Multi-omics Analysis of Cancers with Epithelial Origin Reveals Multi-faceted Dysregulation of Genes Associated with Tumorigenesis

Abstract

A high-throughput sequencing technology, so called next-generation sequencing (NGS) has enabled the simultaneous interrogation of thousands and even millions of molecular targets consituting numerous biological processes and progression of a variety of diseases in multi-omics fashion. Particularly by its exceptional capability in clinical application, NGS has made it possible at last to resolve the multi-layered hallmarks of cancer, which have been indicated universally in different types of the diseases. Here, using NGS technology, we investigated the distinct molecular characteristics and multi-faceted dysfunction of gene expression program from two types of cancers with epithelial origin: High-grade serous ovarian cancer (HGSOC) and stomach adenocarcinoma (STAD).

In the first part of the thesis, we characterized molecular profiles of HGSOC through comprehensive analysis of multi-layered data made up of whole-exome sequencing (WES) and RNA sequencing (RNA-seq). Investigation of genomic and transcriptomic landscapes of the HGSOC demonstrated that genomic scars and epithelial-to-msenchymal transition (EMT) play an important role in our cancer cohorts and that they can be divided into two distinct molecular subtypes: homologous recombination repair (HRR)-activated type and mesenchymal type. Patients with activated EMT transcriptional program showing low genomic alteration and diverse cell type properties, exhibited poor prognosis compared to HRR-activated type HGSOC did. Further validation of our findings using the cancer genome atlas (TCGA) HGSOC data verified significant worse overall survival of patients with high EMT transcriptional profiles.

In the second part of the thesis, we utilized integrative, high-dimensional multi-omics approaches to outline the DNA methylome landscape and to describe the putative oncogenic drivers of STAD using whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) and RNA-seq. We discovered that almost 95% of cytosine-phosphate-guanine (CpG) sites were hypomethylated in STAD, while remaining hypermethylated CpGs were enriched in promoters, super enhancers and polycomb repressive complex (PRC) binding sites. Altered methylation in these elements were associated with cancer-specific gene dysregulation. Speicifically, as a putative STAD oncogenic driver, hypermethylation-mediated stimulation of canonical WNT/β-catenine/MMP signaling is discovered. Moreover, we could identify the relationship of downregulation of super enhancer related genes and re-activation of homeobox cluster genes with DNA hypermethylation. Thus, beyond classical genomic and trasncriptomic ablation-driven STAD formation, we demonstrated STAD tumorigenesis owing to epigenetic dysregulation through multi-factorial mechanisms.

Considering the high incidence rate and mortality of epithelial-origin cancers, it is imperative to elucidate the complex lanscape of their molecular disruption that bring about tumor formation. These studies provide a comprehensive multi-omics-centered analysis and a resource for novel diagnostic and therapeutic targets to epithelial-origin cancers.

차세대 서열분석 기술 (NGS) 이라고 일컬어지는 대용량 염기서열분석법은 수많은 생물학적 과정 및 다양한 질병의 발현을 구성하는 수천, 수백만 가지의 분자 표적을, 다중오믹스 (multi-omics) 방식을 통하여 동시에 발굴하는 것을 가능케 하였다. 특히, 임상적 효용 면에서 특출 난 능력을 가진 차세대 서열분석 기술을 이용하여, 다양한 유형의 암 종에서 보편적으로 나타나는 암의 다층적 특징을 규명하는 것이 비로소 가능하게 되었다.

본 연구에서는 대규모 병렬 차세대 서열분석 기술을 사용하여, 상피성 세포를 기원으로 가지는, 고등급 장액성 난소암 (HGSOC)과 위선암 (STAD) 두 가지 유형의 암종에서, 각기 특이적인 유전자 발현 프로그램과 다면적인 기능 조절 장애를 분석하였다.

첫 번째 연구에서는 전장 엑솜 서열분석 (WES) 데이터와 전사체 서열분석 (RNA-seq) 데이터의 포괄적인 분석을 통하여 고등급 장액성 난소암의 분자적 프로파일을 특성화하였다. 고등급 장액성 난소암의 유전체 및 전사체적 환경에 대한 분석은, 유전체 손상 (genome scar)과 상피 간엽 이행 (EMT)이 본 코호트에서 각기 중추적인 역할을 하며, 결과적으로 우리의 고등급 장액성 난소암 코호트가 상동 재조합 복구 (HRR) 활성화 유형과 중간엽 (mesenchymal) 유형이라는, 두 가지의 분자적 하위 유형으로 나누어질 수 있음을 보여주었다. 특히, 낮은 유전체적 변화와 다양한 세포 유형으로 구성되어 있다는 특성을 보이는 상피 간엽 이행 전사 프로그램이 활성화된 환자군은, 상동재조합 복구 활성화 환자군에 비해 예후가 좋지 않다는 것을 밝혔다. 마지막으로, 암 유전체 아틀라스 (TCGA)의 난소암 공개 데이터를 분석하여 우리의 발견을 추가로 검증한 결과 실제로, 높은 상피간엽이행 전사체 프로파일을 가진 환자의 전반적인 생존률이 악화되어 있음을 확인할 수 있었다.

두 번째 연구에서는, 전장 유전체의 중아황산염 처리 염기서열 분석 (WGBS)과 전사체 서열분석을 이용한, 통합적이고 고차원적인 다중체 방식으로 접근하여, 위선암 (STAD)의 DNA 메틸화 양상을 기술하고 발암 추정 요인을 설명하였다. 우리는 본 코호트의 위선암 환자 샘플에서 DNA 메틸화 감소를 보이는 지역이 95% 이상인 것을 발견하는 한편, 나머지 DNA 메틸화 증가를 보이는 지역이 프로모터 (promoter), 슈퍼 인핸서 (super enhancer)및 폴리콤브 억압 복합체 (PRC) 결합 부위에서 풍부하다는 것을 발견하였다. 위 요소에서 변형된 DNA 메틸화는 암 특이적 유전자 조절 장애와 관련이 있었다. 특히 DNA 메틸화 증가로 매개된 WNT/β-카테닌/MMP 신호의 활성화는 잠재적인 위선암의 발암 원인이라는 것을 알 수 있었다. 또한, 슈퍼 인핸서 관련 유전자의 하향 조절과 호메오박스 군집 유전자들의 재활성화를 DNA 메틸화 증가와의 관계를 통하여 확인할 수 있었다. 이를 통하여, 고전적인 유전체 및 전사체적 조절장애로 말미암아 생기는 위선암 발생을 넘어, 후성체 유전학적 조절이 다중 인자 메커니즘을 통해 위선암 발생을 촉진한다는 것을 보여주었다.

상피성 세포 유래 암의 높은 발병률 및 사망률을 고려할 때, 해당 종양의 발생을 초래하는 분자 수준의 복잡한 상호작용을 이해하는 것이 필수적이라고 할 수 있다. 본 연구는 상피성 세포 유래 암에 대한 포괄적인 다중오믹스 중심 분석 방식과 새로운 진단 및 표적 치료 대상에 대한 귀중한 자원을 제공한다는 데 의의가 있다고 할 수 있다.