蛋白基因组又一新作！Cancer cell：首次揭秘中国转移性结直肠癌分子表达特征

结直肠癌（CRC）发病率高居全球第四，每年近90万人死亡，其中转移性CRC占绝大多数。先前研究表明，衰老、不良饮食及生活习惯会加剧患者CRC风险，且基于多组学的分子亚型与预后密切相关。以往研究集中在非亚洲人群中的非转移CRC，不能完全适用于我国人群的CRC治疗。为此，亟待对我国 CRC队列进行分析，帮助实现适合我国的CRC个性化治疗。

今年9月，中科院上海生化细胞所吴家睿、曾嵘及海军医科大学张卫教授在《Cancer cell》在线发表“Integrated Omics of Metastatic Colorectal Cancer”的研究文章，该研究系统性分析了146例中国转移性CRC患者的基因组学、DIA蛋白组学和DIA磷酸化蛋白组学特征，为CRC的预后评估和个性化治疗提供理论依据。

研究路线

研究材料

中国CRC队列：146例患者的480个临床组织—原发灶和转移灶（T）、近端癌旁（P）和远端正常组织（N）、远处肝转移组织（LM）外周血细胞（BC）；其中76例早期-非转移CRC；70例为转移性CRC

研究方法

基因组学（全外显子测序、DNA甲基化芯片）、DIA蛋白组学、DIA磷酸化蛋白组学

研究结果

基因组学揭示我国CRC突变特征

首先，作者对146例CRC患者组织样本进行基因组学检测，通过与TCGA数据库的分析比对得到CRCs突变图谱。结果显示，APC、TP53和KRAS是最常见的癌症相关突变。

图1 CRCs突变图谱

接着，作者对我国CRC队列（CCRC）、TCGA CRC和MSK CRC三个数据集的人群进行比较，发现三个队列临床病理特征存在明显差异，且CCRC中CRC的发病率及转移性CRC（mCRC）的比例最高。

图2 不同队列的临床病理特征

作者进一步进行倾向性评分匹配西方队列人群，对三个队列患者的基因组特征进行比较分析，发现CCRC中APC、TP53、BRAF和PTEN突变频率皆低于西方队列。

图3 主要突变基因的不同队列间比较

最后，作者对CCRC队列中非mCRC和mCRC患者基因组学特征进行比较分析。与非mCRC相比，mCRC患者原发肿瘤中：1）整体突变负担降低；2）SMAD4和XIRP2基因突变频率升高；3）结肠癌和乳腺癌转移特征基因SBS1基因贡献率明显高于非mCRC患者；4）多克隆结构增加。

图4 转移与非转移结肠癌基因突变特征比较

蛋白组学揭示CCRC独特分子亚型

作者对146名CCRC患者原发肿瘤和远端正常组织进行DIA蛋白组学分析，通过共识聚类将其分成三个亚型（CC）：CCI集中在RNA加工和DNA错配修复（MMR）；CC2集中在细胞外基质-受体整合、粘着斑和免疫相关途径；CC3集中在DNA复制和代谢途径激活。进一步比较三个亚型临床特征，发现三种亚型具有不同的无复发生存率，CC3整体CRC患者及CC3中mCRC患者较CC1/2患者预后差，表明亚型是独立预后因素。

图5共识聚类法CCRC队列蛋白层面的分子分型

然而，在现有蛋白分型中，三种亚型中的mCRC和非mCRC均未显示出明显区分。为此，作者对CRC患者的原发肿瘤和远端正常组织进行DIA磷酸化蛋白组学分析，从中发现1487个差异磷酸化位点。进一步通过共识聚类，将其分成6个亚型（SC1、3、5富含mCRC；SC2、4、6富含非mCRC患者）。有趣的是，磷酸化蛋白组学数据将每种蛋白亚型中非mCRC与mCRC进行分离。

图6 CCRC队列磷酸化层面的分子分型

组学联合揭示mCRC独特分子特征

首先，作者比较了mCRC患者原发瘤和转移瘤的基因组学特征。结果显示，mCRC患者原发肿瘤和转移灶中观察到高度一致的基因突变谱，且与以往研究和西方CRC患者数据无明显差异。提示转移瘤来自原发肿瘤或同一祖先克隆。

图7 mCRC（转移性CRC型）原发肿瘤和转移瘤的基因组比较分析

接着，作者比较了原发肿瘤和转移瘤的蛋白差异情况。结果显示，转移瘤有更高的上调蛋白，这些差异蛋白可将原发瘤和转移瘤明显区分：1）上调蛋白主要集中在ECM-受体互作、药物代谢、细胞粘附和紧密连接相关；2）下调蛋白集中在代谢途径、脂肪酸降解、TCA循环和氧化磷酸化中。

图8 mCRC（转移性CRC型）原发肿瘤和转移瘤差异蛋白功能分析

此外，作者选取42名mCRC患者四种组织类型（N、P、T、LM）的蛋白组学和磷酸化蛋白组学数据，对其磷酸化位点丰度和蛋白质丰度进行相关性分析，发现所有相关性成双峰分布，且明显向正值偏移。为进一步寻找三种CC亚型间显著共调控的磷酸化位点-蛋白关系，作者利用ANOVA鉴定出954种磷酸化-蛋白对，在三种CC亚型中存在显著差异（CC2表现出明显的负向调控、CC1和3表现出更多的正相关）。值得注意的是，954个磷酸化-蛋白对将可分为三类：CC1neg、CC2neg和CC3neg。

图9 mCRC（转移性CRC型）不同亚型磷酸化调控差异

磷酸化蛋白组学分析揭示mCRC潜在药物靶标

考虑到蛋白激酶已被开发成癌症治疗的可行性靶标，作者对每种CC亚型的mCRC原发和转移组织中差异丰富的磷酸化位点推断出激酶活性。通过进行激酶-底物富集分析，作者发现不同的CC亚型富含不同激酶，且同一CC中原发和转移组织对同一激酶表现出不同活性。

接着，作者分析了42对配对的mCRC N -T或N-LM 组织中响应的磷酸底物丰度，结合蛋白组学数据，共发现251对激酶-磷酸底物，并通过相关性为每种CC亚型的原发和转移肿瘤构建激酶-底物网络。结果显示：1）每种亚型中，原发灶和转移灶间的激酶-底物网络存在明显差异；2）亚型内原发/转移灶激酶-底物网络差异大于亚型间原发性肿瘤差异。

图10  磷酸化蛋白组学潜在药物靶点分析

为进一步探索mCRC患者药物反应潜力，作者对31种miniPDX模型中的三种激酶抑制剂（阿法替尼、吉非替尼和雷戈非尼）进行药理测试，其中包括9对原发性转移肿瘤和13种原发肿瘤。我们通过肿瘤生长抑制来评估不同药物效果，并确定同一人的原发灶和转移灶对同一药物表现出不同的反应。此外，作者建立了基于1696个边缘强度特征的弹性回归模型，用于预测药物反应，证实激酶-磷酸底物网络在预测mCRC患者药物敏感性方面具有强大潜力。

图11   动物模型实验评价抑制剂

研究小结

本研究系统性分析了中国队列的转移性CRC中的基因组学、蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学数据。通过对数据的整体分析，证实：1）国人（亚洲人）CRC患者基因突变与西方人种不尽相同；2）蛋白组学有助于对CRC患者原发病灶进行分类，并具有预后预测价值；3）磷酸化蛋白组学数据有助于进一步区分转移和非转移患者，这是单纯蛋白组学数据所无法完成的；4）激酶-底物网络有助于筛选潜在药物靶点；5）即使同一患者，原发灶和转移灶对同一药物表现在不同的药物敏感性。综上，该研究为国人CRC提供了丰富的数据，为其临床预后评估和个性化治疗提供了扎实的理论基础。

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