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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

2020-10-30
中科新生命
2034


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三个数据集中人群进行比较,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中磷酸化-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,通过结合蛋白组学数据,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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