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Proteogenomic Analysis of Human Colon Cancer Reveals New Therapeutic Opportunities

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419302922

2019年5月2日，Cell杂志报道了美国休斯敦贝勒医学院研究人员利用基因、转录、蛋白及翻译后修饰等多组学技术，对结肠癌/癌旁组织进行了系统、全面的分析，整合多组学结果为后续癌症治疗方案提供了新思路，同时也为生物标志物筛选、药物靶点、分子分型等研究工作奠定理论基础。

实验背景

结肠癌是世界上死亡率排名第四的癌症，其发病率和死亡率逐年上升。早期研究发现结肠癌具有家族聚集现象，可能与共同生活环境相关；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变，而DCC、p53基因失活是晚期改变。近年来诸多基因、转录组学相关表明结肠癌患者存在许多基因突变，表明结肠癌的异质性；然而，海量数据并没有为临床治疗提供有效的生物标志物和药物靶点。信号蛋白是癌症治疗中最具吸引力的目标之一，但是针对结肠癌的磷酸化蛋白质组学研究却鲜有报道。癌症免疫治疗最新研究进展强调用于评价免疫检查点抑制剂疗效生物标志物的重要性，对于个性化治疗具有重要意义。蛋白基因组学的技术方法为相关研究提供了新思路。

实验样本

110名结肠癌患者的癌组织+癌旁组织+血液样本 (麻醉前获取外周静脉血)，结肠组织

实验流程与结果

作者对110例结肠癌肿瘤患者的癌组织和癌旁组织使用全外显子组测序 (WXS)、基因组测序、RNA测序、microRNA测序、蛋白质组学以及磷酸化蛋白质组学等方法进行全面系统的分析。通过比较多组学数据结果发现Label-free蛋白质组学对基因功能的预测能力高于RNA测序分析，TMT蛋白质组学更优于前两种，并突出蛋白质组学研究基因功能的优越性。

研究思路概况

01、体细胞突变及蛋白质组分析

使用WXS对106个癌组织和对应的血样进行分析，并鉴定得到64010个体细胞单核苷酸变异 (SNVs) 以及7691个插入/缺失位点 (INDELs)。为进一步研究显著突变基因，将实验样本分为高度突变组 (MSI-H) 和非高度突变组 (MSS)，分别鉴定到9和8个显著突变的基因，其中高度突变组中有4个新发基因（CASP5、RNF43、LTN1和BMPR2）。同时，作者发现虽然多数蛋白的变化可以由基因突变结果进行预测，但也有部分蛋白的变化很难利用突变的结果进行预测。

作者以超过20%截短突变的基因作为肿瘤的抑癌基因标准，并从中发现SOX9这一抑癌基因，但SOX9蛋白却在肿瘤细胞中显著上调，进一步功能分析显示SOX9在原发性CRC细胞中起致癌作用。这也说明仅凭基因组数据无法有效预测的蛋白的功能。

02、蛋白+磷酸化蛋白质组学，探寻结肠癌治疗新靶点

作者发现成视网膜细胞瘤 (RB1) 基因和蛋白水平均在肿瘤组织中升高，但RB1是一种肿瘤抑癌基因，通过抑制E2F转录因子从而抑制细胞增殖（与其他癌症结果不符）。进一步研究发现Rb磷酸化会抑制上述过程，调控E2F的4个Rb磷酸化位点在癌组织中磷酸化水平显著上调。因此，在肿瘤组织中Rb和磷酸化Rb均发生显著上调。通过相关性分析表明磷酸化Rb (而非RB1突变或缺失) 丰度增加将促进结肠癌增殖。

磷酸化Rb作为结肠癌的治疗靶点

作者进一步对96对结肠癌组织和癌旁组织进行TMT蛋白质组学分析，共鉴定8067种蛋白。在癌组织中，2217显著上调，2527显著下调。将31种在癌组织中上调大于2倍的蛋白定义为结肠癌相关蛋白。综合考虑磷酸化蛋白质组学分析结果，筛选得到4种含有癌症相关磷酸化位点的蛋白作为结肠癌相关蛋白。由此看出，蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学是互补的，两者均可揭示基因组学遗漏的信息。另外，激酶作为重要的治疗靶点，在本研究共鉴定到7种激酶，其中激酶PI4KB可作为一种新的候选药物靶点。综合考虑基因、蛋白和磷酸化蛋白组学结果，发现与结肠癌相关的蛋白和磷酸化蛋白与癌症相关基因几乎没有重叠，因此，多组学联合的方式可以更加系统、全面的解析病理机制，寻找新的药物靶点，真正实现信息互补。

结肠癌相关蛋白组分析

03、利用蛋白组学进行分子分型，并挖掘精准治疗策略

作者分别对转录、蛋白的结果进行无监督聚类，联合蛋白和转录的分析结果可将结肠癌划分为3个亚型：MSI、CIN和Mesenchymal，3个亚型在基因、转录和蛋白层面均存在显著差异。

多组学整合-结肠癌分子分型

与其他亚型相比，MSI中糖酵解酶含量显著上调，本研究结果显示几乎所有的糖酵解酶均与MSI中CD8浸润呈现负相关。进一步通过相关性分析表明糖酵解活性与CD8浸润性呈现显著负相关，该实验结果并不呈现于其他亚型。为了进一步验证该实验结果，采用SRM的方法对选定蛋白进行验证。除此之外，丙tong酸激酶PKM是糖酵解过程中关键的限速酶，其中PKM2在人类癌症中促进糖酵解和乳酸的生成。肿瘤糖酵解增加可通过破坏T细胞功能抑制抗肿瘤免疫，因此，抑制糖酵解可能作为MSI癌症治疗的新方法。

MSI亚型糖酵解增加与CD8 T细胞浸润的关系

小编总结

文章作者首次使用蛋白基因组的方法对结肠癌进行全面系统的分析，整合多组学研究结果为结肠癌治疗提供了新的潜在药物靶点，通过进一步分子分型为后续精准治疗等临床应用奠定基础。值得一提的是，蛋白基因组的整合分析可以有效纠正基于基因组分析的不准确信息，并带来意想不到的结果以及新的癌症治疗方案。虽然文中提出的潜在治疗方案有待进一步验证，但是对于结肠癌精准治疗具有重要的指导意义。该研究思路与成果为相关疾病的研究工作提供了新思路，同时也强调蛋白质组学以及修饰蛋白质组学在药物靶点、疾病分型以及个性化治疗研究工作中的重要意义。

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