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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(yī)學院研究人員利用基因、轉(zhuǎn)錄、蛋白及翻譯后修飾等多組學技術(shù)，對結(jié)腸癌/癌旁組織進行了系統(tǒng)、全面的分析，整合多組學結(jié)果為后續(xù)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(chǔ)。

實驗背景

結(jié)腸癌是世界上死亡率排名第四的癌癥，其發(fā)病率和死亡率逐年上升。早期研究發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌具有家族聚集現(xiàn)象，可能與共同生活環(huán)境相關(guān)；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(zhuǎn)錄組學相關(guān)表明結(jié)腸癌患者存在許多基因突變，表明結(jié)腸癌的異質(zhì)性；然而，海量數(shù)據(jù)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(jié)腸癌的磷酸化蛋白質(zhì)組學研究卻鮮有報道。癌癥免疫治療最新研究進展強調(diào)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(shù)方法為相關(guān)研究提供了新思路。

實驗樣本

110名結(jié)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(jié)腸組織

實驗流程與結(jié)果

作者對110例結(jié)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(zhì)組學以及磷酸化蛋白質(zhì)組學等方法進行全面系統(tǒng)的分析。通過比較多組學數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)Label-free蛋白質(zhì)組學對基因功能的預測能力高于RNA測序分析，TMT蛋白質(zhì)組學更優(yōu)于前兩種，并突出蛋白質(zhì)組學研究基因功能的優(yōu)越性。

研究思路概況

01、體細胞突變及蛋白質(zhì)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(fā)基因（CASP5、RNF43、LTN1和BMPR2）。同時，作者發(fā)現(xiàn)雖然多數(shù)蛋白的變化可以由基因突變結(jié)果進行預測，但也有部分蛋白的變化很難利用突變的結(jié)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(fā)現(xiàn)SOX9這一抑癌基因，但SOX9蛋白卻在腫瘤細胞中顯著上調(diào)，進一步功能分析顯示SOX9在原發(fā)性CRC細胞中起致癌作用。這也說明僅憑基因組數(shù)據(jù)無法有效預測的蛋白的功能。

02、蛋白+磷酸化蛋白質(zhì)組學，探尋結(jié)腸癌治療新靶點

作者發(fā)現(xiàn)成視網(wǎng)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(zhuǎn)錄因子從而抑制細胞增殖（與其他癌癥結(jié)果不符）。進一步研究發(fā)現(xiàn)Rb磷酸化會抑制上述過程，調(diào)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(diào)。因此，在腫瘤組織中Rb和磷酸化Rb均發(fā)生顯著上調(diào)。通過相關(guān)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(jié)腸癌增殖。

磷酸化Rb作為結(jié)腸癌的治療靶點

作者進一步對96對結(jié)腸癌組織和癌旁組織進行TMT蛋白質(zhì)組學分析，共鑒定8067種蛋白。在癌組織中，2217顯著上調(diào)，2527顯著下調(diào)。將31種在癌組織中上調(diào)大于2倍的蛋白定義為結(jié)腸癌相關(guān)蛋白。綜合考慮磷酸化蛋白質(zhì)組學分析結(jié)果，篩選得到4種含有癌癥相關(guān)磷酸化位點的蛋白作為結(jié)腸癌相關(guān)蛋白。由此看出，蛋白質(zhì)組學和磷酸化蛋白質(zhì)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(jié)果，發(fā)現(xiàn)與結(jié)腸癌相關(guān)的蛋白和磷酸化蛋白與癌癥相關(guān)基因幾乎沒有重疊，因此，多組學聯(lián)合的方式可以更加系統(tǒng)、全面的解析病理機制，尋找新的藥物靶點，真正實現(xiàn)信息互補。

結(jié)腸癌相關(guān)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(zhuǎn)錄、蛋白的結(jié)果進行無監(jiān)督聚類，聯(lián)合蛋白和轉(zhuǎn)錄的分析結(jié)果可將結(jié)腸癌劃分為3個亞型：MSI、CIN和Mesenchymal，3個亞型在基因、轉(zhuǎn)錄和蛋白層面均存在顯著差異。

多組學整合-結(jié)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(diào)，本研究結(jié)果顯示幾乎所有的糖酵解酶均與MSI中CD8浸潤呈現(xiàn)負相關(guān)。進一步通過相關(guān)性分析表明糖酵解活性與CD8浸潤性呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，該實驗結(jié)果并不呈現(xiàn)于其他亞型。為了進一步驗證該實驗結(jié)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(guān)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(guān)系

小編總結(jié)

文章作者首次使用蛋白基因組的方法對結(jié)腸癌進行全面系統(tǒng)的分析，整合多組學研究結(jié)果為結(jié)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(xù)精準治療等臨床應用奠定基礎(chǔ)。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(jié)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(jié)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(guān)疾病的研究工作提供了新思路，同時也強調(diào)蛋白質(zhì)組學以及修飾蛋白質(zhì)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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