測(cè)序在人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的蛋白質(zhì)基因組學(xué)和代謝組學(xué)特征研究的應(yīng)用

文章標(biāo)題：Proteogenomic and metabolomic characterization of human glioblastoma

發(fā)表期刊：Cancer Cell

影響因子：26.602/Q1

發(fā)表時(shí)間：2021年4月12日


 

1.文章亮點(diǎn)

• 磷酸化的PTPN11和PLCG1在RTK改變的腫瘤中是一個(gè)信號(hào)中樞

• 以不同的免疫細(xì)胞群為特征存在四種免疫GBM亞型 

• 間充質(zhì)亞型EMT信號(hào)對(duì)腫瘤細(xì)胞有特異性，但對(duì)間質(zhì)無特異性

• 組蛋白H2B乙�；�在典型的GBMs中富集，而在巨噬細(xì)胞含量較低
  
   

  2.研究背景

   

  膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）是最常見的原發(fā)性惡性腦腫瘤，在美國每年約有12000例新發(fā)病例，中位生存期在2年以下�；�于不同的研究結(jié)果可對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤疾病作出不同的分類，盡管有不同的亞型，但基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)，在預(yù)先指定的患者亞群中沒有特定的治療更有效。因此了解其分子發(fā)病機(jī)制對(duì)提高診斷和治療水平至關(guān)重要。
  
   

  3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

   

• 樣本類型：組織樣本、血液

• 樣本數(shù)量：99例GBM患者組，10例正常對(duì)照組

• 檢測(cè)組學(xué)：10種蛋白質(zhì)基因組學(xué)和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)類型，包括全基因組測(cè)序（WGS）、全外顯子組測(cè)序（WES）、RNA測(cè)序（RNA-seq）、microRNA-seq（miRNA-seq）、單核RNA-seq（snRNA-seq）、DNA甲基化陣列、蛋白質(zhì)組、磷酸化蛋白質(zhì)組、乙�；�蛋白組、脂質(zhì)組學(xué)。
  
   

  4.研究內(nèi)容

   

• 基因組數(shù)據(jù)分析：比對(duì)、變異分析、注釋

• RNA測(cè)序定量分析：RNA融合、miRNA、Circular RNA、snRNA-seq等的表達(dá)量和統(tǒng)計(jì)分析

• 質(zhì)譜檢測(cè)分析：標(biāo)記蛋白組學(xué)、磷酸化蛋白組學(xué)和乙�；�蛋白組學(xué)的定量和分析

• 多組學(xué)聚類分析

• 基于基因表達(dá)的腫瘤亞型分析
  
   

  5.主要研究結(jié)果

   

  1. 蛋白質(zhì)基因組學(xué)和代謝組學(xué)特征描繪了膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的分子亞型

   

  研究人員對(duì)99例GBMs和10例正常腦樣本的蛋白質(zhì)基因組圖譜進(jìn)行了表征。所有的樣本被均質(zhì)化，并在10種不同的組學(xué)分析中進(jìn)行等分（圖1A）。該隊(duì)列的基因組特性與之前報(bào)道結(jié)果一致, 并且在癌基因中發(fā)現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)變異，包括EGFR和PDGFRA，以及腫瘤抑制因子PTEN和NF1，WES和WGS發(fā)現(xiàn)了TERT啟動(dòng)子（TERTp）突變，等位基因頻率（VAF）為>5%（圖1B）。

   
  圖1 臨床隊(duì)列樣本蛋白基因組學(xué)
   
  通過NMF對(duì)腫瘤樣本進(jìn)行多組學(xué)聚類。熱圖顯示了亞型之間的差異表達(dá)，包括DNA甲基化、乙酰組、代謝組和脂質(zhì)組，以及每個(gè)亞型的特征。途徑富集分析強(qiáng)調(diào)了亞型之間的差異。神經(jīng)元活性相關(guān)通路、免疫應(yīng)答通路和細(xì)胞周期通路分別在nmf1（前神經(jīng)樣）、nmf2（間充質(zhì)樣）和nmf3（經(jīng)典樣）亞型中富集（圖2C）。
  
  
  圖2 腫瘤樣本的拷貝數(shù)變化、表達(dá)量、蛋白質(zhì)和磷酸化蛋白豐度的多組學(xué)聚類分析

   

  2. 驅(qū)動(dòng)基因改變影響致癌蛋白豐度和磷酸化
   

  研究人員將基因改變與RNA、蛋白表達(dá)和磷酸化水平聯(lián)系起來，觀察到95個(gè)順反式磷酸化事件（圖3A和圖3B）。作者發(fā)現(xiàn)EGFR和PDGFRA具有很強(qiáng)的順式效應(yīng)，分別在S1166和S1067/S1070位點(diǎn)的RNA和蛋白表達(dá)顯著增加，磷酸化水平增加。這些觀察結(jié)果說明了蛋白質(zhì)測(cè)量對(duì)研究途徑激活的重要性。TP53突變與WT樣本中RNA和蛋白質(zhì)表達(dá)的比較，TP53蛋白表達(dá)相對(duì)于TP53 WT GBMs持續(xù)升高（圖3C），這種影響在RNA水平上沒有看到。TP53突變的腫瘤顯示DNA修復(fù)基因磷酸化位點(diǎn)上調(diào)，但沒有增加蛋白質(zhì)水平（圖3D），表明有特定的磷酸化位點(diǎn)調(diào)控。
  

  圖3 SMGs的順反效應(yīng)及TP53對(duì)DNA修復(fù)基因調(diào)控和RB1對(duì)細(xì)胞周期基因的影響

  
  

  3. RTK信號(hào)級(jí)聯(lián)在GBM中被激活

   

  研究人員鑒定了45個(gè)帶有EGFR SVs的腫瘤，所有腫瘤都有拷貝數(shù)擴(kuò)增，表明SV和CNV之間具有高一致性（圖4A）, 在EGFR改變的樣本中，觀察到高的EGFR自磷酸化，以及PHLDA1、PHLDA3、SOX9、CTNND2（δ-catenin）、CDK6和CDKN2C（圖4B和4C）的豐度增加。熱圖（圖4D）顯示EGFR和PDGFRA激酶的順式和反式調(diào)節(jié)位點(diǎn)顯著（FDR<0.1）。EGFR和PDGFR都調(diào)節(jié)PTPN11的磷酸化。示意圖（右）顯示了EGFR和PDGFRA對(duì)PTPN11的雙重調(diào)節(jié)，以及PTPN11可能去磷酸化的下游底物。

  圖4 RTKs的改變及其與表達(dá)、磷酸化位點(diǎn)狀態(tài)和下游靶點(diǎn)的關(guān)系
   

   

  4. 不同的免疫標(biāo)記物表達(dá)和表觀遺傳事件是GBM免疫亞型的特征

   

  研究結(jié)果顯示免疫靶點(diǎn)（如PD-1和TIM-3）、趨化因子（如CCL2）、巨噬細(xì)胞特異性細(xì)胞因子（如CSF-1）及其受體（CSF-1R）的基因和蛋白表達(dá)水平在im1中顯著升高（圖5A），通過聚類分析確定的四種免疫亞型顯示細(xì)胞類型特征、免疫檢查點(diǎn)和潛在的免疫治療靶點(diǎn)。
  

  圖5 四種免疫亞型的細(xì)胞類型富集、免疫標(biāo)記表達(dá)和富集途徑
   

  5. 間充質(zhì)瘤與微環(huán)境特征

   

  熱圖（圖6G）顯示腫瘤細(xì)胞中nmf2亞型上調(diào)基因的snRNA序列（左）和體蛋白（右）表達(dá)特征。所有在腫瘤細(xì)胞中上調(diào)的emt相關(guān)基因在nmf2 GBMs中也顯著增加了RNA和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)。

  
  圖6 腫瘤細(xì)胞層次聚類熱圖分析
   

  6. 組蛋白乙酰化差異與特定的亞型和途徑有關(guān)

   

  與正常樣本相比，腫瘤中組蛋白乙�；�水平普遍上調(diào)，一部分腫瘤的H1、H3和H4乙酰化水平升高，而另一組腫瘤的H2B n端位點(diǎn)乙酰化水平顯著升高（圖7A），在一些腫瘤中H2B的高乙酰化可能依賴于CREBBP/EP300的活性。xCell評(píng)分與組蛋白乙酰化位點(diǎn)顯著相關(guān)性結(jié)果表明H2B乙�；�與TME（腫瘤微環(huán)境）富集評(píng)分顯著負(fù)相關(guān)（圖7D），而其他組蛋白呈正相關(guān)。

  圖7 組蛋白乙�；�與免疫亞型和途徑的關(guān)系
  
   

  7. 與GBM亞型相關(guān)的脂質(zhì)組成和代謝組學(xué)特征

   

  研究人員檢測(cè)出582種脂質(zhì)（圖A），在四個(gè)多組學(xué)亞型中識(shí)別出超過500種差異豐富的脂質(zhì)（圖8A）。間充質(zhì)亞型顯示三酰甘油（tg）的豐度升高，而磷脂酰膽堿（PCs）和其他類型的磷脂的水平下降（圖8A,8B）, 腫瘤樣本的ACSL6蛋白表達(dá)顯著降低（圖8D）, 圖8F顯示了DGs與AKT1、PLCD3、PLCG1蛋白表達(dá)顯著相關(guān)。

  圖8 脂質(zhì)組和代謝組數(shù)據(jù)的通路分析
  
   

  6.總結(jié)

   

  本研究整合分析基因和每個(gè)表達(dá)亞型的RNA、蛋白和磷酸水平，以檢查GBM中三個(gè)重要的致癌信號(hào)通路:RTK/RAS、PI3K/AKT和p53/細(xì)胞周期。磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)表明PLCG1和PTPN11是多個(gè)RTK共同的信號(hào)中樞。研究人員發(fā)現(xiàn)在RTK通路中，表達(dá)異常率遠(yuǎn)高于基因變異率。此外，分析的腫瘤在三個(gè)通路中至少有一個(gè)通路中存在至少一種基因改變或異常表達(dá)。

   

  研究人員們擴(kuò)展了經(jīng)典的測(cè)序方法，整合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組、磷酸化蛋白質(zhì)組、乙酰組、代謝組和脂質(zhì)組分析。多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的基于測(cè)序的亞型相比，混合亞型患者的一個(gè)子集顯示出總生存期縮短。單細(xì)胞基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展將促進(jìn)對(duì)GBM異質(zhì)性和TME相互作用的深入分析，為進(jìn)一步的機(jī)制研究提供了新的契機(jī)。

   

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