儿童高级别胶质瘤是不可治愈的脑肿瘤，迫切需要新的治疗策略和治疗预测性生物标志物。2021年5月7日，一篇名为A DNA Repair and Cell Cycle Gene Expression Signature in Pediatric High-Grade Gliomas: Prognostic and Therapeutic Value的文章发表在Cancers（IF：6.126）杂志上，本研究检查了具有不同驱动突变的儿科高级别胶质瘤中 DNA 修复和细胞周期基因的表达。根据暴露治疗弱点的亚组提出这些肿瘤的新分类方法，并确定了几种可能成为新诊断标志物的DNA修复因子。

研究背景

        儿童高级别胶质瘤（pHGGs）是儿童神经肿瘤死亡的主要原因，对标准治疗常表现出抵抗。从分子遗传学的角度来看，pHGGs与成人的HGGs有很大不同。pHGGs的主要分子改变包括H3.1 K27M基于突变，和H3.3G34R/V突变。其中，H3K27M突变发生于H3F3A基因或HIST1H3B/C基因，病变均发生在脑桥、脑干、丘脑、脊髓等中线部位。H3.3G34R/V突变是发生在儿童大脑半球的高级别胶质瘤，具有独特的临床病理学特征。在pHGGs中还发现了其他一些改变，包括通过BRAF600E的突变和缺失CDKN2A导致的BRAF基因异常。

        最近有研究表明，在成人胶质母细胞瘤（aGBM）中，利用独特的DNA修复和细胞周期基因表达特征可以实现一种新的分类，靶向DNA修复成分可能有助于预防治疗性耐药。 在本文的研究中，研究者通过与低级别毛细胞星形细胞瘤 (LGG) 的比较，确定了28个基因的新型特异性 DNA 修复和细胞周期基因表达特征（称为28-DD 修复基因）。在基因和蛋白质表达水平上对 pHGG 特征的选定基因的分析揭示了其与 TP53 突变的相关性，并强调了高 PARP1 和 XRCC1 蛋白质表达可以作为 pHGG 中最差治疗反应的免疫组化诊断生物标志物。

研究结果

1、应用aGBM DNA损伤（DD）修复基因表达特征对pHGGs进行分层研究

1）在之前的研究中，研究者确定了已52个独特的DNA修复和细胞周期基因表达特征。该基因特征可以将aGBM区分为三个表达谱（G1/G2/G3）。G1和G3组显示出相反的基因表达谱，G2为基因表达不明确的组。

2）研究者研究了由野生型（wt）或H3.3K27M丘脑肿瘤以及wt或BRAFv600e突变的额叶肿瘤组成的至少6例pHGG患者的52个基因的特征（A）。将pHGG数据集与aGBM数据集和随机森林（Random Forest）分析相结合，利用52个基因的特征预测pHGG样本的G1/G2/G3分组（B，C）。然而，这种分组与H3.3/BRAF突变状态之间没有相关性，因为G1组肿瘤中包括wt丘脑（n=1）和额叶突变BRAF（n=1）肿瘤，而G3组肿瘤中包括wt额叶（n=2）和丘脑H3.3突变（n=1）肿瘤（C）。

3）研究者进一步验证aGBM特征在具有H3.1 K27M或H3.3 K27M突变的弥漫性桥脑神经胶质瘤（DIPG）样本中的分组作用，随机森林分析确定了G1、G2和G3样本（A）。然而，基于我们的DNA修复和细胞周期基因表达特征，H3.1和H3.3突变体肿瘤不能被分为两个独立的组（B）。

4）研究者接下来对一组包括幕下或丘脑肿瘤的20个样本，进行分组分析。该pHGG组包括野生型pHGG（n=7）以及含有H3.3 G34R（n=2）、H3.3 K27M（n=8）或突变型IDH1（n=3）肿瘤。研究者发现，所有3个IDH1突变标本均为G1，而大多数H3.3 K27M肿瘤为G3（4/7），2个H3.3 G34R肿瘤为G2（D）。而wt肿瘤和H3.3K27M肿瘤在三组间均有分布。

研究结论：在 aGBM 中建立的 DNA 修复和细胞周期基因表达特征不能分离突变体 H3.1 和 H3.3 样本。

2、基于 DNA 修复和细胞周期的28基因表达特征的丘脑和半球pHGGs分层

1）研究者将来自pHGGs的转录组数据集与由毛细胞型星形细胞瘤 (PAs) 组成的低级别胶质瘤的转录组数据集进行了比较。使用 PCA可以分离两个肿瘤群体（图 3A）。PAs 形成一个比pHGGs更紧凑的组，表明pHGGs组更异质，与此类肿瘤的驱动异质性和表型多样性一致。

2）研究者接下来确定了185个基因的列表，与 PAs 相比，这些基因在pHGG中显示出1.3倍的过度表达。对该列表的 GO 富集分析揭示了与细胞周期和 DNA损伤应答（DDR）过程相对应的 GO 模块的主要统计富集。在此列表中存在一组28个 DNA 修复和细胞周期基因，以下称为 28-DD 修复基因（图 3B）。

3）在这个特征中有参与细胞周期的基因（AURKA、CCNB1、CDC25C、CDC45、CDK1、CDKN3A、DTL、FOXM1、KIAA0101/PCLAF、MCM10、MCM4、PMAIP1、TOP2A、TRIP13），以及细胞增殖基因（CHEK1、E2F7、E2F8、GSTE1）和各种 DNA 修复途径的关键基因（EXO1、RAD51、RAD51AP1、PARPBP、FANCI、FANCD2、UBE2T、BRIP1、NEIL3）。值得注意的是，该特征与aGBM特征共享10个基因（AURKA、CCNB1、CDC24C、CDK1、KIAA0101/PCLAF、TOP 2A、RAD51、NEIL3、FANCD2 和 UBE2T）（图 3C）。

4）为了验证新的特征并评估其预后和治疗价值，研究者对pHGGs队列进行分层聚类。28-DD 修复基因清楚地将队列分为两个组，G3样组包含了大多数具有H3.3组蛋白突变的大脑半球肿瘤，而野生型、BRAF和IDH1突变的pHGGs则位于G1样亚组（图 3D）。

3、DNA 修复途径对pHGG有预后影响

1）由于证实了几个DDR途径主要参与了pHGG的聚集群，研究者想进一步在蛋白水平上确定关键的分子驱动因素。根据复发时间，研究者将pHGG患者分成三个PHGG亚组，分别包括13名出现早期复发的患者、4名出现“标准”复发时间的患者和4名被视为长期存活（两年以上）的患者（A）。对一线治疗敏感性与总生存率显著相关（A）。

2）在DNA修复蛋白中，RAD51、MPG和APE1在所有pHGG肿瘤中的表达在诊断和复发时均一致高表达（A，B）。将这三种蛋白的表达水平与XRCC1和PARP1的表达水平进行比较，差异有统计学意义（B）。

3）比较队列中三个亚组的XRCC1和PARP1表达水平，PARP1和XRCC1以及KI67在表现为早期复发的亚组中显著过度表达，且高表达与OS短相关（C）。

4）TP53突变出现在10/21 pHGGs患者中，与预后生存期短和XRCC1、MPG、KI67和PARP1的高表达显著相关（A，B）。

5）PARP1蛋白表达与TOP2A扩增和KI67高表达水平相关，此外，TOP2A扩增的存在与生存期短有关（C）。

4、PARP1 作为组蛋白突变pHGGs中的新型治疗诊断和治疗靶点

1）研究者收集了四个pHGGs患者来源细胞系 (PDCL)：BT83、BT35、BT69 和 BT68。BT83、BT35、BT69 和 BT68 细胞系基因热图显示BT83细胞系中大部分 pHGG 特征基因表达不足（A）。

2）所有细胞系都显示出高PARP1蛋白（B）和RNA表达水平（C）。相反，XRCC1的mRNA和蛋白质表达水平之间没有相关性，尽管XRCC1的mRNA表达水平也有升高（C），但在BT68中不存在XRCC1蛋白（B）。

3）研究者使用自动显微镜评估检查了这些细胞系对 PARP1抑制剂Olaparib的细胞反应。 BT83对Olaparib显示出最大的敏感性，IC50<2 µM。相比之下，其他细胞系显示出更高的 IC50，范围从 3.2 到 24.85 µM（图 6D）。

研究小结

       总的来说，本文的结果强调了用特定的 DNA 修复和细胞周期基因特征对 pHGG 进行分层的可能性，并揭示了 pHGG 的亚群。蛋白质表达水平的验证研究提供证据表明，与 XRCC1 表达、TP53 突变和 TOP2A 扩增相关的 PARP1 高表达可能代表 pHGG新型治疗诊断和治疗靶点。

全文链接：https://www.mdpi.com/2072-6694/13/9/2252/htm