Cancer Cell蛋白质基因组学再攻癌症堡垒

专家点评 | Science Advances：全新解析三羟基丁酰化修饰调控酶和蛋白底物

景杰学术 | 报道

蛋白质基因组学 (proteogenomic) 即通过整合基因组学、转录组学、表观转录组学、蛋白质组学、蛋白质修饰 (磷酸化、乙酰化、乳酸化等) 组学等高通量测序技术，利用大规模临床疾病样本，在蛋白质水平上发现并验证与疾病相关的基因突变、可变剪切，检测疾病状态下蛋白质表达量、翻译后修饰水平等方面动态变化，以揭示疾病发生发展规律，寻找疾病诊断/预后生物标志物、潜在药物治疗靶点，为最终实现疾病的精准医疗夯实科学基础。

近两年，尤其在癌症研究领域，蛋白质基因组学更是帮助科学家“攻城拔寨”，顺利地完成了肝癌 [1,2]、肺癌 [3-5]、乳腺癌 [6] 等十几种常见癌症的功能研究，加快了癌症精准研究的步伐。2021年2月11日，圣路易斯华盛顿大学医学院丁莉 (Li Ding) 教授，美国太平洋西北国家实验室Karin Rodland博士、刘涛 (Tao Liu) 博士等研究人员再度联手，在癌症生物学领域著名期刊Cancer Cell (IF=26.602) 上发表题为“Proteogenomic and metabolomic characterization of human glioblastoma”的研究论文 [7]。他们通过整合蛋白质基因组学等多维组学数据，包括基因组 (WGS, WES)、转录组 (RNA, miRNA, snRNA)、蛋白质组、修饰组 (DNA甲基化，蛋白质磷酸化、乙酰化)、脂质组学和代谢组学（质谱策略），首次全面分析了胶质母细胞瘤(Glioblastoma, GBM) 的分子特性。

一、GBM蛋白质基因组学研究

此次队列研究共纳入了99例未经治疗的GBM成人患者脑组织/血液样本（样本策略），其中6例患者为IDH1 R132H基因突变，1例患者为少见的IDH1 R222C基因突变；此外，还包含了GTEx中10例正常成人脑组织数据。基因组数据显示，GBM中致/抑癌基因 (EGFR, PDGFRA, PTEN, NF1) 含有许多结构变异 (structural variants, SVs)，端粒逆转录酶启动子 (TERTp) 的突变变异等位基因频率 (VAF) >5%。根据基因表达的相似性，研究人员将92例IDH1野生型患者细分为三种亚型：nmf1 (proneural; n=29), nmf2 (mesenchymal; n=37) 以及nmf3 (classical; n=26)。通路富集分析 (RNA、蛋白质、磷酸化位点) 表明，nmf1型富集于突触囊泡循环、神经递质传递功能，nmf2型富集于固有免疫应答，nmf3型中mRNA剪接、代谢功能增强。不仅如此，蛋白质乙酰化修饰组学数据表明，在nmf1型中，参与TCA循环、氨基酸代谢蛋白质的乙酰化修饰水平高，nmf2型乙酰化修饰蛋白质主要与过氧化物酶体、TCA循环、糖酵解功能相关，nmf3中乙酰化蛋白质则主要参与染色质组装DNA损伤修复过程。将组学数据与临床生存信息进行联合分析，研究人员发现HIST3H2BB低表达，MT-CYB、PRODH高表达的GMB患者预后预后较差。随后，研究人员还根据DNA甲基化修饰水平的不同，又将GBM患者分为了dm1~6型。

图1 GBM蛋白基因组学数据汇总

二、基因变异对蛋白质丰度及磷酸化修饰水平的影响

通过综合分析基因变异 (突变、融合、拷贝数变异CNVs、SVs) 与RNA、蛋白质表达情况以及磷酸化修饰位点数量的相关性，研究人员发现EGFR和PDGFRA变异都能导致各自RNA、蛋白质的表达量以及相应蛋白质磷酸化修饰水平的升高。不仅如此，EGFR变异还伴随着β-catenin蛋白质表达量以及PTPN11、PLCG1磷酸化修饰水平的升高。另一方面，在TP53突变的患者中，研究人员发现ATR、MAPK3、CDK2和CDK9的蛋白质及磷酸化修饰水平都升高，而癌基因MDM2则在RNA、蛋白质表达量水平上出现下降。另外，TP53 (S315) 、TP53BP1 (S1099, S1106, S1109) 磷酸化水平则和TP53蛋白质表达量具有正相关性。RB1基因变异引起RB1蛋白质表达量显著减低，但却上调了MCM2、MCM4和MCM6的蛋白质含量。

图2 GBM中关键基因突变对其他分子事件的影响

三、RTK信号通路处于激活状态

已有研究报道，在GBM中，与RTKs (receptor tyrosine kinases) 信号相关蛋白质 (EGFR, PDGFRA, MET) 编码基因常出现明显扩增。的确，研究人员发现，45例具有EGFR SV的GBM患者全都出现了EGFR拷贝数扩增，提示EGFR SV与CNV之间的相关性；并且，EGFR突变也导致了其RNA、蛋白质、Y1172磷酸化修饰水平的增强，证明EGFR处于激活状态。不仅如此，EGFR变异还伴随着其他蛋白质表达量、磷酸化修饰水平的升高，其中包括Plecstrin同源域家族A成员 (Pleckstrin homology like domain family A member, PHLDA)——PHLDA3和PHLDA5，转录因子SOX9，细胞黏附蛋白CTNND2 (δ-catenin)，细胞周期蛋白CDK6 和CDKN2C。

图3 GBM中RTKs信号相关分子事件的变化

四、组蛋白乙酰化修饰水平在不同GBM亚型间相互区别

组蛋白乙酰化修饰 (acetylation) 影响染色质重塑，在基因表达等细胞功能调控过程中发挥重要作用。大量研究表明，组蛋白乙酰化修饰水平异常变化与恶性肿瘤的发生密切相关。此项工作中，研究人员在GBM组蛋白上 (H1, H2A, H2B, H3.3, H4) 共检测到了30余个乙酰化修饰位点，且乙酰化修饰水平在整体上明显高于正常组，其中，部分GBM表现为H1、H2B、H3.3和H4的乙酰化修饰水平增强，而部分GBM仅H2B氨基端乙酰化修饰水平增强。值得注意的是， H2B乙酰化修饰水平与CREBBP/EP300乙酰基转移酶的蛋白质表达量、乙酰化修饰水平呈正相关，提示H2B乙酰化修饰水平的增强依赖CREBBP/EP300活性。而在H2B乙酰化增强的GMB中，参与苏木化修饰 (SUMOylation) 的关键蛋白质SUMO1和UBE2I的表达量也显著升高。

图4 GBM中组蛋白乙酰化修饰水平的变化

除了上述内容外，研究人员还详尽分析了GBM脂质、代谢物、潜在治疗靶点、肿瘤微环境等其他方面特点。总的来说，这项研究是目前GBM中最全面的蛋白基因组学研究，不仅为未来GBM发生、发展机制研究提供了重要理论基础，也为GBM的精准分型、药物开发、个体化治疗断提供了新的思路和策略。

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参考文献：

1. Qiang Gao, et al. Integrated proteogenomic characterization of HBV-related hepatocellular carcinoma. Cell (2019).

2. Ying Jiang, et al. Proteomics identifies new therapeutic targets of early-stage hepatocellular carcinoma. Nature (2019).

3. Jun-Yu Xu, et al. Integrative proteomic characterization of human lung adenocarcinoma. Cell (2020).

4. Michael A. Gillette, et al. Proteogenomic characterization reveals therapeutic vulnerabilities in lung adenocarcinoma. Cell (2020).

5. Yi-Ju Chen, et al. Proteogenomics of non-smoking lung cancer in east Asia delineates molecular signatures of pathogenesis and progression. Cell (2020).

6. Karsten Krug, et al. Proteogenomic landscape of breast cancer tumorigenesis and targeted therapy. Cell (2020).

7. Liang-Bo Wang, et al. Proteogenomic and metabolomic characterization of human glioblastoma. Cancer Cell (2021).

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