11+的研究方向--癌症中特异性密码子的使用变化！

导语

GUIDE ╲

基因表达在多细胞生物的组织中是高度可变的，影响了组织特异性转录组的密码子使用。癌症破坏了健康组织的基因表达模式，导致密码子使用偏好的改变。密码子的使用随着密码子需求的变化而变化，而癌症中的tRNA供应也越来越受到人们的关注。

背景介绍

许多研究都集中在肿瘤相关基因的特定突变上，但较少关注癌变组织中密码子使用的整体变化。在今天小编给大家介绍的文章中，作者从一个很新颖的角度，利用TCGA的公共数据集来研究癌症和正常组织转录组之间的优先密码子和密码子对使用的变化，并对健康和肿瘤特异性密码子和密码子对使用之间不同程度变化的患者进行了生存分析，还创建了一个包含这32种癌症类型的密码子和密码子对使用指标的数据库，这样就可以与正常组织进行比较。文章发表在《Genome Medicine》,题目为：Distinct signatures of codon and codonpair usage in 32 primary tumor types in thenovel database CancerCoCoPUTs forcancer-specific codon usage。

数据介绍

从GDC下载RNA-seq数据，时间截止到2020.7.30，共计16175个样本。仅使用“原发肿瘤”和“实体组织正常”样本，只使用了来自未接受过既往治疗的患者的组织样本，使用了7059例组织样本，包括6427例原发肿瘤样本和632例正常组织样本。来自这些样本的转录组数据构成了TCGA数据。我们在该数据集中确定了600对匹配的正常肿瘤组织数据，并将其用于配对组织分析。对32种癌症类型中的29种进行了配对分析（其他三种正常样本少于3个）。

结果解析

01

正常和原发肿瘤组织中密码子和密码子对的使用模式

当组织根据密码子使用(图1a)或密码子对使用(图1b)计算欧氏距离进行聚类时，能观察到类似的聚类模式。例如，肺腺癌(LUAD)的四种亚型比正常肺组织或肺鳞状细胞癌(LUSC)更相似；正常膀胱组织与正常子宫内膜组织比其他组织最相似，膀胱移行细胞癌与子宫内膜腺癌比其他组织最相似；正常肝脏和正常胆管组织更相似，但肝细胞癌和胆管癌不聚集在一起。

图1

02

密码子和密码子对使用的癌症类型特异性变化

作者通过MSE量化了32种癌症类型的总体密码子使用变化水平。前列腺腺癌(图2a)与其他癌症类型相比，MSE相对较低（0.09），这表明它是一种肿瘤与正常组织之间密码子使用差异相对较低的癌症类型。相比之下，胆管癌(图2b)在所有癌症类型中MSE最高（9.32），这表明它是肿瘤和正常组织中密码子使用差异最大的癌症类型。

为了更好地了解密码子使用的差异，接下来研究了癌症和正常组织的密码子和密码子对使用相对于非转录组加权密码子和密码子对使用的差异。通过密码子使用(图2c)和密码子对使用(图2d)的PCA，观察到肺组织与基因组样本的清晰分离和正常肺组织与原发性肺肿瘤的分离。作者还通过层次聚类的方法比较了肺组织间密码子和密码子对使用的差异。密码子使用情况（图2e）和密码子对使用情况（图2f）之间的聚类模式相似。

图2

03

来自相似器官和组织的不同癌症的汇总比较

在比较癌症组织与其对应的正常组织后，接下来研究了不同癌症类型之间的密码子和密码子对使用特征的差异。通过PCA和层次聚类，发现胆管癌和肝细胞癌基于密码子使用（图3A、C）和密码子对使用（图3B、D）比它们各自的正常组织更相似。有趣的是，胆管癌和肝细胞癌之间的差异水平高于它们各自的正常组织类型之间的差异水平。

接下来，分析了来自结肠及其亚区域的原发性癌组织。通过基于密码子使用(图3e)和密码子对使用(图3f)的PCA，可以看到正常的结直肠组织和结直肠腺癌沿着PC2分离。通过层次聚类发现，在以基因组为明确外组的结直肠组织中，密码子使用(图3g)和密码子对使用(图3h)的差异很低。

作者研究了来自食道癌和胃癌的癌症。通过PCA，根据密码子使用情况(图3i)和密码子对使用情况(图3j)发现，原发性胃和食管腺癌与正常胃的相似性高于正常食管。通过基于密码子使用(图3k)和密码子对使用(图3l)的层次聚类，发现胃癌（管状腺癌、肠腺癌、弥漫性癌和腺癌）之间的相似性大于与正常胃组织或任何食管组织的相似性。

图3

04

密码子使用的变化伴随着密码子偏好的变化

中位密码子使用，指的是基于来自特定原发性肿瘤或正常组织类型的所有组织样本的中位转录组权重计算的密码子使用，不能用于检测患者之间密码子使用变化的变化。作者接下来通过比较原发性肿瘤样本与从同一患者收集的正常组织样本来观察个体患者的密码子使用变化。基于中位密码子使用情况，作者发现 GGT-Gly 在 4 个乳腺癌组（aggregate breast cancer、IDC、ILC、IDLC）和正常乳腺组织（图4A、E、I、M）之间始终显示出最大的密码子使用变化。与 IDLC 显示的GGT-Gly 增幅最大（图4M）。

接下来比较了4个乳腺癌组中GGT的RSCU变化和其他甘氨酸编码密码子的RSCU变化。所有组的GGT与GGA之间均存在弱相关性(图4B、F、J，N)，其中最强的出现在总乳腺癌组(图4B)。4组中有3组(除ILC外)GGT与GGC呈中度相关(图4C、G、K、O)，其中最强的出现在IDLC(图4O)。然而，4个组的GGT与GGG之间均表现出较强的负相关关系(图4D、H、L、P)。

图4

05

密码子使用的变化是癌症类型所特有的

作者根据MSE给患者排序，MSE最高的患者称为“病例1”，而MSE最少的患者称为“病例50”。使用中位转录组加权密码子使用分析中观察到的最高MSE作为阈值，将前列腺腺癌患者分为两组：1-5例(高MSE)和6-50例(低MSE)。在病例1-5中观察到的MSE值范围从56.14(图5a)到16.46(图5B)。在病例6-50中观察到的MSE值从2.65(图5c）到0.04（图5D）。

接下来，研究了这两个病例组之间密码子和密码子对使用的差异。通过对两组正常前列腺样本的PCA分析，发现密码子使用(图5e)和密码子对使用(图5f)有明显的分离。然而，在比较这两组前列腺腺癌病例的原发肿瘤样本时，没有观察到密码子使用(图5g)和密码子对使用(图5h)的显著差异。

图5

06

全局密码子使用量的变化预示着死亡率的增加

作者观察到密码子使用变化高的患者与密码子使用变化低的患者之间存在明显的分离(图6a)。密码子使用变化较高的患者的中位生存时间为3.8年，而低密码子使用变化的患者组的中位生存时间在10年后未达到。第一年后，这两组的95%置信区间没有重叠。当根据密码子对使用变化对患者进行分组时，观察到类似的结果(图6b)。密码子对使用变化低的患者中位生存时间为9.5年，而密码子对使用变化高的患者中位生存时间为3.1年。根据整体转录组变化(图6c)分离患者也会导致不同的死亡率。

图6

小编总结

在本研究中，作者做了一个非常新颖的研究思路，让我们对癌变组织和正常组织中密码子和密码子对使用有了新的理解，一些原发肿瘤的密码子使用偏好与其来源组织（胆管癌和肝细胞癌）有很大的不同，但其他组织与它们各自的肿瘤（胃、前列腺）没有区别。然而，对个体前列腺癌患者的更仔细分析显示，虽然一种癌症类型中的密码子使用偏倚在合并样本中可能不明显，但在患者之间可能存在显著的变异性。作者将相关的研究成果建立了一个数据库CancerCoCoPUTs，如果想进行相关的研究也可以多多参考！

END