基因组特征揭示结直肠癌脑转移中的DNA损伤反应缺陷Genomic signatures reveal DNA damage response deficiency in colorectal cancer brain metastases结肠直肠癌（CRC）是男性中第三常见的癌症，女性中第二常见的癌症。在CRC患者中经常发生远处转移，CRC的脑转移（BM）是罕见且致命的，发生BM患者的预后较差，诊断时中位生存时间为3-6个月且无有效治疗。对CRC患者的多区域样本进行的测序报告显示，大多数局部和远处转移都来自原发肿瘤内的独立亚克隆，表明了转移性疾病的遗传差异和异质性。在这项研究中，对19个三联体患者匹配的BM，原发性CRC肿瘤和邻近正常组织进行全外显子组测序（WES）和全基因组测序（WGS）数据分析。与原发性CRC相比，BM表现出同源重组缺陷和错配修复缺陷（MMRD）的突变特征。进一步分析表明，两种DNA损伤反应（DDR）特征可以早期出现并在BM组织中得到增强，但最终在匹配的原发性CRC组织中被消除。DDR基因中BM特异性突变和不稳定性（MSI）水平升高证明了DDR在CRC脑转移中的重要性。这些结果提供了对BM的突变更好的理解和对治疗的见解。结果对19名患有脑转移的CRC患者进行WES和WGS，通过将它们与匹配的相邻正常样品进行比较，在所有原发性和转移性肿瘤组织中鉴定出21,181（WES）和277,617（WGS）独特的体细胞替代。根据突变的方向将所有点取代分为六组，六个突变组的比例在BM和匹配的原发组织中显著不同：与原发组织相比，BM组织中C> T突变减少，而其他突变类型则相反（a）。使用deconstructSigs分析BM和初级CRC中的突变特征，Signature 1,3和6分别与衰老，HRD和MMRD相关，在BM或原发组织中被确定为显性（b）。老化的比例在原发性转移性CRC样本组中，相关的突变特征几乎为80％，而在TCGA CRC样本中<50％（b）。这种特征在BM中显著降低，而HRD和MMRD特征在BM中显著升高（c）。进一步对另外两名CRC患者的BM和原发组织进行了RNA-Seq，差异表达分析显示几种错配修复或同源重组基因在BM中显著下调。GSEA分析还表明MMR和HR基因组在脑转移组织中显著负向富集，HRD突变在TCGA或原发性CRC患者中很少见（b）。为了更好地研究BM突变特征的动态，将所有突变分为三类：仅在BM组织中发现的突变，BM和原发性CRC共有的突变，以及仅在原发性CRC中发生的突变（d）。BM中的HRD和MMRD特征增强，表明不稳定特征可能是早期事件。相比之下，仅有原发性的突变在整个外显子组数据中由Signature 1（d）支配，并且与年龄增长有关。因此，CRC BM可能富含更大的基因组不稳定性和DNA修复缺陷，这种疾病早期发展并且独立于初级位点上老化相关突变的逐渐累积。 

脑转移瘤和CRC患者的原发性肿瘤的发散突变特征。在19个BM组织中鉴定了35个DDR基因中的4个非同义突变，TP53是突变率最高的基因，但几乎所有TP53突变都在BM和原发组织之间共享（），并且发生在每位患者的初始克隆中，表明TP53突变是驱动因素并且发生在BM之前，46％突变仅发生或主要发生在BM中。在患者BM001的BM中观察到双功能丧失功能性BRCA1突变，并且该突变在匹配的原发组织中是杂合的，在患者BM007中鉴定了两个仅BM的杂合BRCA2突变（）。两名患者的BM中HRD突变的比例高于原发组织，并且克隆分析表明它们是脑转移的起源突变，这些突变可能导致转移中DNA损伤相关突变的升高。患者BM013和BM014分别在RAD51B和PAXIP1上携带BM突变，患者还具有升高的HRD特征水平。患者BM002在跨损伤合成（TLS）基因SHPRH和染色体分离基因PDS5B中携带仅BM突变。患者BM004携带POLB基因中的BM初始突变，患者BM010携带检查点因子CHEK1和同源重组基因SLX4中的BM初始突变。由于DDR蛋白通常彼此相互作用以形成复合网络，所以这些BM特异性或富集的DDR突变可能有助于提高HRD特征。

脑转移瘤和CRC患者原发肿瘤的DDR基因突变谱。为了进一步验证BM中升高的MMRD突变特征，使用具有MSIsensor的正交生物信息学方法测量体细胞MSI指数。与匹配的原发性CRC相比，BM显示出显著升高的MSI水平（a）。在16名MSI阴性原发性CRC患者中，4名患者发生MSI阳性BM，10名CRC患者的肝转移未显示出极大的MSI水平升高（a）。BM003是具有BM特异性MMRD突变特征和MSI的四个患者之一，其匹配的原发肿瘤具有低水平的MMRD突变和低MSI评分（b），在BM和原发组织中具有相似MMRD水平的患者BM009显示出低水平的免疫浸润。

脑转移瘤和CRC患者原发肿瘤的MSI状态和肿瘤浸润淋巴细胞。为了发现潜在的CRC BM驱动基因，首先排除了TTN和嗅觉因子基因，并确定了38个BM中至少有3个突变的基因。其中五个（TP53，APC，KRAS，FBXW7和MUC17）在先前的研究中被鉴定为CRC中的显著突变基因（a）。接下来比较CRC BM队列和TCGA CRC队列之间的突变模式。12个基因（EYS，MUC17，PDZRN4，DLX5 FOXP2，IKZF1，MUC19，PTPRS，SLC26A3，SLC32A1，ULK4和ZBED4）在队列中显示出显著高的突变率（a）。MUC19仅发生在BM组织中，SLC32A1在正常脑组织中特异性表达，而PDZRN4主要在正常结肠和神经中表达。在患者中，IKZF1突变更频繁地发生，并且其表达与不良存活显著相关（b）。在先前在CRC16中鉴定的118个显著突变的基因中，仅有11个基因携带至少两个突变，与TCGA数据相比，仅MUC17显示出显著升高的突变率（a）。鉴定了两名在钠通道蛋白SCN7A中携带复发错义突变的患者（c），对于患者BM010，突变仅发生在脑组织而不发生在原发性CRC组织中（a），对于患者BM009，尽管BM和原发性CRC均发生突变，但BM中的CCF远高于CRC组织，这两种突变都属于BM009和BM010的起源克隆。另一种钠通道蛋白SCN5A也被鉴定为BM患者中经常突变的基因，SCN2A在BM患者中经常发生突变（a）。在TCGA数据中，较高的SCN2A表达与CRC患者中较差的存活率显著相关（d）。

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