急性髓性白血�。ˋML）是一種臨床和遺傳異質(zhì)性疾病，其特征是骨髓浸潤與未成熟白血病原始細(xì)胞導(dǎo)致骨髓衰竭。盡管基因組學(xué)已經(jīng)幫助解決了AML的一些臨床異質(zhì)性，并揭示了特定的藥物靶點(diǎn)，但仍然存在許多挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)組學(xué)一直被認(rèn)為是一種很有前途的技術(shù)，可以補(bǔ)充基因組學(xué)來闡明癌癥生物學(xué)并識別診斷和預(yù)測生物標(biāo)記物。本文中，研究者利用多組學(xué)技術(shù)分析蛋白質(zhì)和基因的表達(dá)、細(xì)胞遺傳學(xué)和體細(xì)胞突變特征，從蛋白質(zhì)水平對AML患者分型，并為確認(rèn)致病機(jī)制和預(yù)測性生物標(biāo)志物的研究奠定基礎(chǔ)。

 

研究思路

文章詳情

文章題目：The proteogenomic subtypes of acute myeloid leukemia

中文題目：急性髓系白血病的蛋白基因組亞型

發(fā)表時(shí)間：2022.03

期刊名稱：Cancer Cell

影響因子：31.743

實(shí)驗(yàn)平臺：LC-MS/MS DDA+DIA、全轉(zhuǎn)錄組測序、基因組靶向測序等

DOI：10.1016/j.ccell.2022.02.006

研究內(nèi)容

· 蛋白質(zhì)組AML亞型的發(fā)現(xiàn)及其生物學(xué)特性

研究者的急性髓系白血�。ˋML）多組學(xué)研究主要包括四個(gè)部分，即蛋白質(zhì)表達(dá)、基因表達(dá)、基因突變和細(xì)胞遺傳學(xué)分析。首先，利用蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，使用無監(jiān)督分級聚類方法鑒定到了6個(gè)不同的蛋白質(zhì)組亞群（圖1B）。由于C1和C2都具有線粒體蛋白和線粒體相關(guān)過程的高水平表達(dá)，與其他四個(gè)cluster不同，因此研究者將這2個(gè)cluster合并為一個(gè)新cluster，命名為C-Mito，并利用GSVA確認(rèn)了這個(gè)合并cluster的獨(dú)特線粒體譜和所有5個(gè)cluster差異調(diào)節(jié)的通路富集圖譜（圖1C）。接下來，研究者探索了轉(zhuǎn)錄因子和激酶的表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)STAT家族的轉(zhuǎn)錄因子在 C-Mito 中的表達(dá)強(qiáng)度較低和C-Mito 中丙酮酸脫氫酶激酶 (PDHKs) 的顯著上調(diào)（圖1D和E）。

 

在蛋白質(zhì)組聚類分型后，研究者使用RNA測序技術(shù)分析AML的轉(zhuǎn)錄組特征，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組中5702個(gè)基因-蛋白質(zhì)對中的1588個(gè)存在顯著相關(guān)性，證實(shí)了AML原始細(xì)胞中RNA和蛋白質(zhì)之間的相關(guān)性在基因之間存在很大的異質(zhì)性。然而，對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行GSVA分析并與蛋白質(zhì)組GSVA結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)大多數(shù)通路和cluster中，除了與抗菌和抗微生物防御機(jī)制有關(guān)的少數(shù)過程外，二者的富集分?jǐn)?shù)沒有顯著相關(guān)性，說明在AML中，RNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)在很大程度上是不耦合的（圖1C）。

Fig.1 AML的蛋白質(zhì)組亞型

· 多組學(xué)聯(lián)合揭示AML的蛋白基因組學(xué)特征

接下來，研究者使用MOFA方法來整合并分析多組學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果。MOFA在一個(gè)可解釋的線性模型中將不同組學(xué)數(shù)據(jù)聯(lián)合分解成不同的變異源。這些變異源由廣義主成分意義下的潛在因子(LFs)表示，共確認(rèn)了28個(gè)LFs（圖2A）。其中，LF1在所有數(shù)據(jù)集中都是活躍的，代表了與NPM1突變和HOX基因相關(guān)的AML異質(zhì)性的特征維度，從而說明大多數(shù)病例中共同出現(xiàn)NPM1突變和HOX依賴基因的強(qiáng)表達(dá)，因此將這個(gè)因素稱為LF1-NPM1/HOX。值得注意的是，LF1-NPM1/HOX還檢測到與蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組中的主要組織相容性復(fù)合體相關(guān)的協(xié)調(diào)變異，且NPM1突變與特異的HLA相關(guān)的RNA和蛋白質(zhì)譜之間可能存在分子聯(lián)系。（圖2B和C）。使用MOFA來關(guān)注僅反映在蛋白質(zhì)組中的患者之間的變異性。在這里，最主要的因素是LF6；它揭示了與線粒體相關(guān)的基因驅(qū)動LF6-Mito的變異（圖2D）。而LF6-Mito主要檢測到分配給C-mito的患者（圖2E）。通過量化LF6-Mito和線粒體主成分(PC1-Mito)之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)一步證實(shí)了LF6的線粒體特征，該關(guān)聯(lián)是基于注釋到線粒體的蛋白質(zhì)計(jì)算得出的，顯示出顯著的相關(guān)性（圖2F）。為了進(jìn)一步證實(shí)不能通過轉(zhuǎn)錄組檢測到具有蛋白質(zhì)組C-Mito特征的患者，研究者基于蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組的線粒體基因進(jìn)行了獨(dú)立的主成分分析(PCA)。C-Mito患者再次僅通過蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)被檢測到(圖2G)。綜上所述，分配給C-Mito的患者亞群僅反映在蛋白質(zhì)組中，突顯了蛋白質(zhì)組學(xué)作為發(fā)現(xiàn)工具的重要性。

Fig.2 AML的蛋白質(zhì)組特征

· 蛋白質(zhì)組AML亞型的臨床和基因組特征

臨床相關(guān)性分析顯示，已確定的五種蛋白質(zhì)組AML亞型中有兩種與預(yù)后相關(guān)。C-Mito組的患者總體生存時(shí)間較短（OS）（圖3A）。Mito組和非Mito組的基本患者特征相似，因?yàn)樵谀挲g、性別分布或同種異體干細(xì)胞移植比率方面，兩組之間沒有顯著差異。然而，在細(xì)胞遺傳學(xué)風(fēng)險(xiǎn)組和突變特征方面存在差異（圖3C）。令人驚訝的是，盡管C-Mito的特點(diǎn)是OS較短，但根據(jù)ELN風(fēng)險(xiǎn)分類，C-Mito在有利的風(fēng)險(xiǎn)疾病特征中富集，而非Mito AML富集于不利風(fēng)險(xiǎn)特征，包括繼發(fā)性AML。C5組的OS比非C5組患者更長，且多因素分析表明C5是一個(gè)獨(dú)立的有利危險(xiǎn)因素（圖3D和E）。C5組患者DNMT3A突變頻率增加，可能會影響該組患者蛋白質(zhì)組和疾病預(yù)后情況（圖3F）。

Fig.3 AML蛋白亞型與強(qiáng)化誘導(dǎo)治療后生存期的關(guān)系

· Mito-AML亞型在獨(dú)立患者隊(duì)列中的驗(yàn)證

在75名具有遺傳特征的獨(dú)立隊(duì)列中驗(yàn)證了上述發(fā)現(xiàn)結(jié)果，該隊(duì)列與發(fā)現(xiàn)隊(duì)列相同，均接受了強(qiáng)化誘導(dǎo)治療。在驗(yàn)證隊(duì)列中，聚類分析獲得了3個(gè)亞型。其中一個(gè)cluster預(yù)測可能是C-Mito，并且富集了NPM1的突變（圖4A和B）。在對C-Mito預(yù)測貢獻(xiàn)最大的五個(gè)蛋白質(zhì)中，兩個(gè)與線粒體和MRPL19有關(guān)，兩個(gè)與核孔復(fù)合體有關(guān)，代表了C-Mito的重要預(yù)測特征，也是建立診斷標(biāo)志物panel的第一步（圖4D）。此外，驗(yàn)證隊(duì)列中無論是用預(yù)測方法或是通過無監(jiān)督聚類確定為C-Mito的患者，其OS均顯著短于非Mito患者（圖4E-G）。

Fig.4 基于驗(yàn)證隊(duì)列和機(jī)器學(xué)習(xí)的C-Mito預(yù)測

· Mito-AML定義的蛋白質(zhì)組網(wǎng)絡(luò)

為了進(jìn)一步了解C-Mito的生物學(xué)特性，研究者提取了與其他cluster相比具有顯著表達(dá)差異的前100個(gè)基因蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)中大多數(shù)屬于線粒體、核膜和染色質(zhì)調(diào)節(jié)器這三個(gè)生物學(xué)類別之一（圖5A）。通過附加前人發(fā)表的蛋白質(zhì)相互作用來獲得具有C-Mito特征蛋白質(zhì)的相互作用網(wǎng)絡(luò)，揭示了這些蛋白質(zhì)強(qiáng)大的相互連接性。C-mito的特點(diǎn)是幾乎所有線粒體蛋白（包括呼吸復(fù)合物I-V）的高表達(dá)，根據(jù)MOFA分析結(jié)果，這種現(xiàn)象僅能在蛋白質(zhì)水平上檢測到，而RNA水平不行（圖5B-E）。這些結(jié)果說明存在一種轉(zhuǎn)錄后機(jī)制導(dǎo)致線粒體蛋白在C-mito中積累，同樣，核孔成分也只在蛋白質(zhì)水平上調(diào)�；�于通路表達(dá)水平對患者進(jìn)行無監(jiān)督聚類分析發(fā)現(xiàn)主要包含C-mito的cluster特征是幾乎所有線粒體通路的顯著上調(diào)。然而，與其他cluster相比，有絲分裂吞噬和自噬相關(guān)的蛋白質(zhì)表達(dá)下調(diào)。由于這些是線粒體動力學(xué)調(diào)控和監(jiān)測的關(guān)鍵過程，這一發(fā)現(xiàn)表明，失調(diào)的線粒體蛋白質(zhì)量控制可能有助于解釋C-Mito表型。

Fig.5 Mito-AML 定義的蛋白質(zhì)組網(wǎng)絡(luò)

· MITO-AML對線粒體復(fù)合體I的依賴性

上述研究已將Mito-AML鑒定為高危AML亞型，研究者進(jìn)一步探究該亞型是否具有特殊的病理機(jī)制特征。對25個(gè)急性白血病細(xì)胞系進(jìn)行蛋白質(zhì)組檢測，共鑒定出8573個(gè)蛋白質(zhì)，將14個(gè)細(xì)胞系鑒定為Mito-high，11個(gè)為Mito-low（圖6A）。DepMap CRISPR數(shù)據(jù)庫中的10個(gè)AML系與研究者細(xì)胞系蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)整合分析發(fā)現(xiàn)其中6個(gè)是Mito-high，4個(gè)是Mito-low，Mito-High系比Mito-low系對線粒體復(fù)合體I基因的依賴性更強(qiáng)，而屬于復(fù)合體II-V的基因沒有差異（圖6B和C）。除了復(fù)合體I，參與DNA修復(fù)、組蛋白乙�；�和MTOR信號通路的基因在Mito-High細(xì)胞系中具有更強(qiáng)的依賴性。體外實(shí)驗(yàn)部分，研究者驗(yàn)證了兩個(gè)Mito組別對復(fù)合體I抑制藥物（以線粒體呼吸為靶點(diǎn)）治療的敏感性，發(fā)現(xiàn)Mito-high對這些藥物具有顯著的超敏反應(yīng)（圖6D）。此外，Seashore代謝分析表明Mito-high AML細(xì)胞系表現(xiàn)出更強(qiáng)的依賴復(fù)合體I的呼吸（圖6E）。與 Mito-low 細(xì)胞相比，venetoclax 治療導(dǎo)致 Mito-high 細(xì)胞耗氧率降低程度更高（圖6F），這種更強(qiáng)的依賴復(fù)合體I的呼吸也在發(fā)現(xiàn)隊(duì)列的原始樣品中進(jìn)行了驗(yàn)證（圖6G）。治療24h后通過流式細(xì)胞術(shù)比較膜聯(lián)蛋白V-/7AAD-細(xì)胞的比例，證實(shí)了Mito-AML患者離體的原始細(xì)胞對venetoclax的敏感性增加（圖6H）�？傊�，這些結(jié)果表明 Mito-AML 細(xì)胞與線粒體呼吸具有特異的聯(lián)系，這使得它們更容易受到靶向該代謝途徑的藥物的影響。

Fig.6 Mito-AML 的代謝通路與治療相關(guān)靶點(diǎn)

主要結(jié)論

本研究對252例接受統(tǒng)一治療的AML患者的骨髓活檢組織進(jìn)行的全面的蛋白質(zhì)基因組分析，以闡明AML的分子病理生理學(xué)，從而為未來的診斷和治療方法提供信息。除了深入的定量蛋白質(zhì)組學(xué)研究，分析內(nèi)容還包括細(xì)胞遺傳學(xué)圖譜和DNA/RNA測序，并鑒定到5種蛋白質(zhì)組亞型，每種亞型都反映了跨越基因組邊界的特定生物學(xué)特征。這些蛋白質(zhì)亞型中有兩種與患者預(yù)后相關(guān)，但沒有一種與特定的基因組異常有關(guān)。值得注意的是，一種亞型(Mito-AML)僅在蛋白質(zhì)組中被捕獲到，其以線粒體蛋白高表達(dá)為特征，預(yù)后較差，在強(qiáng)化誘導(dǎo)化療治療中緩解率降低，總生存期縮短。功能分析表明，Mito-AML在代謝上傾向于更強(qiáng)的依賴復(fù)合體I的呼吸，并且對BCL2抑制劑ventoclax的治療更敏感。

參考文獻(xiàn)

Jayavelu, Ashok Kumar et al. “The proteogenomic subtypes of acute myeloid leukemia.” Cancer cell vol. 40,3 (2022): 301-317.e12.