Proteogenomic Characterization Reveals Therapeutic Vulnerabilities in Lung Adenocarcinoma
蛋白质组学表征揭示了肺腺癌的治疗脆弱性
期刊：Cell；影响因子：38.637
发表单位：麻省理工学院等
导 读
多年来，对肺癌基因组的研究推动了针对特定基因和途径突变的药物疗法的发展，但肺癌患者的存活率仍然很低。麻省理工学院和哈佛大学广泛研究所的科学家以及参与国家癌症研究所临床蛋白质组学肿瘤分析联合会的国际合作者小组2020年7月在《Cell》杂志上撰文报告指出，通过采用蛋白质组学方法，他们发现了导致肺癌的突变如何影响关键蛋白质的活性，并且还发现了肺肿瘤与免疫系统之间的新相互作用。这些发现指出了新疗法的机会以及对肺癌生物学的更深入的了解。
该研究从110名被诊断为肺腺癌的患者中收集的肺部肿瘤和匹配的正常组织，全面系统地分析了肺癌蛋白质组的组成、激活状态（通过蛋白质磷酸化测量）和其他翻译后修饰（包括乙酰化），并与基因组变异和患者临床特征进行了联合，细致探讨基因组中的驱动程序突变通过改变蛋白活性对细胞内的信号传导的影响。研究指出，不同吸烟状况的肺腺癌的全面蛋白质组学表征可深入了解癌症分类、肿瘤发生和免疫反应，提供新颖的候选生物标记物和治疗靶标。
摘 要
为了探索肺腺癌（LUAD）的生物学特性并发现新的治疗机会，本研究对110个肿瘤和101个匹配的正常相邻组织（NAT）进行了全面的蛋白质组学表征，其中包括基因组学、表观基因组学、蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学和乙酰蛋白质组学。多组学聚类分析揭示了由关键驱动因素突变定义的四个亚组。蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学数据阐明了拷贝数畸变、体细胞突变和融合下游的生物学，并确定了与涉及KRAS、EGFR和ALK的驾驶员事件相关的治疗脆弱性。免疫亚型揭示了一个复杂的情况，加强了STK11与冷免疫行为的联系，并强调了嗜中性粒细胞脱粒的潜在免疫抑制作用。吸烟相关的LUAD与其他环境暴露特征和NAT的田间效应相关。匹配的NAT可以鉴定具有潜在诊断和治疗用途的差异表达蛋白。这个蛋白质组学数据集为寻求更好地了解和治疗肺腺癌的研究人员和临床医生提供了独特的公共资源。
强 调
综合LUAD蛋白质基因组学揭示了多组簇和免疫亚型；
磷蛋白组学鉴定候选ALK融合诊断标记和靶点；
候选药物靶点：PTPN11（EGFR）、SOS1（KRAS）、中性粒细胞脱颗粒（STK11）；
磷酸化和乙酰化修饰展示了肿瘤特异性标记物和可药用蛋白。
研究概要
1 LUAD的蛋白质组学景观和分子亚型
研究分析了110例未接受过治疗的LUAD肿瘤和101对配对的正常邻近组织（NAT）的蛋白基因组学。与先前TCGA LUAD相比，体细胞改变、局部扩增和缺失的总体情况相似。多组学聚类分析RNA、蛋白质、磷酸位点和乙酰位点研究蛋白质组学数据的内在结构。4个稳定簇（C1-4）与先前表征的基于mRNA的近端炎症、近端增殖和终末呼吸单位簇重叠，簇的核心样本与独特的临床和分子特征显著相关。在每个聚类中分析差异调控的基因、蛋白质和翻译后修饰并进行通路分析，C1 /近端炎症样本主要与多种数据类型的免疫信号有关。近端增殖性亚型的C2子集显示出Rho GTPases的信号传导，以及止血和血小板活化、信号传导和脱粒的信号，提示凝血稳态的系统性紊乱。C3中占优势的近端增殖亚型具有独特的组蛋白脱乙酰基酶签名，但也具有细胞周期途径的上调。C4中的末端呼吸单元亚型的特征在于表面活性剂代谢、MAPK1/MAPK3信号传导、MECP2调节和乙酰基蛋白质组中的染色质组织。
第一部分描述样本基本特征，包括患者资料，多组学总概。为了探索临床和分子特征的关联，作者首先基于多组学数据对样本聚类亚型，并通过通路富集分析发现了亚型在致癌信号和宿主反应方面的内在差异。
初步确定了多组学整体的联系后，开始从个别组学局部入手，探讨一些重要的分子事件。在表观遗传和基因组事件与RNA、蛋白质表达和下游翻译后修饰的关系中，发现几种具有肿瘤抑制作用的激酶因融合而失活。其中ALK备受关注，并着重描述了ALK的融合结构、异常表达，以及鉴定了与ALK融合相关的蛋白质磷酸化事件，为致癌的ALK融合蛋白信号传导提供了新的潜在见解。
许多癌症相关基因，特别是与复发性LUAD特异性拷贝数改变（CNA）事件相关的基因在RNA和蛋白质水平上受到显著顺式调节。CNA相关性具有广泛的可比性，但在蛋白质和翻译后修饰水平上可比性大大降低。反式效应与12个CNA事件的相关基因扰动谱显著平行，蛋白质水平的反式作用为CNA的致癌作用提供了可验证的机制假设。
LUAD肿瘤的甲基化程度远高于对应的NAT。甲基化驱动的顺式效应与RNA、蛋白质和磷蛋白水平上的协同差异表达相关，增加了其发挥功能重要性的可能性。大多数直接由基因启动子区域中的探针支持。CLDN18、ANK1和PTPRCAP等基因与LUAD有很强的生物学关系：CLDN18的沉默导致肺实质增加和肺上皮祖细胞群增加，ANK1启动子CpG岛在一半以上的肺腺癌中甲基化，PTPRCAP甲基化影响了淋巴细胞功能。其他具有级联甲基化作用的癌症相关基因包括BCLAF1、GSTP1、MGA和TBX3，所有这些基因均已在肿瘤发生或癌症预后中发挥作用。
2 驱动程序突变与蛋白质组、磷酸化蛋白质组和途径的关联
作者从显著突变的基因出发，鉴定了11个在RNA、蛋白质或磷蛋白数据中具有显著顺式或反式效应的基因。TP53和EGFR突变导致关联蛋白和磷酸位点丰度升高，而STK11、RBM10、RB1、NF1和KEAP1突变降低了关联蛋白和磷酸位点丰度。TP53突变型肿瘤显示出DNA损伤应答途径中的蛋白质上调，参与Wnt信号的蛋白质下调。RB1突变与CDK4蛋白丰度增加有关，这可能有助于对CDK4/6抑制剂产生抗性。CTNNB1在EGFR驱动的LUAD中起关键作用，CTNNB1上反式调节的磷酸位点S552诱导其转录活性。这些顺式和反式效应有助于揭示KEAP1/NFE2L2复合物的调控网络。KEAP1通过两个不同的结合结构域DLG和ETGE与NFE2L2相互作用使NFE2L2能够执行对肺癌进展和转移至关重要的抗氧化反应，带有KEAP1突变的LUAD肿瘤中KEAP1蛋白表达下调并增加S215和S433上NFE2L2的磷酸化，破坏KEAP1-NFE2L2的相互作用。
分别关联突变与基因表达（突变是否影响表达量）、突变和表观修饰（突变是否影响活性）两方面，讨论LUAD中重要基因突变与致癌通路激活或抑癌通路抑制的关系。并随后在突变与磷酸化关系角度出发，讨论了可能的治疗靶点。
将RNA、蛋白质、磷酸化和乙酰化的整体差异进行比较，发现KRAS和EGFR突变肿瘤中都存在磷酸化的异常值。KRAS突变肿瘤显示出许多与癌症相关的磷酸位显著上调，其中一些是有希望的靶点。例如观察到PTPN11/Shp2的酪氨酸磷酸化，多条证据表明PTPN11/Shp2失活可以抑制肿瘤发生。此外，为了系统地指定以关键驱动程序事件为特征的LUAD组特异的可药物治疗靶标，作者还评估了激酶磷酸化，并鉴定了27种推定可药物激酶。
3 肺腺癌的免疫景观
作者分析了样本队列中肿瘤微环境的组成，确定了三个主要的免疫簇，热肿瘤富集（HTE）、冷肿瘤富集（CTE）和NAT富集，并观察到免疫组学和多组学集群之间的关联。HTE对应组学亚型C1，蛋白质组的特征在于多种免疫相关、致癌和信号传导途径的上调，还显示了免疫抑制细胞的存在，以及T-reg功能关键标志物的RNA上调。由于高T-reg浸润的肿瘤通常与不良预后相关，因此抗CTLA4疗法可能会使该人群受益。CTE免疫在组学亚型C3和C4富集，簇状肿瘤中的各种代谢途径如过氧化物酶体和PPAR信号通路被激活。PPAR激活可抑制炎症性免疫应答，并通过诱导免疫细胞来实现细胞凋亡。CTE肿瘤还表现出细胞-细胞连接和其他蛋白的上调，这些蛋白为上皮细胞提供屏障功能，表明存在针对免疫细胞浸润的机械屏障。在肺肿瘤的CTE簇中观察到肺上皮屏障的免疫抑制成分（包括MUC5B和WFDC2）上调，表面活性剂SFTPB、DMBT1、SFTPA1和SFTPD在低IFNG轴（负责激活适应性免疫系统）评分的肿瘤中增加。特别是，STK11突变肿瘤的免疫-冷态被证明是确定组织病理学中LUAD突变状态的主要特征。
4 肿瘤和NAT中与吸烟有关的表型的表征
作者还评估了患者吸烟史与组学数据的关联，表征吸烟可能是LUAD的主要因素，以提供健康生活习惯的指示。差异蛋白质分析鉴定出了一组具有与LUAD生物学相关的先验证据的蛋白质，在许多已知存在的多环芳烃特征的样本中与患者吸烟状态具有很强的相关性。作者还确定了肿瘤和配对NAT样品与患者吸烟状态之间的6种差异途径调控模式，高吸烟人群肿瘤中增加了包括细胞周期和转录机制在内的途径，P53通路活性和凋亡较低，表明与吸烟相关的肿瘤更有效地灭活了肿瘤抑制因子并克服了免疫监视和凋亡。
5 肿瘤和NAT比较显示致瘤性变化和候选生物标志物
大规模组学数据集的最终聚焦点是明确疾病标志物分子，对于促进早期诊断和确定可能的治疗靶点至关重要。考虑到药物靶向主要是蛋白互作结合，作者将蛋白表达以及蛋白磷酸化修饰作为寻找标志物的重点。
配对的肿瘤和NAT样品之间差异蛋白丰度的富集分析显示，肿瘤样品中的致瘤过程，包括细胞周期进程、MYC目标和糖酵解被上调。蛋白质水平上鉴定了289个蛋白上调，同时观察到70个磷酸位点和11个乙酰基位点的显著差异，这提供了强大的候选生物标记物。其中很多是肺癌预后不良的已知标志物，如与EMT和转移有关的GREM1蛋白，OCIAD2的卵巢癌免疫反应性抗原结构域，与压力相关的标志物候选DHFR、HYOU1、LDHA和CBX8。磷酸化驱动的信号上调主要是检查点控制和肿瘤细胞周期进展，并突出显示了EGFR和KRAS突变导致的功能活性改变。KRAS突变肿瘤显示RAS下游途径（包括MAPK1）以及TAK1的位点驱动激活，TAK1是IL1、TGF-β和Wnt信号通路汇合的枢纽；EGFR突变型肿瘤中上调的途径包括ROCK1以及Rho相关的蛋白激酶，在某些癌症类型中已显示出EGFR的过度激活。
讨 论
在这项研究中，报告了110个LUAD肿瘤和101个匹配的NAT的综合蛋白质组学表征。深层蛋白质组学和表观组学数据能够追踪表观遗传和基因组改变的下游信号传导后果，并确定推定的甲基化顺式作用和新颖的KEAP1/NFE2L2调控机制。极端的磷酸化事件暗示了治疗可能性，包括在KRAS突变体中抑制SOS1和在ALK融合和EGFR中抑制PTPN11/Shp2 突变型肿瘤。研究还系统地识别和注释了异常激酶，它们是主要突变亚型所特有的，其中许多具有已知的抑制剂或可能具有药物作用。整合的蛋白质组学进一步对LUAD的免疫状况进行了广泛表征，并鉴定了许多潜在的治疗脆弱性，包括在免疫热肿瘤中的抗CTLA4治疗和IDO1抑制作用。蛋白质组学数据，吸烟者和从未吸烟者的均衡代表性以及成对的肿瘤/ NAT分析的结合能够捕获肿瘤和邻近组织中癌变的影响，并强调了潜在的致癌机制。