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Proteogenomic Analysis of Human Colon Cancer Reveals New Therapeutic Opportunities

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419302922

2019年5月2日，Cell雜志報(bào)道了美國(guó)休斯敦貝勒醫(yī)學(xué)院研究人員利用基因、轉(zhuǎn)錄、蛋白及翻譯后修飾等多組學(xué)技術(shù)，對(duì)結(jié)腸癌/癌旁組織進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的分析，整合多組學(xué)結(jié)果為后續(xù)癌癥治療方案提供了新思路，同時(shí)也為生物標(biāo)志物篩選、藥物靶點(diǎn)、分子分型等研究工作奠定理論基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)背景

結(jié)腸癌是世界上死亡率排名第四的癌癥，其發(fā)病率和死亡率逐年上升。早期研究發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌具有家族聚集現(xiàn)象，可能與共同生活環(huán)境相關(guān)；其中K-ras、C-myc癌基因的激活和APC、MCC抑癌基因的失活是早期改變，而DCC、p53基因失活是晚期改變。近年來(lái)諸多基因、轉(zhuǎn)錄組學(xué)相關(guān)表明結(jié)腸癌患者存在許多基因突變，表明結(jié)腸癌的異質(zhì)性；然而，海量數(shù)據(jù)并沒(méi)有為臨床治療提供有效的生物標(biāo)志物和藥物靶點(diǎn)。信號(hào)蛋白是癌癥治療中最具吸引力的目標(biāo)之一，但是針對(duì)結(jié)腸癌的磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)研究卻鮮有報(bào)道。癌癥免疫治療最新研究進(jìn)展強(qiáng)調(diào)用于評(píng)價(jià)免疫檢查點(diǎn)抑制劑療效生物標(biāo)志物的重要性，對(duì)于個(gè)性化治療具有重要意義。蛋白基因組學(xué)的技術(shù)方法為相關(guān)研究提供了新思路。

實(shí)驗(yàn)樣本

110名結(jié)腸癌患者的癌組織+癌旁組織+血液樣本 (麻醉前獲取外周靜脈血)，結(jié)腸組織

實(shí)驗(yàn)流程與結(jié)果

作者對(duì)110例結(jié)腸癌腫瘤患者的癌組織和癌旁組織使用全外顯子組測(cè)序 (WXS)、基因組測(cè)序、RNA測(cè)序、microRNA測(cè)序、蛋白質(zhì)組學(xué)以及磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)等方法進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析。通過(guò)比較多組學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)Label-free蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)基因功能的預(yù)測(cè)能力高于RNA測(cè)序分析，TMT蛋白質(zhì)組學(xué)更優(yōu)于前兩種，并突出蛋白質(zhì)組學(xué)研究基因功能的優(yōu)越性。

研究思路概況

01、體細(xì)胞突變及蛋白質(zhì)組分析

使用WXS對(duì)106個(gè)癌組織和對(duì)應(yīng)的血樣進(jìn)行分析，并鑒定得到64010個(gè)體細(xì)胞單核苷酸變異 (SNVs) 以及7691個(gè)插入/缺失位點(diǎn) (INDELs)。為進(jìn)一步研究顯著突變基因，將實(shí)驗(yàn)樣本分為高度突變組 (MSI-H) 和非高度突變組 (MSS)，分別鑒定到9和8個(gè)顯著突變的基因，其中高度突變組中有4個(gè)新發(fā)基因（CASP5、RNF43、LTN1和BMPR2）。同時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)雖然多數(shù)蛋白的變化可以由基因突變結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，但也有部分蛋白的變化很難利用突變的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。

作者以超過(guò)20%截短突變的基因作為腫瘤的抑癌基因標(biāo)準(zhǔn)，并從中發(fā)現(xiàn)SOX9這一抑癌基因，但SOX9蛋白卻在腫瘤細(xì)胞中顯著上調(diào)，進(jìn)一步功能分析顯示SOX9在原發(fā)性CRC細(xì)胞中起致癌作用。這也說(shuō)明僅憑基因組數(shù)據(jù)無(wú)法有效預(yù)測(cè)的蛋白的功能。

02、蛋白+磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)，探尋結(jié)腸癌治療新靶點(diǎn)

作者發(fā)現(xiàn)成視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤 (RB1) 基因和蛋白水平均在腫瘤組織中升高，但RB1是一種腫瘤抑癌基因，通過(guò)抑制E2F轉(zhuǎn)錄因子從而抑制細(xì)胞增殖（與其他癌癥結(jié)果不符）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Rb磷酸化會(huì)抑制上述過(guò)程，調(diào)控E2F的4個(gè)Rb磷酸化位點(diǎn)在癌組織中磷酸化水平顯著上調(diào)。因此，在腫瘤組織中Rb和磷酸化Rb均發(fā)生顯著上調(diào)。通過(guò)相關(guān)性分析表明磷酸化Rb (而非RB1突變或缺失) 豐度增加將促進(jìn)結(jié)腸癌增殖。

磷酸化Rb作為結(jié)腸癌的治療靶點(diǎn)

作者進(jìn)一步對(duì)96對(duì)結(jié)腸癌組織和癌旁組織進(jìn)行TMT蛋白質(zhì)組學(xué)分析，共鑒定8067種蛋白。在癌組織中，2217顯著上調(diào)，2527顯著下調(diào)。將31種在癌組織中上調(diào)大于2倍的蛋白定義為結(jié)腸癌相關(guān)蛋白。綜合考慮磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析結(jié)果，篩選得到4種含有癌癥相關(guān)磷酸化位點(diǎn)的蛋白作為結(jié)腸癌相關(guān)蛋白。由此看出，蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)是互補(bǔ)的，兩者均可揭示基因組學(xué)遺漏的信息。另外，激酶作為重要的治療靶點(diǎn)，在本研究共鑒定到7種激酶，其中激酶PI4KB可作為一種新的候選藥物靶點(diǎn)。綜合考慮基因、蛋白和磷酸化蛋白組學(xué)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與結(jié)腸癌相關(guān)的蛋白和磷酸化蛋白與癌癥相關(guān)基因幾乎沒(méi)有重疊，因此，多組學(xué)聯(lián)合的方式可以更加系統(tǒng)、全面的解析病理機(jī)制，尋找新的藥物靶點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)信息互補(bǔ)。

結(jié)腸癌相關(guān)蛋白組分析

03、利用蛋白組學(xué)進(jìn)行分子分型，并挖掘精準(zhǔn)治療策略

作者分別對(duì)轉(zhuǎn)錄、蛋白的結(jié)果進(jìn)行無(wú)監(jiān)督聚類(lèi)，聯(lián)合蛋白和轉(zhuǎn)錄的分析結(jié)果可將結(jié)腸癌劃分為3個(gè)亞型：MSI、CIN和Mesenchymal，3個(gè)亞型在基因、轉(zhuǎn)錄和蛋白層面均存在顯著差異。

多組學(xué)整合-結(jié)腸癌分子分型

與其他亞型相比，MSI中糖酵解酶含量顯著上調(diào)，本研究結(jié)果顯示幾乎所有的糖酵解酶均與MSI中CD8浸潤(rùn)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步通過(guò)相關(guān)性分析表明糖酵解活性與CD8浸潤(rùn)性呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不呈現(xiàn)于其他亞型。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用SRM的方法對(duì)選定蛋白進(jìn)行驗(yàn)證。除此之外，丙酮酸激酶PKM是糖酵解過(guò)程中關(guān)鍵的限速酶，其中PKM2在人類(lèi)癌癥中促進(jìn)糖酵解和乳酸的生成。腫瘤糖酵解增加可通過(guò)破壞T細(xì)胞功能抑制抗腫瘤免疫，因此，抑制糖酵解可能作為MSI癌癥治療的新方法。

MSI亞型糖酵解增加與CD8 T細(xì)胞浸潤(rùn)的關(guān)系

小編總結(jié)

文章作者首次使用蛋白基因組的方法對(duì)結(jié)腸癌進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，整合多組學(xué)研究結(jié)果為結(jié)腸癌治療提供了新的潛在藥物靶點(diǎn)，通過(guò)進(jìn)一步分子分型為后續(xù)精準(zhǔn)治療等臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。值得一提的是，蛋白基因組的整合分析可以有效糾正基于基因組分析的不準(zhǔn)確信息，并帶來(lái)意想不到的結(jié)果以及新的癌癥治療方案。雖然文中提出的潛在治療方案有待進(jìn)一步驗(yàn)證，但是對(duì)于結(jié)腸癌精準(zhǔn)治療具有重要的指導(dǎo)意義。該研究思路與成果為相關(guān)疾病的研究工作提供了新思路，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)蛋白質(zhì)組學(xué)以及修飾蛋白質(zhì)組學(xué)在藥物靶點(diǎn)、疾病分型以及個(gè)性化治療研究工作中的重要意義。

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