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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雜志報道了美國休斯敦貝勒醫學院研究人員利用基因、轉錄、蛋白及翻譯后修飾等多組學技術，對結腸癌/癌旁組織進行了系統、全面的分析，整合多組學結果為后續癌癥治療方案提供了新思路，同時也為生物標志物篩選、藥物靶點、分子分型等研究工作奠定理論基礎。

實驗背景

結腸癌是世界上死亡率排名第四的癌癥，其發病率和死亡率逐年上升。早期研究發現結腸癌具有家族聚集現象，可能與共同生活環境相關；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。近年來諸多基因、轉錄組學相關表明結腸癌患者存在許多基因突變，表明結腸癌的異質性；然而，海量數據并沒有為臨床治療提供有效的生物標志物和藥物靶點。信號蛋白是癌癥治療中最具吸引力的目標之一，但是針對結腸癌的磷酸化蛋白質組學研究卻鮮有報道。癌癥免疫治療最新研究進展強調用于評價免疫檢查點抑制劑療效生物標志物的重要性，對于個性化治療具有重要意義。蛋白基因組學的技術方法為相關研究提供了新思路。

實驗樣本

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

實驗流程與結果

作者對110例結腸癌腫瘤患者的癌組織和癌旁組織使用全外顯子組測序 (WXS)、基因組測序、RNA測序、microRNA測序、蛋白質組學以及磷酸化蛋白質組學等方法進行全面系統的分析。通過比較多組學數據結果發現Label-free蛋白質組學對基因功能的預測能力高于RNA測序分析，TMT蛋白質組學更優于前兩種，并突出蛋白質組學研究基因功能的優越性。

研究思路概況

01、體細胞突變及蛋白質組分析

使用WXS對106個癌組織和對應的血樣進行分析，并鑒定得到64010個體細胞單核苷酸變異 (SNVs) 以及7691個插入/缺失位點 (INDELs)。為進一步研究顯著突變基因，將實驗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個顯著突變的基因，其中高度突變組中有4個新發基因（CASP5、RNF43、LTN1和BMPR2）。同時，作者發現雖然多數蛋白的變化可以由基因突變結果進行預測，但也有部分蛋白的變化很難利用突變的結果進行預測。

作者以超過20%截短突變的基因作為腫瘤的抑癌基因標準，并從中發現SOX9這一抑癌基因，但SOX9蛋白卻在腫瘤細胞中顯著上調，進一步功能分析顯示SOX9在原發性CRC細胞中起致癌作用。這也說明僅憑基因組數據無法有效預測的蛋白的功能。

02、蛋白+磷酸化蛋白質組學，探尋結腸癌治療新靶點

作者發現成視網膜細胞瘤 (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，通過抑制E2F轉錄因子從而抑制細胞增殖（與其他癌癥結果不符）。進一步研究發現Rb磷酸化會抑制上述過程，調控E2F的4個Rb磷酸化位點在癌組織中磷酸化水平顯著上調。因此，在腫瘤組織中Rb和磷酸化Rb均發生顯著上調。通過相關性分析表明磷酸化Rb (而非RB1突變或缺失) 豐度增加將促進結腸癌增殖。

磷酸化Rb作為結腸癌的治療靶點

作者進一步對96對結腸癌組織和癌旁組織進行TMT蛋白質組學分析，共鑒定8067種蛋白。在癌組織中，2217顯著上調，2527顯著下調。將31種在癌組織中上調大于2倍的蛋白定義為結腸癌相關蛋白。綜合考慮磷酸化蛋白質組學分析結果，篩選得到4種含有癌癥相關磷酸化位點的蛋白作為結腸癌相關蛋白。由此看出，蛋白質組學和磷酸化蛋白質組學是互補的，兩者均可揭示基因組學遺漏的信息。另外，激酶作為重要的治療靶點，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。綜合考慮基因、蛋白和磷酸化蛋白組學結果，發現與結腸癌相關的蛋白和磷酸化蛋白與癌癥相關基因幾乎沒有重疊，因此，多組學聯合的方式可以更加系統、全面的解析病理機制，尋找新的藥物靶點，真正實現信息互補。

結腸癌相關蛋白組分析

03、利用蛋白組學進行分子分型，并挖掘精準治療策略

作者分別對轉錄、蛋白的結果進行無監督聚類，聯合蛋白和轉錄的分析結果可將結腸癌劃分為3個亞型：MSI、CIN和Mesenchymal，3個亞型在基因、轉錄和蛋白層面均存在顯著差異。

多組學整合-結腸癌分子分型

與其他亞型相比，MSI中糖酵解酶含量顯著上調，本研究結果顯示幾乎所有的糖酵解酶均與MSI中CD8浸潤呈現負相關。進一步通過相關性分析表明糖酵解活性與CD8浸潤性呈現顯著負相關，該實驗結果并不呈現于其他亞型。為了進一步驗證該實驗結果，采用SRM的方法對選定蛋白進行驗證。除此之外，丙酮酸激酶PKM是糖酵解過程中關鍵的限速酶，其中PKM2在人類癌癥中促進糖酵解和乳酸的生成。腫瘤糖酵解增加可通過破壞T細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細胞浸潤的關系

小編總結

文章作者首次使用蛋白基因組的方法對結腸癌進行全面系統的分析，整合多組學研究結果為結腸癌治療提供了新的潛在藥物靶點，通過進一步分子分型為后續精準治療等臨床應用奠定基礎。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確信息，并帶來意想不到的結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一步驗證，但是對于結腸癌精準治療具有重要的指導意義。該研究思路與成果為相關疾病的研究工作提供了新思路，同時也強調蛋白質組學以及修飾蛋白質組學在藥物靶點、疾病分型以及個性化治療研究工作中的重要意義。

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