多方合作在Cell上发表整合蛋白基因组揭示儿童脑瘤背后的通路研究
儿童脑瘤（pediatric brain tumors）是幼儿癌症中致死率较高的癌症，尽管基因组学研究已经揭示了儿童脑瘤的部分机制，但是由于儿童脑瘤的基因组具有低突变性（low mutational burden）等特点，仅仅依靠基因组学，或者转录组学数据，无法准确的定位其背后的生物学通路。
近日，由美国临床肿瘤蛋白质组分析协会（Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium，CPTAC）牵头的多个课题组在Cell上联合发表了整合蛋白基因组数据（Integrated Proteogenomic ）对儿童脑瘤的不同病理分型进行研究的论文，该论文为第一篇针对儿童脑瘤进行大规模蛋白基因组表征的论文，为疾病分型，肿瘤微环境研究，潜在的药物靶点研究等提供了新的思路(1)。
在该论文中，作者展示了完整的蛋白基因组工作流程。首先使用全基因组测序，RNA测序，蛋白质TMT定量（完整蛋白质组和磷酸化蛋白质组），蛋白质MRM定量技术对临床上7种基于病理的分型进行分析。这7种分型包括低程度胶质瘤（low-grade glioma, LGG），室管膜瘤（ependymoma, EP），高程度胶质瘤（high-grade glioma, HGG）, 髓母细胞瘤 (medulloblastoma, MB)，神经节胶质瘤（ganglioglioma），颅咽管瘤（craniopharyngioma, CP）以及横纹肌样瘤（atypical teratoid rhabdoid tumor, ATRT）。
实验中共收集到7种分型共218例组织样本，由于样品的稀有性和磷酸化修饰的特性，需要有高通量和高准确性的方法快速对样品进行分析，因此作者选择了11标TMT标记技术。在11标TMT技术中，作者选择前10个通道对单个样品进行标记，然后选择第11个通道作为参考通道（Bridge channel），用于保证实验质量，随后一针进样即可完成定性和定量分析。随后进过常规样品制备和磷酸样样品富集后，作者使用11标TMT技术对全蛋白和磷酸化蛋白质进行定性和定量分析。
实验数据经过QC过滤，定性定量分析后，218例样本共鉴定并定量出8802个蛋白质（平均鉴定数5122）和18235个磷酸化位点（平均鉴定数2714）。随后作者使用蛋白质组学数据进行非监督聚类分析，共生成8个分型（C1-C8）。
将基于蛋白质组、转录组与基于病理特征的分型相比（图1.a），部分分型高度重合（EP和MB），其余分型重合度不高。值得注意的是基于蛋白质组的分型中的C4和C8，他们大致对应病理分型中的CP分型。根据已有的报道，基因CTNNB1上的突变是CP分型的重要因素，而在该次实验中，CTNNB1突变与C4和C8分型关联不大；根据蛋白组数据，C4分型与病理分型中的LGG分型更为相似。根据蛋白质分型，可以将LGG细分为2个亚型。更为重要的是，根据基因组学分析结果，CP分型关联至下游的磷酸化激酶（MEK/ERK/AKT）的上调，而根据磷酸化蛋白数据，C4分型的磷酸化激酶也呈上调趋势。
值得注意的是，在该次实验中，RNA数据和全蛋白数据的上调因子中，均没有磷酸化激酶；只有磷酸化蛋白质数据中，磷酸化激酶（AKT1）显著上调，提示了磷酸化蛋白质组学数据的重要性(图1.b)。磷酸化激酶是针对CP分型药物的作用靶点，之前CP分型的针对性药物只针对CTNNB1突变病例，并不推荐给其他病人；而根据磷酸化蛋白质数据，部分C4分型的病例，虽然不存在CTNNB1突变，但磷酸化激酶的表现与CP分型抑制，因此也可适用于针对CP分型的药物。
图1 | a、病理分型与蛋白质组分型与RNA、蛋白质、磷酸化蛋白质的相关性
b、RNA、全蛋白质组、磷酸化蛋白质组中的显著性差异的因子
为了验证该推论，作者选取了磷酸化通路（MEK/ERK）中部分关键蛋白质作为标志物，使用质谱MRM定量方法对样本中的磷酸化蛋白质进行靶向定量（图2）。可以看出，MRM结果验证了C4分型的磷酸化激酶存在显著性变化，而AUC结果则提示，磷酸化蛋白质MRM定量可以作为临床分型的准确依据。
图2 | 部分MEK/ERK通路中关键磷酸化蛋白质的MRM定量结果
随后作者利用整合的数据，对不同亚型的肿瘤微环境进行分型，并与蛋白质组数据进行比较。同时比较了上游基因突变结果和拷贝数变化（Copy Number Variation, CNV）之间的关系，指出虽然在儿童脑瘤中，体细胞存在突变现象，但体细胞突变（somatic mutation）没有导致下游蛋白质的变化。此外，实验还揭示了磷酸化位点丰度与CNV之间的显著关联性，在TCF4, TCF25和CTNNB1基因中，RNA丰度与蛋白质/磷酸化丰度显著相关，提示蛋白质磷酸化变化在儿童脑瘤中的重要作用。
在最后的总结讨论中，作者指出尽管在目前的实际临床实践中，病理分型依然占据主流，但结合不同组学数据的分子分型具有更大的潜力。在该实验中，基于蛋白质组/磷酸化蛋白质组的分子分型，将病理上的CP分型细分为2个亚型，并且指出该亚型可以适用与之前不被推荐的靶向药物，为疾病治疗提供了新的思路。
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参考文献
F. Petralia et al., Integrated Proteogenomic Characterization across Major Histological Types of Pediatric Brain Cancer. Cell, (2020).
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文章来源于鹿明生物