Cell：腎透明細胞癌的整合蛋白基因組學研究

姜依凡，郭 鵬 介評

(西安交通大學第一附屬醫(yī)院泌尿外科，陜西西安 710061)

近日，來自美國國家癌癥研究所臨床蛋白質組學腫瘤分析聯合會(Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium,CPTAC)的研究人員為腎透明細胞癌(clear cell renal cell carcinoma，ccRCC)開發(fā)了多組學方法，該方法結合基因組學、表觀基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和磷酸化蛋白質組學技術，定義了可能有助于患者分層治療的分子亞型[CLARK DJ,DHANASEKARAN SM,PETRALIA F,et al.Integrated proteogenomic characterization of clear cell renal cell carcinoma.Cell,2019,179(4):964-983,e31.]。

蛋白表達水平和信號通路的異常是腫瘤最常見的特征，近些年來的研究表明，相比于僅通過基因組分析，蛋白組和修飾組包含了更多基因無法識別的新信息，這一觀察引出了蛋白基因組學的概念，綜合多組學數據的分析能夠更全面的認識腫瘤，也為腫瘤未來的精準治療提供了新的思路和方向。

腎細胞癌(renal cell carcinoma,RCC)是世界十大常見的癌癥之一，其中75%為ccRCC并占據了RCC死亡的絕大部分，具有典型的Warburg表型。為了闡明驅動ccRCC功能模塊失調的原因，CPTAC研究團隊分析了103例未經治療的ccRCC腫瘤樣本以及80個配對的癌旁正常組織樣本，使用質譜法鑒定了總共11 355種蛋白質和42 889種磷酸肽，其中所有樣品中定量了7 150種蛋白質和20 976種磷酸肽，并將這些數據與全基因組測序、外顯子組測序、總RNA測序和DNA甲基化進行結合分析。基因組分析確定了與基因組不穩(wěn)定性相關的獨特分子亞組，蛋白質組學的整合識別了受基因組改變影響的細胞機制蛋白質失調，包括氧化磷酸化相關的代謝、蛋白質翻譯過程和磷酸化信號模塊。

RCC分子亞型：基于RCC腫瘤微環(huán)境的細胞組成分析，并結合轉錄組學、蛋白質組學的基因表達富集特征和細胞信號傳導分析，根據腫瘤免疫分型規(guī)則，CPTAC研究團隊將ccRCC分為4個免疫分子亞型：①CD8+炎性；②CD8-炎性；③血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)免疫缺乏；④代謝性免疫缺乏。CD8+炎性腫瘤展現出CD8+T細胞浸潤程度高，免疫逃逸標記物PD1、PD-L1、PD-L2、CTLA4等基因表達上調，14號染色體缺失頻率較高等特征。CD8-炎性腫瘤展現出天然免疫反應的特征，腫瘤微環(huán)境中樹突狀細胞和巨噬細胞較多，補體和凝血級聯蛋白表達增加；并且，PDGFRA表達增加、細胞外基質和上皮細胞-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)相關蛋白豐富及癌癥相關成纖維細胞基因表達等相關的“成纖維細胞簽名”是CD8-炎性亞型獨有的特征。VEGF免疫缺乏亞型與CD8-炎性有幾個共同特點：間質評分增加、血管內皮細胞富集、血管生成信號增加；而在VEGF免疫缺乏亞型中，觀察到SUMOyltation修飾增加(蛋白水平)，Wnt/β-catenin、RAP1、Notch信號通路上調(mRNA水平)等現象，與其“血管內皮細胞簽名”表達水平最高一致。代謝性免疫缺乏亞型腫瘤中呈現低的免疫、間質和微環(huán)境評分，MYC靶基因表達上調，mTOR信號增加，和獨特的代謝表現包括線粒體、氧化磷酸化和糖酵解蛋白增加。基于上述分子亞型對RCC患者癌癥基因組圖譜(the cancer genome atlas，TCGA)的預后進行分析發(fā)現，VEGF免疫缺乏亞型預后最好，而CD8+炎性亞型預后最差，表明這一分型系統可以有效預測RCC患者的預后，并暗示目前的靶向治療方法比較適用于VEGF免疫缺乏亞型(血管生成最明顯)，而其他亞型應使用針對其他靶點的治療方式或免疫治療方法。

磷酸化蛋白質組學分析激酶和底物調控途徑：磷酸化影響多個細胞過程，其位點的占據受到其各自底物上激酶和磷酸酶活性的嚴格控制。作者分析了80個腫瘤/癌旁配對組織之間差異化的磷酸化肽豐度，確定CDK1和MAPK1(ERK2)在大多數腫瘤中是2個排名最高的磷酸化底物。此外，對細胞周期調控網絡使用磷酸化底物進行更加深入的分析，發(fā)現與細胞周期S期進入/進展(CDK7-MCM2)和G2/M檢查點(WEE1-CDK1)相關的磷酸化底物在大多數腫瘤中升高。在幾乎所有的腫瘤中表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)(MAPK的上游受體)的蛋白和磷酸化肽表達都上調，而VEGF受體則選擇性表達與激活。而且，作者根據增加的磷酸化位點占位推斷激活的信號通路，發(fā)現EGFR/VEGF的下游信號通路MAPK/ERK和AKT-mTOR在下游EIF4EBP1分子(一種重要的蛋白翻譯調控分子)匯合，這一信號通路冗余可能解釋臨床應用的mTOR靶向抑制劑如依維莫司和坦羅莫斯為何療效有限：因為腎癌細胞內過度活化的MAPK/ERK信號仍能激活EIF4EBP1分子。這一結果暗示同時靶向mTOR和MAPK/ERK的聯合療法可能更有效。縱向分析所有腫瘤樣本中磷酸化肽豐度差異，研究人員鑒定出幾種磷酸化肽共表達網絡，包括細胞周期和血管生成2個不依賴于整體蛋白質組和轉錄組表型變化的模塊。總體上，這種磷酸化蛋白組學分析鑒定了多種在腫瘤中活化的信號通路(如CDK7-MCM2、WEE1-CDK1和MAPK/ERK)，為在目前美國食品藥品監(jiān)督管理局批準的靶向VEGF和mTOR療法之外擴大治療選擇范圍提供了證據。

腫瘤分級與信號通路：腫瘤分級是ccRCC的重要預后指標，通常和腫瘤的分期、大小有關。多組學分析發(fā)現腫瘤分級與確切的信號通路相關。高級別腫瘤中，參與翻譯、mTOR信號、EMT等通路的基因在mRNA和蛋白水平均上調，其他細胞通路則在轉錄組和蛋白組出現非協同性上調，如細胞周期調控和DNA修復的mRNA增加，而氧化磷酸化和N-糖基化修飾的蛋白增加。低級別的腫瘤表現出受體激酶、RAS、MAPK、Notch、RAP1信號通路等在mRNA和蛋白的增加，同時上調轉錄相關過程的蛋白表達。不同級別腫瘤信號通路的差異反映了腫瘤的不同需求，如高級別腫瘤需要適應基因組改變增加和腫瘤微環(huán)境的變化。

點評：總的來說，本研究報道了利用基因組、表觀遺傳組、轉錄組、蛋白質組、磷酸化蛋白質組學等多種技術手段對ccRCC腫瘤進行大規(guī)模基因-蛋白-修飾組學分析，解釋了基因組改變對功能的影響，發(fā)現很多單組學未能揭示的ccRCC重要特征，為從分子病理學角度精準選擇治療方案提供了重要依據。