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多方合作在Cell上發(fā)表整合蛋白基因組揭示兒童腦瘤背后的通路研究

 漠藩 2021-02-25

兒童腦瘤(pediatric brain tumors)是幼兒癌癥中致死率較高的癌癥,盡管基因組學(xué)研究已經(jīng)揭示了兒童腦瘤的部分機(jī)制,但是由于兒童腦瘤的基因組具有低突變性(low mutational burden)等特點(diǎn),僅僅依靠基因組學(xué),或者轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù),無法準(zhǔn)確的定位其背后的生物學(xué)通路。

近日,由美國臨床腫瘤蛋白質(zhì)組分析協(xié)會(huì)(Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium,CPTAC)牽頭的多個(gè)課題組在Cell上聯(lián)合發(fā)表了整合蛋白基因組數(shù)據(jù)(Integrated Proteogenomic )對(duì)兒童腦瘤的不同病理分型進(jìn)行研究的論文,該論文為第一篇針對(duì)兒童腦瘤進(jìn)行大規(guī)模蛋白基因組表征的論文,為疾病分型,腫瘤微環(huán)境研究,潛在的藥物靶點(diǎn)研究等提供了新的思路(1)。

在該論文中,作者展示了完整的蛋白基因組工作流程。首先使用全基因組測序,RNA測序,蛋白質(zhì)TMT定量(完整蛋白質(zhì)組和磷酸化蛋白質(zhì)組),蛋白質(zhì)MRM定量技術(shù)對(duì)臨床上7種基于病理的分型進(jìn)行分析。這7種分型包括低程度膠質(zhì)瘤(low-grade glioma, LGG),室管膜瘤(ependymoma, EP),高程度膠質(zhì)瘤(high-grade glioma, HGG), 髓母細(xì)胞瘤 (medulloblastoma, MB),神經(jīng)節(jié)膠質(zhì)瘤(ganglioglioma),顱咽管瘤(craniopharyngioma, CP)以及橫紋肌樣瘤(atypical teratoid rhabdoid tumor, ATRT)。

實(shí)驗(yàn)中共收集到7種分型共218例組織樣本,由于樣品的稀有性和磷酸化修飾的特性,需要有高通量和高準(zhǔn)確性的方法快速對(duì)樣品進(jìn)行分析,因此作者選擇了11標(biāo)TMT標(biāo)記技術(shù)。在11標(biāo)TMT技術(shù)中,作者選擇前10個(gè)通道對(duì)單個(gè)樣品進(jìn)行標(biāo)記,然后選擇第11個(gè)通道作為參考通道(Bridge channel),用于保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量,隨后一針進(jìn)樣即可完成定性和定量分析。隨后進(jìn)過常規(guī)樣品制備和磷酸樣樣品富集后,作者使用11標(biāo)TMT技術(shù)對(duì)全蛋白和磷酸化蛋白質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過QC過濾,定性定量分析后,218例樣本共鑒定并定量出8802個(gè)蛋白質(zhì)(平均鑒定數(shù)5122)和18235個(gè)磷酸化位點(diǎn)(平均鑒定數(shù)2714)。隨后作者使用蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行非監(jiān)督聚類分析,共生成8個(gè)分型(C1-C8)。

將基于蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組與基于病理特征的分型相比(圖1.a),部分分型高度重合(EP和MB),其余分型重合度不高。值得注意的是基于蛋白質(zhì)組的分型中的C4和C8,他們大致對(duì)應(yīng)病理分型中的CP分型。根據(jù)已有的報(bào)道,基因CTNNB1上的突變是CP分型的重要因素,而在該次實(shí)驗(yàn)中,CTNNB1突變與C4和C8分型關(guān)聯(lián)不大;根據(jù)蛋白組數(shù)據(jù),C4分型與病理分型中的LGG分型更為相似。根據(jù)蛋白質(zhì)分型,可以將LGG細(xì)分為2個(gè)亞型。更為重要的是,根據(jù)基因組學(xué)分析結(jié)果,CP分型關(guān)聯(lián)至下游的磷酸化激酶(MEK/ERK/AKT)的上調(diào),而根據(jù)磷酸化蛋白數(shù)據(jù),C4分型的磷酸化激酶也呈上調(diào)趨勢。

值得注意的是,在該次實(shí)驗(yàn)中,RNA數(shù)據(jù)和全蛋白數(shù)據(jù)的上調(diào)因子中,均沒有磷酸化激酶;只有磷酸化蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)中,磷酸化激酶(AKT1)顯著上調(diào),提示了磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的重要性(圖1.b)。磷酸化激酶是針對(duì)CP分型藥物的作用靶點(diǎn),之前CP分型的針對(duì)性藥物只針對(duì)CTNNB1突變病例,并不推薦給其他病人;而根據(jù)磷酸化蛋白質(zhì)數(shù)據(jù),部分C4分型的病例,雖然不存在CTNNB1突變,但磷酸化激酶的表現(xiàn)與CP分型抑制,因此也可適用于針對(duì)CP分型的藥物。

圖1 | a、病理分型與蛋白質(zhì)組分型與RNA、蛋白質(zhì)、磷酸化蛋白質(zhì)的相關(guān)性

b、RNA、全蛋白質(zhì)組、磷酸化蛋白質(zhì)組中的顯著性差異的因子

為了驗(yàn)證該推論,作者選取了磷酸化通路(MEK/ERK)中部分關(guān)鍵蛋白質(zhì)作為標(biāo)志物,使用質(zhì)譜MRM定量方法對(duì)樣本中的磷酸化蛋白質(zhì)進(jìn)行靶向定量(圖2)??梢钥闯觯琈RM結(jié)果驗(yàn)證了C4分型的磷酸化激酶存在顯著性變化,而AUC結(jié)果則提示,磷酸化蛋白質(zhì)MRM定量可以作為臨床分型的準(zhǔn)確依據(jù)。

圖2 | 部分MEK/ERK通路中關(guān)鍵磷酸化蛋白質(zhì)的MRM定量結(jié)果

隨后作者利用整合的數(shù)據(jù),對(duì)不同亞型的腫瘤微環(huán)境進(jìn)行分型,并與蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。同時(shí)比較了上游基因突變結(jié)果和拷貝數(shù)變化(Copy Number Variation, CNV)之間的關(guān)系,指出雖然在兒童腦瘤中,體細(xì)胞存在突變現(xiàn)象,但體細(xì)胞突變(somatic mutation)沒有導(dǎo)致下游蛋白質(zhì)的變化。此外,實(shí)驗(yàn)還揭示了磷酸化位點(diǎn)豐度與CNV之間的顯著關(guān)聯(lián)性,在TCF4, TCF25和CTNNB1基因中,RNA豐度與蛋白質(zhì)/磷酸化豐度顯著相關(guān),提示蛋白質(zhì)磷酸化變化在兒童腦瘤中的重要作用。

在最后的總結(jié)討論中,作者指出盡管在目前的實(shí)際臨床實(shí)踐中,病理分型依然占據(jù)主流,但結(jié)合不同組學(xué)數(shù)據(jù)的分子分型具有更大的潛力。在該實(shí)驗(yàn)中,基于蛋白質(zhì)組/磷酸化蛋白質(zhì)組的分子分型,將病理上的CP分型細(xì)分為2個(gè)亞型,并且指出該亞型可以適用與之前不被推薦的靶向藥物,為疾病治療提供了新的思路。

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參考文獻(xiàn)

F. Petralia et al., Integrated Proteogenomic Characterization across Major Histological Types of Pediatric Brain Cancer. Cell,  (2020).

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文章來源于鹿明生物

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