Pathway-level Clustering with Multi-omics Characterization of 31 Paired Colorectal Normal and Cancer Patient-derived Organoids Reveals Two Intrinsic Epithelial States = 환자 유래 대장 정상 - 암 오가노이드 31쌍의 다중 오믹스 분석 및 생물학적 경로 기반 클러스터 규명

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Colorectal cancer (CRC) exhibits extensive inter- and intra-patient heterogeneity at both molecular and pharmacological levels, complicating treatment prediction and therapeutic decision-making. Patient-derived organoids (PDOs) faithfully recapitulate the transcriptomic and clinical characteristics of primary tumors, providing a powerful platform for precision oncology. In this study, we established a living biobank of 35 tumor organoids and 31 matched normal organoids from 31 patients, enabling systematic comparison of tumor-specific signaling programs. Through integrative transcriptomic and pharmacologic profiling, we identified two functional epithelial states, C1 and C2, corresponding to Ras-driven stress-adaptive and MYC-driven proliferative clusters, respectively. C1 was characterized by Ras–JNK (MAPK10)-CDKN1A (p21)-associated stress signaling, whereas C2 exhibited MYC–E2F–DNA damage response (DDR)–linked proliferative activity. These transcriptional states aligned with distinct therapeutic behaviors against the DNA-damaging agent irinotecan, where C1 showing p21-dependent cell cycle collapse, while C2 failed to induce p21 and sustained proliferation despite accumulating DNA damage. Together, this study establishes a multi-omics framework that captures epithelial-intrinsic functional heterogeneity in CRC PDOs and links pathway activity to therapeutic sensitivity, providing a foundation for transcriptome-guided precision strategies in colorectal cancer.

국문 초록 (Abstract)

대장암은 환자 간뿐 아니라 한 환자 내에서도 매우 높은 분자 및 약물 반응 이질성을 보이며, 이는 치료 예측과 치료 전략 수립을 어렵게 한다. 환자유래 오가노이드(PDO)는 원발 종양의 전사체적 및 임상적 특성을 충실히 재현하기 때문에 정밀의학 연구를 위한 강력한 플랫폼으로 활용된다. 본 연구에서는 31명의 대장암 환자로부터 35개의 종양 오가노이드와 31개의 정상 오가노이드 모델을 수립하여, 종양 특이적 신호 프로그램을 체계적으로 비교할 수 있는 바이오뱅크를 확립하였다.
본 연구는 통합 전사체 분석과 약물 스크리닝을 통해, 서로 상이한 상피 내재적 기능 상태를 가지는 두 개의 주요 오가노이드 아형(C1, C2)을 도출하였다. C1은 Ras–JNK(MAPK10)-CDKN1A(p21) 축이 중심이 되는 Ras 주도 스트레스 적응형 클러스터, C2는 MYC–E2F–DDR 축과 연결된 MYC 주도 증식형 클러스터로 나타났습니다. 이러한 전사체적 상태는 DNA 손상 유발제인 이리노테칸에 대한 서로 다른 약물 반응성을 보였다. C1은 p21 활성화에 의한 세포주기 붕괴를 보인 반면, C2는 p21을 유도하지 못하고 DNA 손상이 축적됨에도 증식을 지속하였다. 이에, 본 연구는 대장암 오가노이드의 상피 내재적 기능 이질성을 규명하는 다중오믹스 기반의 분류 체계를 제시하며, 경로 활성과 약물 감수성 간의 관계를 규명함으로써 전사체 기반 정밀의료 전략을 위한 중요한 근거를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ⅱ
• Table of Contents ⅳ
• List of Tables ⅴ
• List of Figures vi
• Introduction 1
• Material and Methods 4
• Results 19
• Discussion 116
• References 121
• Abstracts in Korean 124