基于药物诱导的耐药细胞系识别临床相关的肿瘤耐药分子标志与药效预测标志

Drug-induced resistant cancer cell lines is widely used to identify gene signatures of drug resistance. However, differentially expressed genes (DEGs) between parental and drug-induced resistant cells are significantly overlapped and consistent with those induced in the parental cells during transient treatment, revealing that most of which are irrelevant to the resistant phenotype. Here, we will propose and evaluate several novel experimental designs and data analysis strategies to detect clinically relevant gene signatures of drug resistance based on drug-induced resistant cancer cell lines and develop methods to identify gene-pair therapy benefit predictive markers. Next, with multiple transcriptional profiles of colorectal cancer (CRC) cell lines and tissue samples, we will screen oxaliplatin and fluorouracil resistant markers and the corresponding therapy benefit predictive markers respectively. To this end, using the robust therapy benefit predictive markers, we will recognize fluorouracil-resistant and sensitive CRC patients from the Cancer Genome Atlas (TCGA) and further analyse differences of mutation, copy-number and promoter methylation between the two subtypes of CRC. Results of this research would have extensive theoretical and practical values for identification of drug resistant markers based on drug-induced resistant cancer cell lines and reveal multidimensional omics mechanisms of drug resistance of cancer.

利用药物处理诱导产生耐药细胞系广泛应用于识别肿瘤耐药基因。但是，由药物诱导产生的耐药细胞与亲本肿瘤细胞间的差异表达基因与亲本细胞系经药物短暂处理后引起的差异表达基因高度重合，其多数并不与临床肿瘤耐药相关。本课题拟提出并系统地评价几种新的利用药物诱导耐药细胞系模型筛选临床相关的肿瘤耐药基因的实验设计与数据分析方案，发展识别具有稳健的跨数据集性能的临床耐药预测标志的方法；然后，综合多组结肠癌细胞系与临床组织样本的表达谱数据，筛选结肠癌细胞系的奥沙利铂、氟尿嘧啶耐药相关基因，并识别相应的临床耐药预测标志。我们拟利用具有跨数据集稳健性能的耐药预测标志，在TCGA多维组学肿瘤样本中识别对5-FU耐药与敏感的结肠癌亚型，再据此分析两种亚型的基因突变、拷贝数变异、DNA甲基化特征。本课题的研究结果对利用耐药细胞系模型识别结肠癌等肿瘤的耐药标志及揭示肿瘤耐药的多维度组学机制具有广泛的理论与应用价值。

利用药物处理诱导产生耐药细胞系广泛应用于识别肿瘤耐药基因。但是，由药物诱导产生的耐药细胞与亲本肿瘤细胞间的差异表达基因与亲本细胞系经药物短暂处理后引起的差异表达基因高度重合，其多数并不与临床肿瘤耐药相关。因此，以5-氟尿嘧啶（5-FU）、奥沙利铂治疗的响应和非响应结直肠癌组织样本中识别的差异表达基因为参考，我们分别评价了HCT116细胞来源的几种耐药基因的临床相关性。结果显示，经一定时间的药物治疗后，亲代和耐药细胞间的差异基因与化疗后响应和非响应结直肠癌组织样本的差异基因显著一致。.此外，我们进一步从转录组及其上游的DNA甲基化层面揭示结直肠癌细胞获得性耐药的机制。在这项研究中，我们对人类结直肠癌的HCT-8野生型细胞和5-FU诱导0、24和48小时的耐药细胞进行了转录组和DNA甲基化分析。结果表明，在5-FU耐药HCT-8细胞中发生启动子高甲基化并且表达发生沉默的基因主要参与嘧啶代谢与药物代谢细胞色素P450的通路。转录组分析证实，药物治疗一定时间后，耐药细胞与其亲本细胞之间存在转录差异的基因更有可能参与耐药。.为了最终实现临床应用，我们构建了预测局部进展期直肠癌新辅助放化疗病理反应的标志。晚期直肠癌的标准治疗方法是新辅助放化疗术后切除。不同患者对新辅助放化疗的病理反应不同，因此有急需构建一个可以预测患者对新辅助放化疗病理反应的标志。我们以42个接受基于5-FU化疗的新辅助放化疗的直肠患者样本作为训练集，通过筛选样本内相对表达秩次与药物响应显著相关的基因对来筛选标志。最终我们识别了27对基因，在训练集中的准确率为92.86%。我们利用公共数据库中的46个和我们实验室检测的33个接受5-FU新辅助放化疗的直肠患者样本验证该标志，准确率分别为89.13%和90.91%。结果表明这个由27对基因组成的标志可以稳健地预测局部进展期直肠癌患者对新辅助放化疗的临床反应。.本项目已发表SCI收录论文50篇，研究成果为我们设计和评价耐药细胞系以及构建结直肠癌耐药标志提供了依据。