癌症研究新篇章，Cell | 癌细胞系的蛋白质组百科全书

迄今为止，包括癌细胞系百科全书（CCLE）在内的细胞系集合大规模分析，多数集中在遗传信息分析上，对蛋白质组的深入研究仍远远不足。2020年1月23日，Cell在线发表了题为：Quantitative Proteomics of the Cancer Cell Line Encyclopedia的最新研究成果。来自美国哈佛医学院Steven P. Gygi、David P. Nusinow等研究人员通过质谱法，对CCLE中375种不同来源细胞系的数千种蛋白质进行定量蛋白质组分析，为癌细胞百科全书增添了全新的篇章。

▶  对来自CCLE中不同谱系的375个癌细胞系的蛋白质组进行分析；

▶  分析了多种途径中相关蛋白质的表达；

▶  微卫星不稳定性细胞系中，复杂蛋白复合体下调表达；

▶  分析了与基因敲低和突变敏感性相关的蛋白复合物。

1.高深度、高广度的蛋白质组定量分析

作者从CCLE中选择375个细胞系进行TMT蛋白质定量分析。这些细胞系分布在22个谱系中，以组织器官为主（图1A），共鉴定到12755个蛋白，其中9000个蛋白质可以在大多数样本中鉴定到（图1B）。对（图1A）中所示的前18个细胞系进行蛋白组学分析，每组3个生物学重复，且后2个生物学重复是在第一个生物学重复一年后产生的，聚类分析发现检测的所有细胞系中后2个生物学重复聚类更紧密。（图1C）。

图1 | 375个不同肿瘤细胞的蛋白质组学定量分析

层次聚类与组织谱系具有一定的一致性（图2A）。RNA数据的聚类具有类似的复杂聚类（图2A）。在这两种情况下，皮肤和造血淋巴系比其他系更紧密地聚集在一起，蛋白质数据的组织谱系一致性略低于RNA。通过蛋白和RNA表达的相关性，蛋白组数据与来自同一细胞系的相应RNA的相关性最高（图2B）。RNA和蛋白质表达之间的相关性变化很大，平均值略低于0.5，与前人的研究一致（图2D）。

图2 | 蛋白质与RNA表达的相关性

2.相关的生物学途径和过程组织了大量的蛋白质表达

主成分分析（PCA）表明：造血和淋巴系与组织器官分离，构成PC1投射的很大一部分（图3A），之后，作者进一步的从分析中移除造血和淋巴系（图3B）。基于前人研究，蛋白质复合物的组成被描述为蛋白质组变异的主要驱动因素。但这些共变异表达如何影响的结果尚不清楚。作者假设PC1的投射可能是由有组织的蛋白质共同表达引起的，因为它们具有共同的生物功能，而不是组织谱系或突变。为了测试这一点，作者使用GSEA对PC1中的蛋白质进行信号通路分析，超过200条信号通路富集（图3C和4B）。GO分类富集分析发现还有数百个基因集具有丰富的共表达（图4A和4C）。然而，当对RNA数据的PC1进行GSEA富集分析时，沿着RNA PC1富集的pathway和GO类别要少得多（图4B和4C）。

图4 | 跨生物过程的协同表达与细胞蛋白质组变化有关

3.蛋白复合物在微卫星不稳定细胞系中的差异表达

作者试图研究高突变负荷对蛋白质组的影响。而MSI是CCLE超突变的主要形式。mRNA数据中有超过1000个与MSI相关的显著上调和下调基因（图5A）。然而，与之形成鲜明对比的是，蛋白质表达数据显示与50个蛋白表达与MSI相关，其中30个与mRNA数据中鉴定到。

图5 | 微卫星不稳定性与蛋白复合物的下调有关

4.MSI相关蛋白与MutL和MutS复合物表达的差异相关

虽然同一个复合物的成员之间的关系很清楚，但不同的复合物是如何相互联系的还不清楚。将在所有样本中发现的蛋白质的MSI系中的表达模式关联起来，显示出多个簇（图6A）。正如所料，同一复合体内的蛋白质聚集在一起。HMT复合蛋白存在于含有MutL的簇中。相反，MRN和SKI复合体以及LTN1与MutS复合体聚集在一起（图6A）。而在非MSI系中，这些复合物之间的相关关系非常不同（图6B）。

MSI是超突变的一种形式，为了研究MSI、突变负荷或其组合是否是导致上述聚类的原因，作者比较了每种蛋白质表达的三个线性模型：一个使用MSI状态，一个使用总突变负荷，一个使用MSI状态和突变负荷之间的相互作用。其表达与MutL相关的一组蛋白质通常最适合单独使用MSI状态的模型（图6C）。而在包含MutS、SKIV2L、TTC37和LTN1的集群中，因为考虑突变负荷通常会改进模型，使其适合于单独的MSI状态（图6D）。

5.RPL22突变与MSI中差异表达的蛋白复合物有关

前期的研究鉴别出RPL22是MSI子宫内膜癌的突变热点，当RPL22缺失时，RPL22L1表达提供功能替代。RPL22与错配修复等复合物中的蛋白质表达变化有独特的关联（图6E）。RPL22在MSI细胞中的表达与MutS复合物聚集在一起（图6A），最适合RPL22和RPL22L1的模型是MSI和突变负荷的组合（图6F），如SKI复合物和LTN1。对DRIVE数据的分析表明，一些失配修复复合物成员的蛋白表达与WRN基因敲除的敏感性相关（图6G）。令人惊讶的是，SKI复合蛋白SKIV2L和TTC37也与WRN敏感性相关，进一步证明它们的下调与MSI相关。预测对RPL22L1和WRN丢失敏感的蛋白表达是SKIV2L（图6H）。因此推测RPL22L1的敏感性与引起MSI的蛋白质的状态没有紧密联系，但可能更与SKI复合物和核糖体相关的表型有关。

6.蛋白复合物水平与基因敲除和突变敏感性有关

在DRIVE数据中，有几个基因对敲除的敏感性与蛋白质复合物的至少一半成员相关（图7A）。其中包括与其组成部分之一的基因敲除相关的复合物，包括ATR-ATRIP和复制蛋白A（RPA）复合物（图7A-7C）。根据这些基因的已知功能，与基因敲除相关的复合物都与细胞分裂有关，包括染色体复合物（CPC）和细胞周期蛋白依赖激酶（CDK）复合物。MDM2基因敲除敏感性与微染色体维持蛋白复合物（MCM）复合物的数量有关（图7A、7D和7E）。与个别突变相关的蛋白质复合物变化的额外分析恢复了与RPL22突变相关的失配修复和SKI复合物以及如上所述的激酶插入域受体（KDR）（图6E和7J）。然而，SUMO E1异二聚体与丝氨酸内肽酶PCSK7的突变有唯一的关联（图7J-7L）。PCSK7与MSI改变的一些蛋白质有关（图6E），但与MSI或SUMO没有已知的联系。

图7 | 蛋白质复合物与特定基因敲除敏感性和突变相关

蛋白质组的一个基本组织原理是通路之间的协同表达，这种广泛的组织与大约75%的表达蛋白质相关。对微卫星不稳定（MSI）细胞系的分析发现，跨样本基因的蛋白水平和转录水平相关系数较低，暗示了利用RNA-seq数据推测蛋白表达水平具有一定的局限性。通过生物学途径与功能基因注释富集分析发现，蛋白质表达的主要变化是围绕生物学途径进行的，并且在不同的途径的组成成分之间存在一定的相关性。同时，研究者还利用本次定量蛋白质组学数据详细解读微卫星不稳定( microsatellite instable, MSI )细胞系与一些特定蛋白复合物表达之间的联系，探究了MSI状态下对基因敲除与突变具有敏感性的蛋白复合物的表达情况，为癌症基因组学和癌症精准治疗发展提供新思路。

部分文献参考

David P.Nusinow, John Szpyt,et al. Quantitative Proteomics of the Cancer Cell Line Encyclopedia [J]. Cell .,2020 Jan.

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小白龙 撰文

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