慢性髓系白血病（CML）是由于9号和22号染色体发生易位，形成融合基因BCR-ABL1，其蛋白产物具有很强的酪氨酸激酶活性。而伊马替尼（Imatinib）作为BCR-ABL1酪氨酸激酶抑制剂，是当前CML的标准治疗方案。伊马替尼在患者体内到底通过怎样的分子级联来治疗CML？利用CDS-DB（http://cdsdb.ncpsb.org.cn/）数据库——病人来源的癌症药物引起的基因扰动信号数据库，可以帮助我们轻松回答上述问题。
CDS-DB是国家蛋白质科学中心（北京）发展的病人来源的癌症药物引起的基因表达信号数据资源，成果发表在Nucleic Acids Res上。数据库收录了来自GEO/ArrayExpress中78个配对的用药前、后的临床转录组源数据集，后将源数据集划分为181个数据集级别的基因扰动信号，2012个患者级别的基因扰动信号。这些数据共涉及85个治疗方案、71种药物、39种癌症亚型以及3628个病人样本。其中57%的数据集级别扰动信号和45%的病人级别扰动信号有药物响应信息。为了更好地利用上述数据，除了数据浏览、检索和下载，数据库还支持单信号分析、多信号比较分析、信号比对等功能。这些数据以及丰富的数据分析功能有助于揭示癌症患者药物治疗的作用机制，及其在患者中的同质性/异质性、药物（联合）发现等。
这里就以伊马替尼为例，讲讲如何利用CDS-DB的数据以及分析功能揭示其在癌症患者中的作用机制及其病人异质性。
注解：CDS-DB数据集：将从GEO/ArrayExpress手工挖掘得到的成对的用药前后临床转录组源数据集（source dataset）进一步划分为CDS-DB数据集。每个CDS-DB数据集由配对治疗前后病人样本组成，这些样本使用相同的治疗方案和剂量，具有相同癌症亚型、相同的取样部位分类（组织/血液/骨髓/腹水）、相似的治疗后取样时间和相同的响应分组（响应/不响应）（如果此信息可用）。
CDS-DB数据集级别基因扰动信号：获得自CDS-DB数据集中成对的用药前、后临床转录组数据的差异基因表达分析。
CDS-DB患者级别基因扰动信号：获得自一个病人的一对用药前、后转录组数据的差异基因表达分析。
利用CDS-DB单数据集分析功能揭示药物作用机制
为了探索伊马替尼治疗慢性髓系白血病的具体机制，我们使用CDS-DB中的单信号分析功能分析数据集级别信号CDS_dataset_Microarray_81。该数据集包含9个接受伊马替尼治疗的CML病人，涉及18个配对的用药前、后（治疗后四周）病人样本。
首先利用CDS-DB提供的单数据集分析功能，借助其中的“扰动特征分析→差异表达基因（DEG）”功能，我们发现CML患者使用伊马替尼治疗四周后，转录因子E2F1显著下调（log FC = −0.22，P-value = 4.32E−02），一些周期蛋白依赖性激酶（CDKs）如CDK4（logFC = −0.87，P-value = 3.56E−02）和CDK2（logFC = −0.48，P-value = 7.27E−02）下调，SKP2（logFC = −0.94，P-value = 3.82E−05）下调。
随后使用“扰动特征分析→基因集富集分析（GSEA）”分析模块，发现E2F靶标显著下调（NES = −2.35, P-value = 1.00E−10)，DNA复制也显著下调(NES = −2.09, P-value = 3.11E−08)。同时，SKP2介导的P27降解途径也显著下调（NES = −1.65, P-value = 2.44E−03）。此外，T细胞受体特征通路（NES = 2.11，P-value = 2.32E−07）、抗原加工和呈递（NES = 2.00，P-value = 5.91E−06）和自然杀伤细胞介导的细胞毒性（NES = 2.48，P-value = 1.00E−10）KEGG通路也显著上调。
而“肿瘤微环境”分析发现，CML患者使用伊马替尼治疗后，CD8+ T细胞（logFC = 0.16，P-value = 7.08E−04）和NK细胞（logFC = 0.16，P-value = 2.85E−03）的丰度显著上调。
以上所有结果暗示，一方面，伊马替尼下调SKP2，进一步减少泛素化介导的P27蛋白降解，然后累积的P27抑制CDKs和下游的E2F1的活性，最终伊马替尼诱导细胞周期阻滞。另一方面，伊马替尼也通过CD8+ T细胞和NK细胞介导的细胞毒性发挥抗肿瘤作用。这些发现与前人研究结果一致[1][2]。
CDS-DB数据集比较分析揭示药物作用机制的同质性和异质性
除了CDS_dataset_Microarray_81外，CDS-DB还包含伊马替尼诱导的其他4个数据集水平的药物扰动信号，包括CML的CDS_dataset_Microarray_91和CDS_dataset_Microarray_92，胃肠道间质瘤的CDS_dataset_Microarray_71和结直肠癌的CDS_dataset_RNAseq_41。
根据比较分析结果发现，CDS_dataset_Microarray_91和CDS_dataset_Microarray_92中伊马替尼治疗CML的机制与CDS_dataset_Microarray_81相似，显示出伊马替尼治疗CML作用机制的同质性；而伊马替尼治疗胃肠道间质瘤以及结直肠癌是通过抑制c-kit和PDGF[3][4]，显示出伊马替尼对于不同肿瘤治疗的作用机制的异质性。
通过CDS-DB数据库的单信号分析和多信号比较分析功能，我们探索到酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼在治疗急性淋巴白血病中发生的级联反应，同时还了解到伊马替尼在不同癌症患者群体中的作用机制存在异质性。
CDS-DB数据库除了以上功能，还支持信号连通性分析功能，可以助力发现药物（联合）以及进行药物重定位。感兴趣的小伙伴可以自行去数据库网站进行探索噢！
参考文献：
[1] Andreu,E.J., Lledó,E., Poch,E., Ivorra,C., Albero,M.P.,Martínez-Climent,J.A., Montiel-Duarte,C., Rifón,J., Pérez-Calvo,J.,Arbona,C., et al. (2005) BCR-ABL induces the expression of Skp2 through the PI3K pathway to promote p27Kip1 degradation and proliferation of chronic myelogenous leukemia cells. Cancer Res.,65, 3264–3272.
[2] Zitvogel,L., Rusakiewicz,S., Routy,B., Ayyoub,M. and Kroemer,G. (2016) Immunological off-target effects of imatinib. Nat. Rev. Clin. Oncol., 13, 431–446.
[3] Lu,X., Pang,Y., Cao,H., Liu,X., Tu,L., Shen,Y., Jia,X., Lee,J.C. and Wang,Y. (2021) Integrated screens identify CDK1 as a therapeutic target in advanced gastrointestinal stromal tumors. Cancer Res., 81, 2481–2494.
[4] Attoub,S., Rivat,C., Rodrigues,S., Van Bocxlaer,S., Bedin,M., Bruyneel,E., Louvet,C., Kornprobst,M., André,T., Mareel,M., et al. (2002) The c-kit tyrosine kinase inhibitor STI571 for colorectal cancer therapy. Cancer Res., 62, 4879–4883.
[5] Liu, Z., Chen, R., Yang, L., Jiang, J., Ma, S., Chen, L., He, M., Mao, Y., Guo, C., Kong, X., et al. (2024) CDS-DB, an omnibus for patient-derived gene expression signatures induced by cancer treatment. Nucleic acids research, 52(D1), D1163–D1179.
