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Cancer Cell(IF 31.426)| 组学大神Matthias Mann最新力作:急性髓系白血病的蛋白基因组研究

2022-03-14
中科新生命
1801


急性髓系白血病(AML)是一种临床和遗传异质性疾病,其特征是未成熟白血病细胞骨髓浸润导致的骨髓衰竭。早期的基因组学研究已经帮助解决了 AML 的一些临床异质性问题并揭示了特定的药物靶点,但仍然存在许多挑战。部分患者的基因组风险分层和临床结果之间仍然存在不匹配,需要进一步完善AML分类,改进生物标志物识别和治疗分层;另一方面在临床治疗时基因标志物的预测价值有限,缺乏更加准确的预测标志物。此外,对很多已知AML突变基因的下游过程和药物反应研究太少,迫切需要阐明AML的发病机制,寻找新的药物靶点。


2022年3月,德国歌德大学的Hubert Serve,Thomas Oellerich和马克斯·普朗克生物化学研究所Matthias Mann等团队合作在Cancer Cell(IF 31.426)上发表题为"The proteogenomic subtypes of acute myeloid leukemia"的研究文章,他们对252例接受统一治疗的AML患者骨髓活检样本进行蛋白基因组分析,将AML分为5个蛋白亚型,每个亚型都反映出跨越基因组边界的特定生物学特征。其中两种蛋白亚型与患者预后相关,但没有一种与特定的基因组畸变相关。值得注意的是,一种仅在蛋白质组分析中存在的亚型(Mita-AML)以线粒体蛋白的高表达为特征,会导致不良预后,在强化诱导化疗治疗后缓解率降低,总生存期缩短。深入的功能分析显示,Mita-AML亚型在代谢上与线粒体复合体I依赖的呼吸作用有关,并且对BCL2抑制剂venetoclax的治疗更为敏感。




Highlights 

· 本研究涉及252例急性髓系白血病细胞的蛋白基因组特征;

· 鉴定到具有特定生物学特征的五种AML蛋白亚型;

· 蛋白组学结果显示Mito-AML是一种独特的高危亚型;

· Mito-AML亚型对线粒体复合物I的靶向药治疗敏感。

研究材料

252例年龄从18岁到79岁急性髓系白血病患者,分为发现队列177例和验证队列75例。收集治疗前的骨髓活检样本,梯度离心纯化骨髓中的单个核细胞(mononuclear cells)

技术路线

· 步骤1:急性髓系白血病蛋白组学分子分型;

· 步骤2:多组学整合描绘AML的蛋白基因组学图谱;

· 步骤3:在独立患者队列中验证Mito-AML亚型;

· 步骤4:Mito-AML亚型生物学特征与病理特征分析。

研究结果

1. 急性髓系白血病蛋白组学分子分型

研究者对发现队列中的177例患者样本进行DIA蛋白组学分析,共鉴定到6,522种蛋白。通过对蛋白质组数据进行无监督的分层聚类,发现患者可分为6个蛋白亚组,其中C1 和 C2 具有共同特征,故将其合并为一个亚群(C-Mito)。GSVA分析显示各个亚型具有独特的生物学特征:C-Mito 型高表达的线粒体蛋白和线粒体相关过程;C3 型RNA加工活跃;C4-6 型髓系白细胞活化和免疫反应增强。深入分析还发现不同亚型中转录因子和激酶的表达模式也存在明显差异。后期临床相关性分析发现 C-Mito 型患者显示出更短的总生存期,并且两个 C-Mito 亚群(C1,C2)具有独立的生存表型。



图1 AML的蛋白分型及其临床生存分析

2. 多组学整合描绘AML的蛋白基因组学图谱

为了更全面地了解患者间的异质性并了解不同分子层面之间的关系,研究者利用综合多组学因素分析(MOFA)研究多个数据层(即蛋白质和基因表达、突变、细胞遗传学)的协调变化过程。他们不仅发现不同数据层之间存在正关联以及反向耦合,还确定了仅反映在单个数据层中的生物过程,28个驱动因素中12个仅在蛋白层面,5个仅在转录层面。深入分析发现划分为C-Mito的患者亚群只反映在蛋白质组中,这也突显了蛋白组学作为发现工具的重要性。


图2 AML的蛋白基因组学特征

3. 在独立患者队列中验证Mito-AML亚型

研究者进一步在75人的独立患者队列中验证分型的结果,利用Super-SILAC技术分析蛋白表达情况,共定量到6,754种蛋白,层次聚类分析可将新的队列分为3个亚组。研究者通过预测模型可以将所有患者前瞻性地分类为“C-Mito”和“Non-Mito”:在验证队列中通过非监督聚类和通径分析被确认为C-Mito的15名患者中,有14名被预测模型分类为C-Mito。对C-Mito预测贡献最大的五个蛋白中,两个与线粒体(CYRIB、MRPL19)相关,两个与核孔复合体(NUP88、TPR)相关,这代表了C-Mito的浓缩预测特征,也为诊断标志物panel的建立奠定了基础。


图3 独立患者队列验证Mito-AML亚型

4. Mito-AML亚型生物学特征与病理特征分析

研究者分析了前 100 个 C-Mito亚型与其他亚型显著差异蛋白,发现它们大多属于线粒体、核包膜和染色质调控三个类别,叠加先前发表的蛋白相互作用数据进行整合分析,最终获得了表征 C-Mito亚型的蛋白互作网络。

为了研究C-Mito亚型特定的病理机制特征,研究者选取 25 种急性白血病细胞系进行了DIA蛋白组学检测,共鉴定到8,573个蛋白,无监督聚类分析将其分为Mito-high和Mito-low两个亚型。通过与公开的CRISPR-Cas9 功能丧失筛选基因组数据进行整合,研究者发现Mito-high亚型对线粒体复合体I,DNA 修复、组蛋白乙酰化和mTOR 信号通路等相关基因依赖性更高。最后通过药物干预实验,研究者证实Mito-AML 细胞对线粒体复合体I的靶向抑制剂 venetoclax 响应敏感。这一结果进一步证实了Mito-AML细胞与线粒体呼吸作用的相关性,也为该亚型AML的治疗提供了新的思路。



图4 Mito-AML亚型生物学特征与病理特征分析

小编小结

本研究整合多组学数据描绘了AML 的蛋白基因组学图谱,并将其划分为具有不同生物学特征的5个蛋白亚型。结合临床数据,他们发现了一个仅在蛋白层面出现的特殊亚型Mito-AML,并该亚型的生物学特征和病理机制进行了深入探索。本研究加深了我们对AML 病理机制的理解,为AML临床分类改进指出了新的方向,也为特定亚型Mita-AML提供了可能的治疗干预措施。

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