近期，美國約翰斯·霍普金斯基姆爾癌癥中心的研究人員開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)策略，可以通過檢測(cè)癌組織和細(xì)胞自由DNA（cfDNA）中的基因組中的重復(fù)序列，來預(yù)測(cè)人類早期肺癌或肝癌病例的潛在發(fā)生。該團(tuán)隊(duì)建議，這種新方法可以提供一種無創(chuàng)的手段來檢測(cè)和表征癌癥，或者監(jiān)測(cè)對(duì)抗癌治療的反應(yīng)。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，這種名為ARTEMIS（疾病中重復(fù)元素的分析）的方法檢查了超過1,200種重復(fù)元素類型，涵蓋了近一半的人類基因組，并確定了一大批以往未知與癌癥相關(guān)的重復(fù)序列在腫瘤形成中發(fā)生了改變。研究人員還能夠在cfDNA中識(shí)別這些元素的變化——這些是從腫瘤中脫落的片段，存在于血液中——從而提供了一種檢測(cè)癌癥并確定其起源部位的方法。

該研究的合作領(lǐng)導(dǎo)者之一、約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的MD/PhD學(xué)生Akshaya Annapragada和約翰斯·霍普金斯大學(xué)的醫(yī)學(xué)和腫瘤學(xué)教授維克托·E·韋爾庫萊斯庫（Victor E. Velculescu）博士以及其他同事，報(bào)告了ARTEMIS的開發(fā)和測(cè)試結(jié)果。他們?cè)谝黄麨椤栋┌Y和細(xì)胞自由DNA中的全基因組重復(fù)景觀》的文章中寫道，他們的分析“……揭示了人類癌癥中重復(fù)景觀的廣泛變化，并提供了一種檢測(cè)和表征這些變化的方法，這可能有利于患者的早期檢測(cè)和疾病監(jiān)測(cè)。”

DNA序列的重復(fù)，通常被稱為“垃圾DNA”或“暗物質(zhì)”，分布在整個(gè)人類基因組中，是“癌癥和其他疾病的標(biāo)志”，作者寫道。然而，他們繼續(xù)說道，使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)序方法對(duì)這些重復(fù)序列進(jìn)行表征一直是具有挑戰(zhàn)性的。

為了解決這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了ARTEMIS，這是一種無需比對(duì)的、全基因組范圍內(nèi)分析重復(fù)景觀的方法。在一系列實(shí)驗(yàn)中，研究人員首先檢查了定義唯一重復(fù)的1.2億個(gè)kmer（短DNA序列）在基因組中的分布，并發(fā)現(xiàn)它們?cè)诔Ｒ娙祟惏┌Y中常見的基因中富集。

例如，他們報(bào)道說，在736個(gè)已知驅(qū)動(dòng)癌癥的基因中，有487個(gè)含有比預(yù)期數(shù)量高15倍的重復(fù)序列。這些重復(fù)序列在參與癌癥中常見失調(diào)的細(xì)胞信號(hào)通路基因中也顯著增加。研究團(tuán)隊(duì)指出，“這些重復(fù)kmer的定位觀察表明，在人類癌癥中選擇性地通過與重復(fù)相關(guān)的基因組改變來選擇腫瘤發(fā)生的關(guān)鍵基因，這一發(fā)現(xiàn)為我們提供了首次窺視這些序列可能對(duì)腫瘤發(fā)展至關(guān)重要的線索。”

他們還利用下一代測(cè)序技術(shù)，迅速檢查了整個(gè)基因組序列的變化情況，看看重復(fù)序列是否直接在癌癥中發(fā)生改變。他們使用ARTEMIS分析了525名患有不同癌癥的患者的腫瘤和正常組織中的1,200多種不同類型的重復(fù)元素。分析發(fā)現(xiàn)，每個(gè)腫瘤中有中位數(shù)807個(gè)變化的元素。這些元素中有近三分之二以前未被觀察到與人類癌癥有關(guān)。

接下來，他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型為每個(gè)樣本生成了一個(gè)ARTEMIS分?jǐn)?shù)，以提供對(duì)癌癥預(yù)測(cè)的全基因組重復(fù)元素變化的總結(jié)。ARTEMIS分?jǐn)?shù)以高性能將525個(gè)PCAWG參與者的腫瘤與正常組織區(qū)分開來——整體曲線下面積（AUC）=0.96——跨所有分析的癌癥類型，其中1是完美分?jǐn)?shù)。增加的ARTEMIS分?jǐn)?shù)與較短的總體和無進(jìn)展生存相關(guān)，而不管腫瘤類型如何。

“盡管不同個(gè)體之間的基因組變異性存在重復(fù)元素，但經(jīng)過交叉驗(yàn)證的ARTEMIS分?jǐn)?shù)在所有分析的癌癥類型中都以高性能將525個(gè)PCAWG腫瘤與正常組織區(qū)分開來，而患者的種族無關(guān)【總體曲線下面積（AUC）=0.96】，”他們指出。“由于ARTEMIS分?jǐn)?shù)捕捉了重復(fù)景觀的全基因組變化，我們的觀察結(jié)果與先前的分析一致，表明癌癥基因組中的重復(fù)元素的重新激活和增加可能導(dǎo)致免疫反應(yīng)或基因組不穩(wěn)定性增加，這兩種機(jī)制可能降低腫瘤細(xì)胞的適應(yīng)性，并導(dǎo)致患者結(jié)果的改善。”

研究人員接下來評(píng)估了ARTEMIS用于非侵入性癌癥檢測(cè)的潛力。他們將該工具應(yīng)用于287名參與丹麥肺癌篩查研究（LUCAS）的有和無肺癌的個(gè)體的血液樣本中。ARTEMIS以0.82的整體AUC分類了肺癌患者。當(dāng)與另一種名為DELFI（DNA片段早期攔截的DNA評(píng)估）的方法結(jié)合使用時(shí)，組合模型以0.91的AUC對(duì)肺癌患者進(jìn)行了分類。DELFI是韋爾庫萊斯庫、Scharpf和他們小組的其他成員之前開發(fā)的一種檢測(cè)cfDNA片段大小和分布變化的分析方法。

在一個(gè)由208名有肝癌風(fēng)險(xiǎn)的個(gè)體組成的群體中，觀察到了類似的表現(xiàn)，ARTEMIS在肝癌患者中檢測(cè)到與肝硬化或病毒性肝炎等其他情況的個(gè)體，AUC為0.87。當(dāng)與DELFI結(jié)合使用時(shí)，AUC增加至0.90。

最后，研究人員評(píng)估了ARTEMIS血液檢測(cè)是否能夠確定癌癥患者腫瘤的起源部位。當(dāng)根據(jù)PCAWG參與者的信息進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，該工具能夠在12種腫瘤類型中將腫瘤組織的來源進(jìn)行分類，平均準(zhǔn)確率為78%。

然后，研究人員將ARTEMIS和DELFI結(jié)合起來評(píng)估了一個(gè)由226名患有乳腺癌、卵巢癌、肺癌、結(jié)直腸癌、膽道癌、胃癌或胰腺癌的個(gè)體組成的群體的血液樣本。在這里，該模型以平均準(zhǔn)確率68%的水平正確地將患者分類到不同的癌癥類型中，當(dāng)模型允許提出兩種可能的腫瘤類型而不是單一的癌癥類型時(shí)，準(zhǔn)確率提高至83%。“盡管樣本數(shù)量有限，但我們發(fā)現(xiàn)ARTEMIS-DELFI能夠以平均68%或83%的準(zhǔn)確率正確將不同癌癥類型中檢測(cè)到的患者分類，”他們表示。

Annapragada說：“我們的研究表明，ARTEMIS可以揭示反映人類癌癥基因組中戲劇性變化的全基因組重復(fù)景觀。” “通過照亮所謂的‘暗基因組’，這項(xiàng)工作為我們提供了對(duì)癌癥基因組的獨(dú)特見解，并為全基因組重復(fù)景觀作為癌癥檢測(cè)、表征和監(jiān)測(cè)的組織和血液標(biāo)志物提供了概念驗(yàn)證。”

作者進(jìn)一步寫道：“cfDNA為檢測(cè)肺癌、肝癌和其他癌癥提供了重復(fù)景觀分析的可能性，表明ARTEMIS單獨(dú)或與其他全基因組特征結(jié)合可能為癌癥的非侵入性檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和確定起源提供了途徑…… ARTEMIS可能通過識(shí)別全基因組變化來改善早期診斷，這些變化在其他液體活檢方法中可能不明顯，當(dāng)未檢測(cè)到腫瘤特征，例如突變或染色體臂變化時(shí)。”

下一步，韋爾庫萊斯庫建議在更大規(guī)模的臨床試驗(yàn)中評(píng)估該方法。他評(píng)論說：“你可以想象，這可以用于各種癌癥類型的早期檢測(cè)，但也可以用于其他應(yīng)用，比如監(jiān)測(cè)治療反應(yīng)或檢測(cè)復(fù)發(fā)。”“這是一個(gè)全新的領(lǐng)域。”

作者在報(bào)告中承認(rèn)了研究的局限性，并得出結(jié)論說：“考慮到這些基因組區(qū)域的規(guī)模、多樣性和潛在臨床相關(guān)性，我們的研究為癌癥基因組提供了獨(dú)特見解，并提供了全基因組[序列]重復(fù)景觀作為組織和血液標(biāo)志物的潛在用途的概念驗(yàn)證……此外，現(xiàn)在可以全面識(shí)別的重復(fù)元素的擴(kuò)展或收縮提供了一種檢測(cè)和檢查影響癌癥和其他疾病機(jī)制的新方法。”

編輯：王洪

排版：李麗