题目：Integrated multi-omics approach to distinct molecular characterization and classification of early-onset colorectal cancer | 综合多组学方法展示早期结直肠癌的分子特征和分类
来源：
https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2023.100974
1、样本分组与取样设计
共招募了79名结直肠癌患者，其中30名患有早发结直肠癌（EOCRC），49名患有晚发结直肠癌（LOCRC）。所有患者提供了肿瘤组织和正常相邻组织（NATs）进行多组学(基因组、转录组、表观基因组（DNA甲基化）和蛋白质组)分析。对于每个组学数据集取了肿瘤组织和正常邻近组织。
取样：79对肿瘤组织和正常相邻组织（NATs）进行组学检测；肿瘤组织来自于非遗传综合症的散发性肿瘤，经过了病理学家的组织学确认，并验证其至少有70%的肿瘤细胞核。这些结直肠癌样本选择自南京结直肠癌（NJCRC）队列。该NJCRC队列属于结直肠癌遗传学和流行病学协会（GECCO），总共包括1316例病例，其中早发结直肠癌（EOCRC）366例（占27.81%）。
基因组：两个数据库中获取了结直肠癌基因组学数据，分别是国际癌症基因组联盟（ICGC）和癌症基因组图谱（TCGA）。筛选出了325名中国结直肠癌患者和226名欧洲结直肠癌患者作为研究对象，并通过人种信息确认了样本的祖先差异（ancestral disparity,不同地理区域的人群在基因层面上存在差异), 这种差异可能会影响结直肠癌的发病机制、预后和治疗效果等方面，因此在研究中需要考虑这种差异的影响。
样本的人口统计学特征。值得注意的是，在整体NJCRC（27.81%）、ICGC（中国人群27.69%）和TCGA（欧洲人群15.93%）队列中，早发结直肠癌（EOCRC）患者的比例比本研究招募的比例（37.97%）少了10%以上，这表明在考虑成本效益的情况下，观察分子特征具备充分统计效能。
转录组：研究者还使用了癌症全基因组图谱计划（Pan-Cancer Atlas）提供的转录组数据集(across 32 cancer types)来评估候选基因表达模式。
2、涉及主要分析
转录组与蛋白组差异表达的分组
比较ID | 如何比较 | 组学 | 图片证据 |
1 | Tumor vs NAT | 转录组 | H1 |
2 | EO tumor vs EO NAT | 转录组 | H2 |
3 | LO tumor vs LO NAT | 转录组 | H3 |
4 | Tumor vs NAT | 蛋白组 | K1 |
5 | EO tumor vs EO NAT | 蛋白组 | K2 |
6 | LO tumor vs LO NAT | 蛋白组 | K3 |
比较ID | 如何比较 | 组学 | 图片证据 |
1 | EO tumor vs EO NAT | 转录组特殊基因(功能特殊性) | FGH1 |
2 | EO tumor vs EO NAT | 蛋白组特殊基因 | FGH2 |
3 | LO tumor vs LO NAT | 转录组特殊基因 | FGH3 |
4 | LO tumor vs LO NAT | 蛋白组特殊基因 | FGH4 |
5 | LO tumor vs EO tumor | 转录组特殊基因 | FG5 、D |
6 | LO tumor vs EO tumor | 蛋白组特殊基因 |
3、文章分析思路
分析项目 | 做了什么分析 | 发现了什么结果 | 因此有了什么猜测 | 因此接下来做了什么 |
基因组分析与表观 | 观察EOCRC肿瘤的突变标记1、致癌性SCNAs、DNA Methylation Age 和致癌途径富集 | 发现EOCRC肿瘤具有侵袭性特征并且有需求鉴定分子表型 | 推测在EOCRC肿瘤发生中鉴定分子表型的可行性与必要性 | 启动转录组学和蛋白质组学分析 |
转录组分析 | 分析EOCRC样本的表达谱和信号通路 | 发现FAD、CAMs和DNA修复是EOCRC发展中主要的信号通路 | 推测FAD、CAMs和DNA修复在EOCRC的发展中具有重要作用 | 深入研究这些信号通路的调控机制和与肿瘤发展相关的关键基因 |
蛋白质组分析 | 验证转录组分析结果并寻找潜在药物靶点 | 确认转录组分析中所观察到的关键蛋白表达变化，寻找潜在的治疗靶点 | 推测这些关键蛋白在EOCRC的发展中可能起重要作用 | 设计验证实验来进一步验证这些潜在的治疗靶点的功能和效果 |
数据整合 | 将不同组学层面数据整合：SCNA驱动的顺式和反式效应，以及转录组-蛋白组相关性分析 | 揭示不同分子层面之间的相互关系和生物学意义 | 推测多组学数据的整合可以提供更全面的了解EOCRC发展的分子复杂性 | 进一步分析整合后的数据以获得更深入的洞察 |
该研究对华人早发结直肠癌患者的分子特征进行了表征，重点关注了多组学整合在揭示年龄特异性肿瘤发生的分子异质性和展示组学测量在精准治疗开发中的用途。
基因组和甲基化： 研究首先观察到了结直肠癌中突变标签1、染色体异常（14/15q和20q13.12）、DNAmAge和致癌途径富集等分子层面的特征，这表明在结直肠癌肿瘤发生中鉴定分子表型的可行性和必要性。
为了充分利用组学信息，研究进行了转录组和蛋白质组分析，发现FAD、CAMs和DNA修复等信号通路在早发结直肠癌的发展中起主导作用。FAD通路中的关键代谢酶ADH1B在早发结直肠癌肿瘤中的mRNA和蛋白质水平都下调，这可能解释了脂肪酸代谢标志物与饮酒以及结直肠癌发生的反相关关系。CAM通路中的关键蛋白CADM3在早发结直肠癌肿瘤中降低，这与其在结直肠癌细胞肿瘤生成中的抑制作用一致。
研究还发现早发结直肠癌肿瘤中存在与DNA修复相关的标志物3的显著增加，随后进行了DNA修复过程的通路富集和网络聚类、免疫浸润的增加以及免疫表型的热点分析，表明免疫炎症反应和DNA损伤应答在年轻的肿瘤微环境中具有突出的相互作用。这些分子表型有助于丰富人们对早发结直肠癌病因学的理解。
多组学数据的整合有助于确定适合于不同癌症治疗策略的生物组学特征。对于结直肠癌，肿瘤突变负荷(TMB)是一个独立的基因组生物标志物，可以用于预测免疫治疗的反应。在本文中，研究人员发现EOCRC肿瘤具有高的TMB和错配修复的非常独特的途径富集，表明免疫疗法的治疗可能性。
此外，本研究还利用组学数据对CT抗原、pan-essential genes、以及PanCancer Immune Profiling进行基因表达模式评估以确定潜在的药物靶点。在肿瘤和正常组织以及早期结肠癌和晚期结肠癌肿瘤之间的比较中，一些基因在mRNA和蛋白质水平上表达模式不一致。例如，免疫面板中的一个基因CCL21在mRNA和蛋白质水平上均显著增加( EOCRC tumors vs LOCRC tumors )，尽管其在肿瘤中与正常组织相比表达较低。
综上所述，生物组学特征对于结直肠癌的治疗策略具有重要的影响。多组学数据的整合可以帮助确定适合于不同癌症治疗策略的生物组学特征，并且肿瘤突变负荷(TMB)是一个可靠的基因组生物标志物，可以用于预测免疫治疗的反应。
4、关键分子LMTK3 的故事
LMTK3是一个重要的分子，其突变与年龄、祖源和EOCRC肿瘤的激活特征相关。研究发现，LMTK3突变与SHPRH和POLE两个DNA修复基因的突变一起出现，特别是在中国患者和年轻肿瘤中，POLE突变的频率也增加了。此外，LMTK3和POLE突变都与T细胞浸润和TMB特征相关。值得注意的是，LMTK3是一种可药物靶点，可通过PRKCA-AKT1-FOXO3信号调节ERα。总体而言，这些发现有助于解释早发结直肠肿瘤发生的生物学机制，并支持新治疗靶点的发现。
基于这些发现，研究团队将LMTK3作为一个重要的关键分子进行了深入的分析。他们发现LMTK3在EOCRC肿瘤中突变频率有所不同，与其他驱动基因同时突变，并在致癌途径中上调了基因表达。这些结果表明，LMTK3在EOCRC肿瘤的发展中可能发挥着重要的作用。
通过进一步分析整合后的数据，研究人员确定了LMTK3在早发结直肠肿瘤发生中的重要地位。首先，LMTK3的突变与其他关键基因的共同突变暗示了其在促进EOCRC肿瘤激活特征方面的作用。此外，LMTK3突变还导致了标记3的增加，与DNA修复过程相关，这进一步支持了LMTK3在DNA修复机制中的参与。最后，LMTK3是一个可药物靶点，其药物调控可能具有治疗EOCRC的潜力。
综上所述，通过对多组学数据的整合分析，研究团队从分子水平上揭示了LMTK3在EOCRC发展中的重要性。这些发现为进一步研究该基因的功能、开发针对性药物以及精确治疗提供了新的方向和深入的洞察。