景杰学术 | 报道
胃癌 (Gastric cancer, GC) 是一种恶性、侵袭性肿瘤，具有复杂的组织学和病因异质性。患者在患病初期往往无明显的表现症状，直到病情晚期才被检测出来，导致其预后极差，研究表明只有28.3%的患者能够存活5年以上。因此迫切需要确定具有早期诊断价值的新型靶标，以确定有效的医学诊断方法。许多研究已通过基因组和转录分析对癌症的分子机制进行了报道，而蛋白质动力学 (protein dynamics) 对于确定癌症表型至关重要。
2021年2月16日，中国医科大学附属第一医院王振宁教授课题组在著名学术期刊Genomics, Proteomics & Bioinformatics 发表题目为“Screening of Potential Biomarkers for Gastric Cancer with Diagnostic Value Using Label-free Global Proteome Analysis”的最新研究成果 [1]，使用label-free蛋白质组分析方法对60例GC及健康组织进行了大规模蛋白质组学分析，鉴定到537种差异性表达的蛋白质，筛选出15种具有GC诊断潜力的枢纽蛋白，还在此基础上构建了一种四个蛋白联合的诊断模型(ATP5B-ATP5O-NDUFB4-NDUFB8)，可有效区分GC组织与健康对照。该研究增进了对GC发病机理的了解，提供了新的治疗靶标。文本的第一作者为宋永喜和王俊，景杰生物为该研究提供技术援助。
Figure 1 Workflow
该研究首先使用label-free蛋白质组学定量技术（质谱策略），对30例原发肿瘤组织及其邻近健康组织（样本策略）进行检测（Figure 2），共鉴定到10,615种蛋白质，其中组间差异性表达的蛋白质 (DEPs) 537种（280种上调，257种下调），最显著的top 10是DMBT1, SPB5, CPSM, KI67, CEAM5, ATP4A, ATP4B, CLIC6, KCRB, LIPG。亚细胞定位显示，DEPs大多富集于线粒体，提示GC蛋白质组涉及到肿瘤能量代谢。GO分析显示，上调的DEPs集中在细胞核、DNA和RNA的活性，下调的DEPs集中在线粒体过程、细胞呼吸、氧化磷酸化。
Figure 2 GC中差异表达蛋白 (DEPs) 谱全景及相关分析使用IPA数据库 (The ingenuity pathway analysis) 进一步对DEPs进行分类，以识别GC中具有潜在重要诊断价值的蛋白质。结果显示，DEPs显著富集在氧化磷酸化、线粒体功能障碍、sirtuin信号通路以及TCA循环。值得注意的是，与正常癌旁组织相比，GC组织中有25条显著变化的信号通路（5条被激活，20条被抑制），其中sirtuin信号被显著激活；氧化磷酸化受到显著抑制，该条通路上所有鉴定到的蛋白质均下调（Figure 3）。此外，最活跃的功能为肿瘤细胞组织入侵等，最抑制的功能为脂质分泌通路。该研究还鉴定到72种潜在的癌症、胃肠道疾病的生物标志物，以及25个网络，最显著的为细胞信号转导、翻译后修饰、蛋白质合成、蛋白质运输、能量产生、核酸代谢、小分子生化、细胞间信号传递和互作。Figure 3 激活/抑制通路以及潜在的枢纽蛋白研究接下来从显著富集的通路中筛选了15种枢纽蛋白质进行生物标志物分析，并通过ROC生存曲线分析其诊断性能，结果显示其中13个都有较高的AUC值 (＞0.8)，证明这些枢纽蛋白质是诊断GC的潜在标志物，其中NDUB8 (O95169) 和 CX7A2 (P14406) 最为突出。使用60例GC样本及其健康对照进行了上述结果的验证，在15种枢纽蛋白质中发现8种差异性表达，ATP5O（P48047）和NDUB4（O95168）预见能力最高（Figure 4）。Figure 4 筛选和验证作为胃癌诊断标志物的潜在蛋白质研究在以上发现的基础上，使用随机森林模型结合每种蛋白质的性质，搭建了一种多蛋白标记模型，以提高诊断潜力、敏感性和特异性，最终选用了NDUB4 (O95168), ATP5B (P06576), ATP5O (P48047), 和NDUB8 (O95169)，AUC值能达到0.996，精确性为98.3%，即得到了一种对GC有高识别潜力的四个蛋白联合的诊断模型(ATP5B-ATP5O-NDUFB4-NDUFB8) （Figure 5）。对于它的稳定性和诊断能力，分别在组织和血液样本中得到了相关验证。Figure 5 建立和验证四蛋白标记模型的胃癌诊断潜力通过使用label-free蛋白质组分析方法，本篇研究对30例胃癌（GC）组织和30例匹配的健康组织进行了大规模蛋白质组学分析，鉴定到537种差异性表达的蛋白质。IPA分析显示，GC组织中sirtuin信号通路被激活，而氧化磷酸化被抑制，此外肿瘤细胞的组织侵袭最为活跃。结合ROC曲线分析可知，15个枢纽蛋白在区分肿瘤和健康对照时显示出很高的诊断能力。研究在此基础上使用随机森林模型构建了一种具有较高诊断潜力的四蛋白 (ATP5B-ATP5O-NDUFB4-NDUFB8)标记模型，可有效区分GC组织与健康对照。总之，这项研究确定了显著失调的蛋白及潜在生物标志物，增进了对GC发病机理的了解，提供了新的治疗靶标。
景杰生物为该研究提供label-free蛋白质组学技术援助，感谢中国医科大学附属第一医院王振宁教授课题组的信任和支持！
[1] Yongxi Song, Jun Wang, et al., 2021. Screening of Potential Biomarkers for Gastric Cancer with Diagnostic Value Using Label-free Global Proteome Analysis. Genomics, Proteomics & Bioinformatics.
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邹文安