深圳湾实验室食管鳞癌研究取得一系列重要进展

食管癌是全球高发恶性肿瘤之一，我国食管癌发病率和死亡率均居世界首位，最新统计数据显示，在中国每年约有48万新增食管癌病例，37万例食管癌患者死亡。欧美与中国的食管癌病理分型不同，欧美以腺癌为主，而中国90%以上是鳞癌（Esophageal squamous cell carcinoma, ESCC），全球超过50%的ESCC发生在中国,由于病理分型不同，国外的理论和临床研究不适应于指导中国食管癌患者的诊治。ESCC具有异质性高、进展快、预后差和明显的地域发病等特点,早期患者缺乏特异症状，首次就诊时多处于中晚期，5年生存率较低。传统的手术、放疗和化疗虽然已取得巨大进步，但疗效有限，加之缺乏有效的靶向治疗药物，局部复发和远处转移依然是ESCC治疗失败的重要原因。限制中国ESCC诊疗水平的提升的关键原因是对分子变异基础、分子分型和肿瘤微环境的理解不充分。

面向国家的重大需求，在国家及广东省基础与应用基础重大项目的支持下，深圳湾实验室詹启敏院士/崔永萍教授团队聚焦我国高发恶性肿瘤食管鳞癌，通过与中国医学科学院肿瘤医院刘芝华教授、四川大学黄灿华教授、北京大学张宁教授、香港城市大学王鑫教授等多个在食管鳞癌研究、氧化应激与微环境及生物信息学领域的顶尖团队协同攻关，从临床样本出发，利用分子、细胞、模式动物等多层次研究手段，结合生物信息学及系统生物学分析，利用多种组学技术，希望通过绘制中国人群ESCC的全息生命信息图谱，揭示ESCC的分子变异基础，破解其致病机理，并基于全息图谱“按图索骥”，建立分子分型和靶向治疗策略（图1）。近年来，在ESCC的分子变异基础、分子分型、靶点筛选等方面取得系列成果。

图1 ESCC精准诊疗研究路径

（一）建立目前最大规模ESCC全基因组图谱，揭示分子变异特征

目前已发现的ESCC中的突变基因中很少有可在临床上起作用的，已批准的治疗晚期ESCC的抑制剂数量非常有限，需要基于全基因组测序（WGS）数据来鉴定新的ESCC癌症驱动基因，并在具有可用临床数据的更大范围的ESCC患者中探索其他预后生物标志物。2020年5月12日，詹启敏院士/崔永萍教授团队联合山西医科大学、中国医学科学院肿瘤医院、北京大学统计科学中心、北京大学肿瘤医院、深圳北京大学香港科技大学医学中心、百度公司等合作完成的一项大型食管鳞状细胞癌（ESCC）基因组学研究成果，相关成果发表在Cell Research, 论文题为“Whole-genome sequencing of 508 patients identifies key molecular features associated with poor prognosis in esophageal squamous cell carcinoma”。该研究通过对508例来自山西及新疆的食管鳞癌患者进行全基因组测序，建立了编码区和非编码区的驱动基因遗传变化的基因图谱，鉴定了5个与癌症转移和患者预后相关的新的显著突变基因；将ESCC分为NFE2L2突变，RTK-RAS-MYC扩增和双阴性三种亚型，强有力地预测ESCC患者的预后生存。该研究利用大量中国患者队列的深度全基因组测序，提供了迄今为止最全面的ESCC基因组特征，揭示了ESCC的分子病理学机理，为后续开发可用于ESCC诊断和治疗的特异性生物标志物进一步奠定了基础（图2）。

图2 全面刻画ESCC的编码和非编码基因分子变异图谱

（二）鉴定ESCC复杂结构变异，深化对ESCC遗传变异的理解

基于基因测序技术，在一定程度上揭示了ESCC肿瘤发生过程中的驱动突变、突变过程和关键通路/克隆动力学。然而目前人们对于基因组结构变异（SV）及其机制的分析依然是有限的。针对这个问题，詹启敏院士/崔永萍教授团队进行了深入研究，期望进一步揭示ESCC的致病机理。2022年10月22日，团队联合中国医学科学院肿瘤医院、山西医科大学、北京大学肿瘤医院、深圳北京大学香港科技大学医学中心等合作者在《自然通讯》（Nature Communications）发表题为“Characterization of somatic structural variations in 528 Chinese individuals with Esophageal squamous cell carcinoma”的文章。为了揭示ESCC基因组的复杂结构变异（SV）特征，团队开发了复杂SV检测方法FindRear，对528对（癌和癌旁配对组织）全基因组测序数据进行了群体水平的基因组结构变异分析，系统阐述了ESCC的结构变异类型，包括TDP（tandem duplication phenotype）、Insertion、Inversion、融合基因分型等，并深入分析了染色体外环状DNA（ecDNA），Katagsis以及染色体碎裂等。这项研究首次明确了ESCC在很早期阶段就发生结构变异事件并且是高SV负荷的肿瘤，其中串联重复TD-c2和ecDNA是导致癌基因扩增的重要因素。值得一提的是，本研究发现了一种新型的超级增强子形成的机制，在特定的癌基因增强子区域存在以增强子串联重复的形式形成超级增强子，这也是导致癌基因过表达的重要机制，这个新发现拓展了学界对超级增强子的理解（图3）。

图3 大样本全基因组分析揭示ESCC结构变异图谱及机制

（三）解析ESCC化疗耐药的遗传和表观遗传机制

肿瘤异质性是导致耐药和复发的关键。詹启敏院士/崔永萍教授团队2021年9月8日发表在JCI Insight杂志上题为“Genomic and epigenomic evolution of acquired resistance to combination therapy in esophageal squamous cell carcinoma”的论文表明，在接受化疗后出现进展的ESCC患者表现出明显更高的基因组和表观基因组时序异质性。在化疗联合维拉帕米治疗期间观察到耐药介导的新突变亚克隆扩增。研究发现，SLC7A8是一个潜在的新多药耐药（MDR）基因，功能分析表明突变型SLC7A8促进了ESCC细胞系的耐药表型。治疗期间的启动子甲基化动态显示，8个耐药蛋白编码基因的启动子区域甲基化程度较低。有趣的是，SLC8A3和突变体SLC7A8的启动子低甲基化以相同的途径富集，即蛋白质消化和吸收，表明在治疗期间可能存在一种新的MDR机制。这项研究整合了多组学数据揭示了时序遗传和表观遗传的肿瘤间和肿瘤内异质性、克隆进化过程和表观基因组变化，为联合治疗期间ESCC耐药患者提供了潜在的MDR治疗靶点（图4）。

图4 多组学技术揭示ESCC化疗耐药的新机制

（四）建立ESCC分子分型体系，指导精准治疗

分子分型指导下的精准治疗已在乳腺癌、结直肠癌、胃癌、肺癌、肝癌等多种实体肿瘤的临床实践中取得显著的成效，有效改善了患者的生存期。然而，目前ESCC尚无稳健的分子分型，究其原因是既往的研究大多从单一组学出发、且样本例数较少，仅仅揭示了有限的ESCC分子变异特征。因此，从多组学多层面多视角挖掘ESCC的致病机制，明确其分子分型，提其高诊治水平，已成为食管鳞癌研究领域的重大研究课题。2022年12月29日，团队联合中国医学科学院肿瘤医院、山西医科大学、北京大学肿瘤医院在Cancer Cell上发表了文章“Integrated Multi-omics Profiling Yields a Clinically-Relevant Molecular Classification for Esophageal Squamous Cell Carcinoma”。研究者基于多组学数据分析，将ESCC分为四个分子亚型：细胞周期通路激活型（CCA）、NRF2通路激活型（NRFA）、免疫抑制型（IS）和免疫调节型（IM）。这是国际上首次基于多组学数据的ESCC分类标准，并为每个亚型寻找了潜在的治疗靶标和/或诊断标志物。

研究者纳入155例ESCC患者配对样本进行了全基因组、表观基因组、转录组和蛋白质组数据层面的全面整合分析；利用多组学分析首次将ESCC分为CCA、NRFA、IS和IM四个亚型（图4）。CCA亚型体现在细胞周期检查点基因的变异，而NRFA亚型则有NRF2通路基因的激活。CCA和NRFA亚型患者均具有CpG岛甲基化表型（E-CIMP+），并与淋巴节转移和临床分期相关。IS和IM亚型是免疫细胞高浸润型，但肿瘤组织浸润的免疫细胞类型不同。研究者进一步利用43例接受PD-1抗体单药治疗队列研究，发现IM亚型对免疫检查点阻断疗法（ICB）有更好的治疗响应，并基于该队列ESCC组织多组学数据开发了识别IM亚型患者的分子特征分类器，体现了基于多组学数据分子分型的临床价值。总的来说，这项研究首次建立了ESCC多组学分子分型体系，不同亚型独特的分子特征是临床转化的“航向标”，破除了以往ESCC治疗“方向模糊”的困难，有助于医学专家“对症下药”，有望真正将ESCC的诊治提升到精准医学的层面，提高患者的生存获益。团队后续将开展针对ESCC各亚型的药物研发及临床实验研究，尽早实现临床转化，制定出针对不同亚型ESCC的治疗策略，让患者尽快进入ESCC分子分型基础上的精准治疗时代。

图5 食管鳞癌多组学分子四分型及其潜在治疗靶标

除了上述在分子变异基础和分子分型方面的研究外，团队在ESCC发生发展的分子机制和潜在治疗靶点方面也取得丰硕的成果，鉴定了FAM135B、MAGE-C3、NOX5、FAK、lncRNA VESTAR、cir-PUM1等一系列调控ESCC恶性进展的关键因子，并解析了其分子机制，为临床治疗提供了潜在的治疗靶点，相关研究成果发表在Signal Transduction and Targeted Therapy（2022）、Cancer Research（2021）、Cellular & Molecular Immunology（2022）、Cancer Communications（2021）、Clinical and Translational Medicine（2021）。

综上，深圳湾实验室詹启敏/崔永萍团队基于既往坚实的研究基础和广泛密切的合作关系，围绕我国高发特色恶性肿瘤食管鳞癌，取得了系列成果，不断补充食管鳞癌的分子变异拼图和调控网络图，为制定食管鳞癌的“中国方案”提供的丰富的理论基础。