一种联合外显子测序和代谢组学建立的胃癌的分子分型系统

本发明属于计算医学和肿瘤临床医学，具体涉及一种联合外显子测序和代谢组学建立的胃癌的分子分型系统。

背景技术：

1、胃癌(gastric cancer，gc)是一种全世界最常见的恶性肿瘤之一，也是导致人类恶性肿瘤死亡的重要原因。据世界卫生组织国际癌症研究机构(international agencyfor research on cancer，iarc)最新发布的数据显示，胃癌是我国发病率和死亡率均高居第三的恶性肿瘤。胃癌防治是我国恶性肿瘤防控面临的重大挑战。目前临床上胃癌的治疗模式已逐渐从手术±放化疗的较为单一治疗模式转变为手术、放化疗、分子靶向治疗及免疫治疗等相结合的综合个体化治疗模式，但由于胃癌早期症状隐匿等原因导致其5年生存率仅为35.9％。更重要的是，胃癌是高度异质性肿瘤，涉及组织病理学、遗传、表观遗传学和转录组学方面，这对准确诊断和个性化治疗提出了严峻的挑战。因此缺乏有效的疗效预测标记物来筛选出胃癌化疗、靶向及免疫等治疗的优势获益人群是目前制约胃癌临床研究进展的瓶颈。

2、在过去的数十年中，人们致力于将胃癌分类为几种亚型用以指导治疗决策。比如传统病理分型方案(如lauren、who分型等)。虽然组织病理学分型在治疗决策及预后预测方面具有一定的参考价值，但在日益提倡癌症个体化治疗与精准医疗的时代，传统的组织病理学分型已无法满足反映肿瘤的内在特性，以及指导早期诊断和个体化治疗的需要。这样的需求催生了tcga分类，开创了胃癌分子分型的新时代。tcga分型突出了胃癌的异质性和基因组学特征，是ngs应用于胃癌分子机制研究的里程碑，为临床试验中不同胃癌人群的分组和靶向药物筛选提供了指导。但由于缺乏足够的临床随访数据，并未涉及各亚型与疗效及预后的关系，且标本大多数取自欧美患者，对东亚这一胃癌高发区的指导价值有限。我国作为胃癌大国迫切需要纳入足够的临床样本制定和完善适合国人的胃癌分子分型方法。因此开发出一套低通量、低成本但行之有效的胃癌分子分型方法是胃癌分子分型技术真正应用于临床实践的关键一步。

3、近几年高通量二代测序技术和相应的分析技术迅猛发展使得胃癌精准化分子分型成为可能。全外显子组测序(wes)的出现成功地描述了疾病多样化表型谱的分子基础。目前已有一些研究尝试通过基因突变等层面对胃癌进行分子分型。比如研究人员结合胃癌的基因组杂交和表达微阵列分析将胃癌分为三大类：“致瘤性”、“反应性”和“胃样”，分型之间展示出了显著的预后差异。另外课题组前期通过整合多维基因组特征包括突变特征、拷贝数变异、新抗原、克隆性和必要的基因组改变将中国胃癌分为4个亚型，具有不同的临床表型和预后。上述研究对深入揭示胃癌基因组变异的全貌，理解胃癌的发病机理及指导胃癌精准治疗研究意义重大。

4、胃癌的发生是由内外致病因素共用长期作用下所形成的恶性结果，涉及基因层面的突变和表征层面的改变。全外显子测序可揭示基因层面的变化情况，对于疾病机理了解和临床用药指导有一定的价值，然而非基因层面的因素也是疾病发生发展以及对临床治疗方案响应不同的关键。代谢组学作为一门新兴的组学研究技术，不仅可以提供特定肿瘤代谢谱的全部信息以了解疾病表型的特征，还可以将基因层面的结果明朗化以探索疾病内在的分子遗传机制。为了加速精准肿瘤学的进展，未来的研究必须兼顾并综合肿瘤高度异质性的特点，在肿瘤中发现的基因组畸变以上更进一步去探索肿瘤生物学的其他复杂方面。因此，数据整合分析的多组学肿瘤分析为识别分子疾病驱动因素提供了一个新的机会窗口，从而导致更精准的药物治疗。

技术实现思路

1、鉴于肿瘤发病机制的复杂性及本身的高度异质性，因此，为推动胃癌精准治疗领域的发展，本发明建立了针对胃癌患者尤其是中国胃癌患者的分子分型系统，并通过多组学数据分析构建了一套与遗传和代谢密切相关的新的胃癌分子系统，为进一步了解胃癌的异质性和制定精准治疗策略提供了新的思路与见解。

2、本发明通过对100例中国胃癌患者的肿瘤组织和癌旁组织进行全外显子组测序和代谢组学分析(图1)，基于癌组织代谢谱数据，初步建立符合中国人群的代谢相关的胃癌新分子分型系统，同时考虑到胃癌的高基因突变率，研究组进一步联合外显子测序，建立了我国首个基于双组学的新分子系统。

3、本发明的技术方案如下：

4、本发明提供了一种联合外显子测序和代谢组学建立的胃癌的分子分型系统，所述分子分型系统包括：

5、(1)病人组织样本库建立的模块，用于收集并整理来自临床手术切除获取且具有完整随访资料的胃癌及其配对癌旁组织；

6、(2)外显子测序文库构建的模块，用于对病人组织样本库建立的模块中的组织样本进行全外显子测序，并对测序结果分析获得基因组特征；

7、(3)代谢组学文库构建的模块，用于对病人组织样本库建立的模块中的组织样本进行代谢组学检测，并对代谢组学检测结果进行分析获得代谢特征；

8、(4)胃癌分子分型的模块，用于对双组学的测序结果进行整合并分型，将基因组特征和代谢特征先降维获得主成分，然后基于主成分进行聚类分析获得胃癌的分子分型结果。

9、具体的，所述基因组特征包括：tp53、fat3、ctnnb1、fgfr2、lats1、map2k1、nras、rnf43、tcf7l2、axin1、fgfr2、lats1、nras、rnf43、tcf7l2、axin1、fgfr2、lats1、nras、rnf43、tcf7l2。

10、具体的，所述代谢特征包括：cysteine、4-hydroxyproline、asparagine、n-acetylphenylalanine、d-erythrose 4-phosphate、azelaic acid、1，7-dimethyluricacid。

11、在胃癌分子分型的模块中，通过r语言中的mogsa包中的mbpca函数将基因组特征和代谢特征进行降维，获得主成分。

12、在胃癌分子分型的模块中，基于主成分进行聚类分析时，采用r语言中的iclusterplus包的无监督聚类方法。

13、具体的，胃癌分为四个具有不同代谢特征、预后、基因组改变的异质性聚类即四个分子分型。

14、其中所述胃癌分子分型的结果包括：

15、1)亚型1具有高频率arid1a突变、lats1deletion、nras deletion、axin1amplification，最好的预后，较高的新生抗原数；

16、2)亚型2的lauren分型弥漫型和混合型占比较高，拥有高频率muc16突变，预后较差；

17、3)亚型3中cysteine上调，伴有高频tp53突变、fat3突变、axin1 deletion、rnf43deletion，预后较好；

18、4)亚型4中的asparagine、n-acetylphenylalanine、d-erythrose 4-phosphate、azelaic acid、1，7-dimethyluric acid的表达水平普遍上调，伴有高频ctnnb1 deletion，同时其lauren分型弥漫型和混合型占比较高，低分化占比高，预后最差。

19、在病人组织样本库建立的模块中，样本来源为2016年1月起至2018年1月为止在浙江大学医学院附属第一医院行胃癌根治术且有病理确诊的100对胃癌患者的肿瘤组织和配对的癌旁组织。所述癌旁组织来自以肿瘤组织为中心、半径为2cm范围内的区域。

20、在本技术的一个实施方式中，样本dna来自中国人群。样本来自新鲜组织冷冻组织。

21、根据实验结果，本发明建立了中国胃癌的分子分型系统，同时本发明通过多组学数据分析确定四种具有不同的代谢特征、预后、基因组改变的亚型，为不同亚型的胃癌患者提示了可能的分子治疗靶点和生物标记物，揭示了中国胃癌患者的基因组特征和独特的代谢表现。

22、本发明还提供了一种联合外显子测序和代谢组学的胃癌分子分型方法，所述方法包括：

23、s1、获取胃癌患者胃癌及其配对癌旁组织；

24、s2、获取胃癌患者的组织样本进行全外显子测序和代谢组学检测，并对测序结果分析获得基因组特征，对代谢组学检测结果进行分析获得代谢特征；

25、s3、对双组学的测序结果进行整合并分型，将基因组特征和代谢特征先降维获得主成分，然后基于主成分进行聚类分析获得胃癌的分子分型结果。

26、具体的，所述基因组特征包括：tp53、fat3、ctnnb1、fgfr2、lats1、map2k1、nras、rnf43、tcf7l2、axin1、fgfr2、lats1、nras、rnf43、tcf7l2、axin1、fgfr2、lats1、nras、rnf43、tcf7l2；

27、所述代谢特征包括：cysteine、4-hydroxyproline、asparagine、n-acetylphenylalanine、d-erythrose 4-phosphate、azelaic acid、1，7-dimethyluricacid。

28、具体的，步骤s3中，通过r语言中的mogsa包中的mbpca函数将基因组特征和代谢特征进行降维，获得主成分；

29、基于主成分进行聚类分析时，采用r语言中的iclusterplus包的无监督聚类方法。

30、作为优选，胃癌分为四个具有不同代谢特征、预后、基因组改变的异质性聚类即四个分子分型，命名为亚型1、亚型2、亚型3和亚型4；

31、所述亚型1的特征是具有高频率arid1a突变、lats1缺失、nras缺失、axin1扩增；

32、所述亚型2的特征是lauren分型弥漫型和混合型占比较高，拥有高频率muc16突变；

33、所述亚型3的特征是cysteine上调，伴有高频tp53突变、fat3突变、axin1缺失、rnf43缺失；

34、所述亚型4的特征是asparagine、n-acetylphenylalanine、d-erythrose 4-phosphate、azelaic acid、1，7-dimethyluric acid的表达水平上调，伴有高频ctnnb1缺失，同时其lauren分型弥漫型和混合型占比较高，低分化占比高。

35、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成所述的胃癌分子分型方法所进行的步骤。

36、本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及储存在储存器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述胃癌分子分型方法所进行的步骤。

37、1)本发明是首个大规模临床样本中完成多组学数据分析和整理，并建立了基于多组学数据分析的中国胃癌分子分型系统，丰富了对中国胃癌患者的基因组特征和独特的代谢表现的理解；

38、2)本发明建立的胃癌分子分型系统将胃癌划分为四种分子差异明显的亚型，并详细具体地分析了四种亚型的代谢特征、预后、基因组改变，有助于临床的精确医疗的实施；

39、3)本发明还根据提出的胃癌分子分型系统，相关研究结果也解释了胃癌异质性原因，并讨论了四种亚型对应的可能分子治疗靶点，为胃癌的精准靶向治疗提供了可靠理论依据。