測序在人膠質母細胞瘤的蛋白質基因組學和代謝組學特征研究的應用

文章標題：Proteogenomic and metabolomic characterization of human glioblastoma

發(fā)表期刊：Cancer Cell

影響因子：26.602/Q1

發(fā)表時間：2021年4月12日


 

1.文章亮點

• 磷酸化的PTPN11和PLCG1在RTK改變的腫瘤中是一個信號中樞

• 以不同的免疫細胞群為特征存在四種免疫GBM亞型 

• 間充質亞型EMT信號對腫瘤細胞有特異性，但對間質無特異性

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

  2.研究背景

   

  膠質母細胞瘤（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。基于不同的研究結果可對神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤疾病作出不同的分類，盡管有不同的亞型，但基于轉錄組學，在預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)病機制對提高診斷和治療水平至關重要。
  
   

  3.實驗設計

   

• 樣本類型：組織樣本、血液

• 樣本數(shù)量：99例GBM患者組，10例正常對照組

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

  4.研究內容

   

• 基因組數(shù)據(jù)分析：比對、變異分析、注釋

• RNA測序定量分析：RNA融合、miRNA、Circular RNA、snRNA-seq等的表達量和統(tǒng)計分析

• 質譜檢測分析：標記蛋白組學、磷酸化蛋白組學和乙�；�蛋白組學的定量和分析

• 多組學聚類分析

• 基于基因表達的腫瘤亞型分析
  
   

  5.主要研究結果

   

  1. 蛋白質基因組學和代謝組學特征描繪了膠質母細胞瘤的分子亞型

   

  研究人員對99例GBMs和10例正常腦樣本的蛋白質基因組圖譜進行了表征。所有的樣本被均質化，并在10種不同的組學分析中進行等分（圖1A）。該隊列的基因組特性與之前報道結果一致, 并且在癌基因中發(fā)現(xiàn)了許多結構變異，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啟動子（TERTp）突變，等位基因頻率（VAF）為>5%（圖1B）。

   
  圖1 臨床隊列樣本蛋白基因組學
   
  通過NMF對腫瘤樣本進行多組學聚類。熱圖顯示了亞型之間的差異表達，包括DNA甲基化、乙酰組、代謝組和脂質組，以及每個亞型的特征。途徑富集分析強調了亞型之間的差異。神經(jīng)元活性相關通路、免疫應答通路和細胞周期通路分別在nmf1（前神經(jīng)樣）、nmf2（間充質樣）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、表達量、蛋白質和磷酸化蛋白豐度的多組學聚類分析

   

  2. 驅動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、蛋白表達和磷酸化水平聯(lián)系起來，觀察到95個順反式磷酸化事件（圖3A和圖3B）。作者發(fā)現(xiàn)EGFR和PDGFRA具有很強的順式效應，分別在S1166和S1067/S1070位點的RNA和蛋白表達顯著增加，磷酸化水平增加。這些觀察結果說明了蛋白質測量對研究途徑激活的重要性。TP53突變與WT樣本中RNA和蛋白質表達的比較，TP53蛋白表達相對于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修復基因磷酸化位點上調，但沒有增加蛋白質水平（圖3D），表明有特定的磷酸化位點調控。
  

  圖3 SMGs的順反效應及TP53對DNA修復基因調控和RB1對細胞周期基因的影響

  
  

  3. RTK信號級聯(lián)在GBM中被激活

   

  研究人員鑒定了45個帶有EGFR SVs的腫瘤，所有腫瘤都有拷貝數(shù)擴增，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節(jié)位點顯著（FDR<0.1）。EGFR和PDGFR都調節(jié)PTPN11的磷酸化。示意圖（右）顯示了EGFR和PDGFRA對PTPN11的雙重調節(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、磷酸化位點狀態(tài)和下游靶點的關系
   

   

  4. 不同的免疫標記物表達和表觀遺傳事件是GBM免疫亞型的特征

   

  研究結果顯示免疫靶點（如PD-1和TIM-3）、趨化因子（如CCL2）、巨噬細胞特異性細胞因子（如CSF-1）及其受體（CSF-1R）的基因和蛋白表達水平在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胞類型特征、免疫檢查點和潛在的免疫治療靶點。
  

  圖5 四種免疫亞型的細胞類型富集、免疫標記表達和富集途徑
   

  5. 間充質瘤與微環(huán)境特征

   

  熱圖（圖6G）顯示腫瘤細胞中nmf2亞型上調基因的snRNA序列（左）和體蛋白（右）表達特征。所有在腫瘤細胞中上調的emt相關基因在nmf2 GBMs中也顯著增加了RNA和蛋白質數(shù)據(jù)。

  
  圖6 腫瘤細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

   

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

  圖7 組蛋白乙�；�與免疫亞型和途徑的關系
  
   

  7. 與GBM亞型相關的脂質組成和代謝組學特征

   

  研究人員檢測出582種脂質（圖A），在四個多組學亞型中識別出超過500種差異豐富的脂質（圖8A）。間充質亞型顯示三酰甘油（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蛋白表達顯著降低（圖8D）, 圖8F顯示了DGs與AKT1、PLCD3、PLCG1蛋白表達顯著相關。

  圖8 脂質組和代謝組數(shù)據(jù)的通路分析
  
   

  6.總結

   

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

   

  研究人員們擴展了經(jīng)典的測序方法，整合單細胞轉錄組和基于質譜的蛋白質組、磷酸化蛋白質組、乙酰組、代謝組和脂質組分析。多組學分析發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的基于測序的亞型相比，混合亞型患者的一個子集顯示出總生存期縮短。單細胞基因組學和蛋白質組學技術的快速發(fā)展將促進對GBM異質性和TME相互作用的深入分析，為進一步的機制研究提供了新的契機。

   

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