蛋白基因组又一力作！10大组学揭示恶性胶质瘤分型及治疗靶标

蛋白基因组是将个体的基因背景信息与蛋白组/修饰组学等下游数据结合，验证肿瘤相关的基因变化，为预后判断、个性化精准医疗提供新的指导。近两年已广泛应用于临床肝癌、肺癌、乳腺癌、脑癌等多种肿瘤研究，前两年Cell系列已经发12篇了，甚至肺癌同一天还Cell 3连发过～本月又一蛋白基因组力作发表啦，这已是今年的第2篇了，要做就要趁早哦~

恶性胶质瘤（GBM）是最常见的原发性恶性脑肿瘤，美国每年大约有12000个新病例，中位数生存率为两年以下。GBM分为IDH野生型（IDH-WT；约90%）或IDH突变体（约10%）。IDH-WT GBMs分为三个不同的亚型，原神经型、经典型和间充质型。手术切除、化疗和放疗仍然是主要的GBM治疗手段。了解GBM的具体发病机制对于GBM的治疗意义重大。

美国密苏里州圣路易斯市华盛顿大学医学系Li Ding教授团队最近发表在《Cancer Cell》上的“Proteogenomic and metabolomic characterization of human glioblastoma”文章，对99例恶行胶质瘤（GBM）患者及10例健康对照的脑组织样本进行基因组+转录组+蛋白质组（TMT ）+修饰蛋白质组（磷酸化、乙酰化）+代谢组+脂质组多组学研究，详细阐述了GBM发病机制并对疾病进行分型，多组学分析数据对GBM的治疗提供理论基础。

样本类型：99例恶行胶质瘤（GBM）患者及10例健康对照的脑组织

10大组学技术：WGS+WES+RNA-Seq +DNA甲基化+miRNA-Seq+蛋白组+磷酸化蛋白组+乙酰化蛋白组+脂质组+代谢组

1.蛋白质基因组学和代谢组学特征描述了胶质母细胞瘤的分子亚型

对99例恶行胶质瘤（GBM）患者及10例健康对照的脑组织样本，进行基因组+转录组+蛋白质组（TMT ）+修饰蛋白质组（磷酸化、乙酰化）+代谢组+脂质组多组学研究。与基因亚型的相似，在IDH-WT肿瘤中观察到的三个型nmf1（前神经样；n=29），nmf2（间叶样；n=37）和nmf3（经典型；n=26）。基于RNA、蛋白质和磷酸化位点丰度的通路富集分析表明，nmf1在突触囊泡周期与神经传递中富集；nmf2在天然免疫中富集，包括中性粒细胞脱颗粒，吞噬，细胞外基质组织，nmf3富集用于mRNA剪接和RNA代谢。

图 1

2.驱动基因的突变改变致癌蛋白的丰度和磷酸化

将基因改变（突变，CNV，融合，和SVs）与RNA、蛋白表达和磷酸化水平联系起来，观察到95个顺反式磷酸化事件。研究发现EGFR和PDGFRA有很强的顺式作用，RNA和蛋白质表达显著增加，与之对应的在S1166和S1067/S1070处磷酸化水平升高。在反式水平，EGFR基因改变导致CTNNB1 mRNA水平降低，蛋白水平升高，PTPN11和PLCG1磷酸化水平升高。TP53突变肿瘤显示，DNA修复基因磷酸化位点增多，但蛋白质的表达水平没有提升。肿瘤抑制因子RB1、NF1、PTEN和ATRX在基因改变和各自基因产物的RNA、蛋白和磷酸化水平降低之间表现出良好的一致性。

 图 2

3.GBM中RKT级联信号被激活

与rtks相关的基因组位点，如EGFR、PDGFRA和MET在GBM中经常扩增。鉴定到45例EGFR SVs的肿瘤，均拷贝数扩增，表明SV和CNV高度一致。所有EGFR突变和SV变异的肿瘤具有高表达的RNA、蛋白质和Y1172磷酸化水平，表明EGFR途径被激活。此外还观察到EGFR突变的样本中，PTPN11-Y62、PLCG1-Y783、RB1-S795Y805、MAP3K1-S1408等蛋白以及EGFR特定位点的磷酸化水平升高。在胶质母细胞瘤中，PTPN11、GAB1和GRB2形成复合物，由RTKs共同调控，激活RAS通路。

 图 3

4.GBM免疫亚型分型

不同的免疫标记和表观遗传事件可以表征GBM免疫亚型。基于单样本基因富集分析(GESA)，发现了四个不同免疫亚型。免疫亚型1（im1）总体得分较高，包括小胶质细胞、巨噬细胞和淋巴细胞水平升高。免疫亚型2和3（im2和im3）显示巨噬细胞和淋巴细胞的相互比例，巨噬细胞中im2较高，淋巴细胞中im2较低，im3具有更高的神经元评分（图4A和S5A）。免疫亚型4（im4）与其他所有免疫细胞类型的富集度较低。

图 4

5.组蛋白乙酰化细胞分型

组蛋白乙酰化的差异与特定的亚型和途径有关，组蛋白乙酰化调节基因表达，但其经常在癌症异常。发现组蛋白H1、H2A、H2B、H3.3和H4上有30多个乙酰化位点，分为这4类肿瘤亚型。在肿瘤中组蛋白乙酰化水平普遍上调。一些与免疫浸润有关的途径，如铁死亡，肥大细胞和ROS途径与H2B乙酰化负相关，而剪接体，核受体和SUMO化修饰呈正相关。SUMO化修饰途径中的两个关键蛋白质，SUMO1和UBE2I在高H2B乙酰化的样品中表达上调。这些观察结果表明H2B乙酰化有助于区分免疫细胞和其他细胞类型。

图 5

6. GBM亚型代谢组分析

作者对75例肿瘤和7例正常对照组织样本中鉴定到582种脂质，超过500多种脂质在多组学的四个亚型中差异显著。4类亚型中，间充质细胞亚型显示高含量的三酰甘油（TGs）以及低含量的磷脂酰胆碱（PCs）等磷脂。类前神经细胞亚型富集超长链脂肪酸脂和带有长链多不饱和脂肪酸的甘油磷脂。至于代谢物，神经前细胞样簇显示肌酐和同型半胱氨酸水平显著升高，IDH突变体和IDH-WT肿瘤的代谢物表达量也存在差异。

图 6

7. 关键致癌途径和治疗靶点

GBM中的三个重要的致癌信号通路是RTK/RAS、PI3K/AKT和p53/细胞周期。在RTK/RAS通路中，典型肿瘤主要表现为EGFR扩增，而前神经和IDH突变肿瘤表现为PDGFRA扩增，两者都具有较高的RNA，蛋白质以及EGFR和PDGFRA的磷酸化位点丰度。在PI3K通路中，前神经、间充质和典型肿瘤中PTEN低表达，可能是通过PIP3激活AKT1和AKT2。在p53/细胞周期通路中，我们观察到亚型特异性扩增，间充质中MDM2，前神经和经典神经中MDM4蛋白表达增加。

图 7

胶质母细胞瘤（GBM）是最具侵袭性的神经系统肿瘤，了解其分子发病机制对改善诊断和治疗至关重要。胶质母细胞瘤（GBM）是最具侵袭性的神经系统肿瘤，了解其分子发病机制对改善诊断和治疗至关重要。对99例未经治疗的GBM患者进行基因组+转录组+蛋白质组(TMT)+修饰蛋白质组（磷酸化、乙酰化）+代谢组+脂质组多组学研究，确定了关键的磷酸化事件（例如磷酸化的PTPN11和PLCG1）是介导致癌途径激活的潜在开关，同样也是EGFR、TP53和RB1突变型相关肿瘤的潜在靶点。多组学方法发现了具有不同免疫细胞类型的免疫亚型，经snRNA-seq验证，并与特定的表达和组蛋白乙酰化模式相关。组蛋白H2B乙酰化在经典的和免疫低下的GBM中主要由BRD、CREBBP和EP300驱动。综合代谢组学和蛋白质组学数据确定了IDH突变肿瘤中不同亚型的特定脂质分布和不同的全球代谢变化。这项工作通过多组学数据对GBM患者进行分级，以便进行更有效的治疗。