-frequency mutations and the potential driver mutations, and tried to calculate the tumor clonal structure. When integrating the immunogenic mutations, we found that almost all the immunogenic mutations located in the subclones. Based on these observations, we proposed a “tumor antigen tree” model. To elaborate the tree and to establish a computational pipeline to search for the “trunk or major branch” antigen targets, this proposal will use the cancer driver mutations and the clone structure to build the phylogenetic tree for cancer somatic mutations in the cervical cancer. Based on the tree relationship we will identify the trunk immunogenic mutations which will systematically determine the best or a combination of the the best targets for immunotherapy. It is possible that our approach may be extendable to other cancers or cancer genome databases such as TCGA and CGCC. This proposal would provide a solid foundation for the targets determination for immunotherapy.

目前免疫治疗只能杀灭肿瘤中部分细胞，如何从众多靶点中寻找最佳肿瘤靶点从而杀灭所有肿瘤细胞尚未解决。我们采用23对宫颈癌外显子数据作为突入口，基于体细胞突变，试图建立一套从肿瘤基因组中筛选免疫治疗靶点的计算方法。我们已经确认了高频突变基因和潜在的驱动突变基因，并且试图计算肿瘤的克隆结构。整合突变的免疫原性，我们发现几乎所有免疫原性突变均位于肿瘤子克隆中。基于这些发现，我们提出“肿瘤抗原树”假说模型。为了阐述该模型并且建立寻找“树干或主干”抗原靶点的计算方法，本研究将基于宫颈癌使用肿瘤驱动突变和克隆结构建立起体细胞突变进化树，在此基础上确定枝干免疫原性突变，从而系统性地确定最佳免疫治疗靶点或靶点组合。这套方法也可以被推广到其他癌症或肿瘤基因组数据库如TCGA和CGCC。本项目将为免疫治疗靶点的寻找提供坚实的基础。

肿瘤中拥有大量体细胞突变，并且在病人间存在异质性，解构肿瘤发展过程中突变致病机理，从组学层次进行系统性异质性研究，将有利于制定治疗靶点，寻找个体化治疗方案。本课题围绕宫颈癌组学数据运用生物信息学手段进行多层次挖掘，在突变克隆演化、驱动基因、新致癌基因以及病人新亚群挖掘方面取得了一系列成果。首先基于23例病人体细胞突变构建了每个病人的克隆演化树，发现演化模式主要为线型和分支型，结合突变的免疫原性发现几乎所有病人的子克隆均展示了免疫原性，并且推测FBXW7以及PIK3CA的突变为宫颈癌发病早期事件；接着研究了138个肿瘤驱动基因在不同临床阶段的突变表现模式，发现宫颈癌在不同临床阶段表现为存在不同的驱动基因占主导，表明驱动基因致病存在一定动态性；为了探讨是否存在新的致癌基因，进而围绕194例宫颈癌外显子组数据进行挖掘，发现跟染色质修饰相关的信号通路在病人不同临床阶段均存在显著性突变，并且参与组蛋白修饰基因的突变占主导。发现这些组蛋白修饰基因中存在一半的突变均发生在其蛋白产物的磷酸化修饰位点，仅MLL2的突变会显著降低病人的生存率，凸显了表观遗传紊乱发挥重要的致癌作用；进一步，基于307例宫颈癌甲基化组学数据进行了病人亚群划分，发现了在最大的一个鳞状细胞癌类型中存在两个新的亚群，并且展示了显著甲基化差异。结合基因表达谱，发现跟免疫相关的基因在其中一个亚群中显著高表达，其中24个免疫基因的高表达跟病人良好预后显著相关。本课题有助于增加对宫颈癌早期发病机制的了解，强调了在肿瘤不同阶段驱动突变致癌作用的动态性，新致癌基因的发现以及宫颈癌新亚群的划分，对制定潜在治疗靶点以及个体化治疗具备很大的指导意义。项目共发表SCI论文5篇，申请发明专利2项，培养一名硕士研究生以及一名博士后。投入经费22.8万元，支出21.2万元，各项支出基本与预算相符，剩余经费1.6万元，计划用于项目研究后续支出。