Cell: 转录组和蛋白组等多组学联合分析揭示肺腺癌(LUAD)的发病机制

2021-02-22 11:21:55, Dr. Mei 上海吉凯基因医学科技股份有限公司

肺癌是全球癌症发病率和死亡率最高的癌症，肺腺癌（LUAD）是非小细胞肺癌（NSCLC）最常见的组织学亚型，约占肺部恶性肿瘤的40％。肺腺癌（LUAD）的基因组研究提高了我们对该疾病生物学和靶向治疗的理解。但是，LUAD的蛋白质组学特征仍然知之甚少。2020年7月上海药物所谭敏佳团队发表在《Cell》上的论文通过对103例中国患者的LUAD进行了全面的蛋白质组学，磷酸化蛋白质组学，转录组和全外显子组测序数据的等多组学联合分析，揭示了肺腺癌（LUAD）发生发展新机制。这使得我们可以更全面地了解LUAD的发病机制，并为更精确的诊断和治疗提供机会。

点击这里免费获取资料

LUAD样本多组学分析概况

首先，作者对收集的103例来自未接受治疗的中国患者的成年非癌性相邻组织（NAT）配对的原始肺腺癌（LUAD）样本进行蛋白组、基因组及磷酸化蛋白组多组学全局性分析。top20突变基因，NAT及配对LUAD的蛋白组学鉴定出的蛋白情况，磷酸化蛋白组学鉴定出的磷酸化蛋白情况如图1所示。

图1. LUAD样本的多组学分析概况

LUAD样本多组学 CNA联合分析

肿瘤细胞中常发生基因拷贝数变异，接下来进行了基于全外显子组的体细胞拷贝数改变（CNA）分析，并检查了23,080个CNA对mRNA，蛋白质和磷蛋白表达的调节作用。CNA可以以顺式或反式模式正向或负向影响其蛋白质表达，表明CNA与mRNA和蛋白质丰度的高度相关性。同时揭示了SNV在DNA，mRNA和蛋白质水平上重叠情况及通过LC-MS/MS验证新型RNA剪接和融合转录本情况（图2）。这些分析表明，转录组，蛋白质组和磷酸化蛋白质组具有独特的功能，如果进行适当的整合，可进一步加深对LUAD的认知，并可以带来新的发现重要功能基因产物的机会。

图2. CNA对mRNA和蛋白质的功能影响

LUAD肿瘤组织中的蛋白质组学特征

随后作者研究了NAT及配对LUAD蛋白质组学特征。进行了如下分析实验：103对配对的LUAD患者中8252种蛋白质的主成分分析（PCA），肿瘤和NAT中差异表达的蛋白质及其相关的生物学途径分析，来自四种生物途径之一的代表性蛋白质及其与预后的关联分析，在肿瘤和NAT中差异表达的肺特征蛋白表达情况分析，发现三种蛋白质（AGER，SFTPA2和CACNA2D2）与预后显著相关（图3）。

图3. LUAD患者中肿瘤组织和NAT的蛋白质组学特征

具有EGFR或TP53突变的LUAD蛋白组学特征

为了研究单个驱动基因的突变如何影响蛋白质组和相关途径，作者对有或没有LUAD驱动基因突变的患者进行了显著改变的蛋白质检测。鉴定了四个与245个蛋白表达显着正相关或负相关的驱动基因，这些蛋白的大多数与EGFR或TP53突变相关。为了进一步建立遗传变异与其下游途径之间的联系，探讨了EGFR和/或TP53突变或不突变的患者的蛋白质组学概况，为EGFR和TP53具有不同突变状态的患者的蛋白质组学特征提供了新的见解（图4）。

图4. 具有EGFR/TP53突变的TNM I期LUAD和LUAD的蛋白质组学特征

LUAD蛋白质组学亚型及其与临床结果的联系

基于70种以上肿瘤样本中存在的1,567种最易变的蛋白质聚类分析，确定了三种蛋白质组学亚型。它们被命名为SI（高环境和代谢[EM-H]，n = 21），S-II（混合型，n = 48）和S-III（增殖和蛋白酶体[PP]，n = 34），具有明显的分子和临床特征（图5）。GSEA显示，S-1具有更高的环境和能量代谢，包括ECM受体相互作用，脂肪酸代谢和氨基酸代谢。S-III与蛋白质稳态和肿瘤增殖更相关，包括核糖体，蛋白酶体，蛋白水解，DNA复制等。S-II具有S-I和S-III的中间特征。

图5. LUAD的分子亚型及其与临床结果的联系

磷酸蛋白质组学的特点及其临床意义

接下来作者从磷酸化蛋白组学层面探究了三种蛋白质组亚型磷酸蛋白质组学的特点及其临床意义。结果发现了亚型特异性活化的激酶，包括S-I的AKT1，S-II的PRKCE和S-III的AURKB，PRRKA和MAPK14，且CTNNB1，SPTBN1和SNTB1的差异磷酸化与预后密切相关。对差异变化的磷酸位点的进一步研究表明，在S-1中观察到了与粘着斑有关的底物升高，而与RNA转运有关的底物减少了（图6）。磷酸化调控网络的建立及磷酸化蛋白质组学数据可提供有关LUAD分子特征的更多信息。

图6. LUAD磷酸化蛋白质组学特征及其与临床的联系

LUAD中潜在的预后生物标志物和药物靶标

在临床实践中，血浆或血清是发现生物标志物最广泛使用的标本，因为循环系统中的蛋白质可能反映了疾病的病理生理。此研究数据集提供了一个很好的机会来识别LUAD的潜在预后生物标志物。通过蛋白质组学数据发掘了潜在的药物靶标并验证了HSP 90b的血浆蛋白水平是独立队列中LUAD的潜在预后生物标志物（图7）。同时检测了美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物靶标IMPDH2和GAPDH的预后治疗效果。这些结果表明这些候选物在LUAD中具有潜在的治疗效果。