2019年10月份第3周（总第87周 ）- 经典文献再现之2013-TCGA-AML

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大名鼎鼎的TCGA计划回顾一下咯，关于AML研究发表在 N Engl J Med. 2013 May ， 算是很厉害了，附件一百多页的PDF详尽的描述了当时的数据分析方法，而且这个研究非常受重视，仅仅是关于 它的评论就有：

  • The beginning of the end of the beginning in cancer genomics. [N Engl J Med. 2013]
  • Genetic and epigenetic map of acute myeloid leukemia. [Pharmacogenomics. 2013]
  • Cancer: Mutations close in on gene regulation. [Nature. 2013]
  • A panoramic view of acute myeloid leukemia. [Nat Genet. 2013]
  • Genetics: the AML mutational landscape. [Nat Rev Clin Oncol. 2013]
  • Genomic landscapes and clonality of de novo AML. [N Engl J Med. 2013]
  • Genomic landscapes and clonality of de novo AML. [N Engl J Med. 2013]
    纳入了 200 个clinically annotated adult cases of de novo AML
  • 其中50人测WGS, 150人测WES
  • 同时伴有 RNA and microRNA sequencing and DNA-methylation 数据
    这些数据都可以在TCGA官网下载了 https://portal.gdc.cancer.gov/projects/TCGA-LAML ：
    | Experimental Strategy | Cases | ( n=200 ) | Files | ( n=4,434 ) |
    | ——————————- | —————————————————————————————— | —————————————————————————————— | —————————————————————————————— | —————————————————————————————— |
    | WXS | 149 | | 1,785 | |
    | RNA-Seq | 151 | | 604 | |
    | miRNA-Seq | 188 | | 564 | |
    | Genotyping Array | 200 | | 795 | |
    | Methylation Array | 140 | | 280 | |
    另外一种展现方式：https://tcga-data.nci.nih.gov/docs/publications/laml_2012/

    急性骨髓性白血病（Acute myeloid leukemia，AML）

    急性髓系白血病（AML）是最常见的髓系血液肿瘤，也是成人白血病中最常见的类型，大约占所有白血病的50-60%，我国每年新发AML大约有30,000例。
    急性白血病：是一类造血干祖细胞来源的恶性克隆性血液系统疾病。临床以感染、出血、贫血和髓外组织器官浸润为主要表现,病情进展迅速,自然病程仅有数周至数月。一般可根据白血病细胞系列归属分为急性髓系白血病(AML)和急性淋巴细胞白血病(ALL)两大类。
    其中AML还可以进行FAB分型，最初的诊断是完全基于形态学(Morphology)的，即1976年法英美科学家制定FAB标准

  • AML-M1 Acute myeloblastic leukemia without maturation
  • AML-M2 Acute myeloblastic leukemia with differentiation
  • AML-M3 Acute promyelocytic leukemia
  • AML-M4 Acute myelomonocytic leukemia
  • AML-M5 Acute monocytic leukemia
  • AML-M6 Erythroleukemia
  • AML-M7 Acute megakaryocytic leukemia
  • AML-M0 Acute myeloblastic leukemia, minimally differentiated
    而与之对应的慢性白血病常见有慢性粒细胞性白血病(CML)、慢性淋巴细胞性白血病(CLL)。
    Hartmut Dohner医生2015年9月在新英格兰医学杂志发表的一篇AML综述，详细介绍了AML的功能性基因改变，值得相关方向研究者研读。

    主要发现

    显著突变基因

    首先必须秀出来的当然是somatic mutation的基因咯，毕竟在那个年代，人们对AML的热点突变所知甚少，任何突变基因的更新，都是一个进步，尤其是这样的人群大队列，一下子释放出来这么多突变基因，如下，有23个基因显著性的突变，还有237个基因不止一个样本突变。
    SMGs-AML.png
    作者发表这个数据集的那个年代，确定某个基因是否显著突变，用的是 MuSiC 软件，现如今这样的工具算法已经超10个了，大家可以下载突变信息，走一波新的工具，也可以结合2016年sanger研究所的一千多AML病人的突变信息一起来找显著突变基因。
    研究者感觉这些基因的生物学功能，尤其是致病性，着重点出来了9类：

  • transcription-factor fusions (18% of cases)
  • the gene encoding nucleophosmin (NPM1) (27%)
  • tumor-suppressor genes (16%)
  • DNA-methylation-related genes (44%)
  • signaling genes (59%)
  • chromatin-modifying genes (30%)
  • myeloid transcription-factor genes (22%)
  • cohesin-complex genes (13%)
  • spliceosome-complex genes (14%).

    突变全景图

    现在做这样的图已经非常容易了，标准的GATK流程，找到可靠的somatic突变，然后maftools进行可视化即可。
    mutation-landscape-AML-200-patients.png
    根据每个病人的somatic突变的所有VAF值的可以判断该病人有多少个肿瘤克隆，因为AML病人的突变数量不多，所以很难检测到太多克隆，大部分就一两个克隆而已，还可以根据一些临床信息进行分类，比如下图的法英美科学家制定FAB分类。
    clones-in-FAB-subtypes.png

    表达量分类

    前面提到过除了WGS和WES这样的DNA测序外，还有：

  • RNA-expression profiling on the Affymetrix U133 Plus 2 platform for 197 samples
  • RNA sequencing for 179 samples
  • microRNA (miRNA) sequencing for 194 samples
  • Illumina Infinium HumanMethylation450 BeadChip profiling for 192 samples
  • Affymetrix SNP Array 6.0 for both tumor and normal skin samples from all 200 patients.
    既然有表达矩阵，就可以进行分类，这个是当年的常规分析了，这里使用的是 ConsensusClusterPlus (Tutorial) - Bioconductor 包，使用的是NMF算法。
    cluster-NMF-AML.png
    可以看到200个AML病人的bulk转录组测序可以稳定的分成7组，研究人员也在附件耗费大量笔墨描写了各个分组的生物学意义。
    cluster-mRNA-seq.png
    可以看到200个AML病人的bulk miRNA-seq测序可以稳定的分成5组，研究人员也在附件耗费大量笔墨描写了各个分组的生物学意义。
    cluster-miRNA-seq.png
    gene-fusions.png

    甲基化信号值分类

    CpG island 是表观遗传学领域很重要的概念，通常全基因组可以分成gene promoters associated with dense-CGIs, sparse-CGIs and non-CGIs ，也就是说致密的CpG区域的甲基化情况和稀疏的CpG甲基化情况的生物学意义不一样，所以需要分开进行聚类。
    cluster-CpG-dense-regions.png
    cluster-CpG-sparse-regions.png
    可以在TCGA数据库下载AML数据集的甲基化芯片信号值矩阵重复这篇文献的研究。
    DNA methylation

  • Illumina Human Methylation 27 (n=140) GDC Hub
  • Illumina Human Methylation 450 (n=140) GDC Hub

    AML的一些分子标记物研究

    Leukemia (2017) 的文章Validation of risk stratification models in acute myeloid leukemia using sequencing-based molecular profiling 进行了总结，如下：

    其它公共数据库

    另外一个大队列是桑格研究所对1500多名急性骨髓性白血病（AML）患者进行测序，检测其癌症基因，最终鉴定出11种基因亚型，也是发表在《New England Journal ofMedicine》杂志上 Genomic Classification and Prognosis in Acute Myeloid Leukemia
    还值得一提的是：347 AML patients recruited in the National Taiwan University Hospital (NTUH) ，虽然表达矩阵并没有发出来。
    当然还有GEO数据集：various lineages of normal hematopoiesis and AML marrow (GSE12662, GSE24006, and GSE24759) GSE12417 等
    还有2018年的 Clinseq-AML cohort, consist of 274 AML patients, treated according to the national guidelines in Sweden，好像也没有看到表达矩阵。

    公共数据库挖掘文献举例

  • J Cell Biochem. 2019 Mar; 是 A 4-microRNA signature（IF不到3分）
  • Leukemia. 2015 May;（IF超过10分）

    拷贝数变异结果的解释

    来源于 xseq包的cna.call数据集，是 TCGA AML SNP6.0 GISTIC copy number alteration calls
    A matrix containing the GISTIC copy number calls of 454 genes in 197 patients:

  • Row names are patient identifiers
  • Colume names are official HGNC gene symbols
    Each element of the matrix is coded:
  • -2, homozygous deletions
  • -1, hemizygous deletions
  • 0, neutral
  • 1, gain
  • 2, amplifications

    其它相关癌症研究

    在发表AML数据集之前已经有了几个其它TCGA癌症研究结果发表：

  • glioblastoma multiforme (http://cancergenome.nih.gov/newsevents/newsannouncements/news_9_4_2008)
  • ovarian serous adenocarcinoma (http://cancergenome.nih.gov/newsevents/newsannouncements/ovarianpaper)
  • colorectal adenocarcinoma (http://www.cancer.gov/news-events/press-releases/2012/TCGAcolorectal)
  • lung squamous cell carcinoma (http://www.cancer.gov/news-events/press-releases/2012/lungsquamoustcga)
  • invasive breast cancer (http://cancergenome.nih.gov/newsevents/newsannouncements/breastserovca)
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