KRASs是人类恶性肿瘤中突变率很高的致癌基因之一，特别是在胰腺癌(PAAD)、结直肠癌(CRC)和非小细胞肺癌(NSCLC)中。KRAS突变肿瘤的特征是通过持续激活细胞内的大量磷酸化信号通路，从而促进肿瘤发生发展。尽管目前对KRAS突变肿瘤的研究取得了一些进展，但对蛋白质组和磷酸化蛋白质组的全面描述还很欠缺。2021年8月9日，中国科学院上海药物研究所的谭敏佳和黄敏团队合作在Molecular Cell上在线发表了题为“A proteomic and phosphoproteomic landscape of KRAS mutant cancers identifies combination therapies”的研究论文。该研究提供了不同组织来源的43株KRAS突变肿瘤细胞系的蛋白质组学和磷酸化蛋白组学图谱。通过整合转录组学、蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学数据，实现了基于多组学的KRAS突变肿瘤的分子分型，并在此基础上揭示了KRAS突变肿瘤的精准治疗新策略。

 

 

 

样本策略：

AAD、NSCLC、大肠腺癌(CoAD/Read)、乳腺浸润癌(BRCA)、胃腺癌(STAD)、宫颈鳞癌和宫颈腺癌(CESC)、膀胱尿路上皮癌(BLCA)组织来源的43株KRAS突变肿瘤细胞。

 

技术策略：

TMT标记蛋白质组学、磷酸化蛋白组学；转录组学（公共数据库中下载的数据）

 

技术路线

 

 

 

研究结果 01基于多组学的KRAS突变肿瘤细胞的分子分型

该研究收集了不同组织来源的43株KRAS突变肿瘤细胞进行了系统的蛋白质组学和磷酸化蛋白组学分析。所有数据集共检测到>14500个蛋白质（FDR为1%），>5600个磷酸化蛋白质以及>19700个磷酸化肽段(图1C和1D)。为了全面了解KRAS突变癌症的分子异质性，研究人员将蛋白组和磷酸化蛋白组数据与GDSC数据库（癌症药物敏感性基因组学）中公开可用的转录数据进行了整合，通过无监督聚类分析将KRAS突变细胞分为三个具有不同生物学特征的亚型（S1、S2和S3）（图1E）。并且这些亚型可用于对临床样本的大型独立数据集进行分层。

图 1. 基于多组学的KRAS突变肿瘤细胞的分子分型

 

02生物信息学揭示KRAS突变亚群的分子特征

为了获得三种亚型的不同临床结果的分子特征，研究人员进行了基因集富集分析（GSEA），结果显示S2亚型表现出比其他两种亚型更高的致癌信号传导途径富集（图2A和2B）。表明多组学特征可以更好地与KRAS突变癌症的临床结果相关联。进一步研究了每种亚型的相关通路。S1在mRNA水平上在细胞周期相关通路中显著富集，在mRNA和蛋白水平上也显示了EMT和MYC通路的显著富集（图2A和2B）。S2显著富集在KRAS和炎症反应通路（图2A和2B）。S3的标志性通路较少，这可能与S3亚型患者预后良好相关（图2A）。

图2.KRAS突变亚型的通路分析

 

03磷酸化蛋白质组分析揭示治疗KRAS突变癌症的药物组合

KRAS突变激活了多条下游通路。先前的研究表明，阻断个别下游通路几乎不能达到治疗效果。因此，研究人员提出假设，采用两种药物可能显示出更高的协同效应。为了验证这一假设，通过CPBA（compensatory phosphoprotein biomarker analysis）分析（图3A），对药物进行组合评分最终得到41种药物组合。在这些组合中，所有药物组合均对S2亚型有效，5种药物组合对S3亚型有效，而没有组合对S1亚型有效，可能是因为各亚型之间的磷酸化水平不同。并且已有研究报道了MEK和SHP2以及MET和VEGFR的联合抑制剂，在KRAS突变癌症中显示出良好的治疗效果。接下来测试了5种新的药物组合的治疗潜力，即SHP2和DOT1L、SHP2和ERK、MEK和FNTA、DOT1L和ERK以及DOT1L和AKT。在KRAS突变的PANC-03-27细胞中，所有药物组合的治疗效果都比任何一种单一疗法都强得多（图3B）。这些结果支持了假设，即CPBA可能是预测联合用药治疗KRAS突变癌症疗效的有用方法。

图3. 磷酸化蛋白质组学揭示KRAS突变癌症的药物组合

 

04DOT1L和SHP2联合抑制剂对S2亚型具有特异性治疗作用

CPBA分析预测了DOT1L-SHP2药物组合对S2亚型的治疗潜力。为了探索该预测组合治疗效果，研究人员在41株KRAS突变肿瘤细胞系中进行了测试（图4C）。结果表明，S2亚型对该药物组合更加敏感。值得注意的是，DOT1L-SHP2组合与亚型（p=0.0000046）显著相关，但与组织来源相关性较弱（p=0.86）。最近有研究报道了MEK-SHP2组合对KRAS突变肿瘤的治疗潜力。因此研究人员通过18株KRAS突变肿瘤细胞系对MEK-SHP2和DOT1L-SHP2组合进行了比较，结果发现DOT1L-SHP2组合在S2亚型具有更显著的治疗效果（p=0.0015），而MEK-SHP2组合未显示出明显的亚型特异性（p=0.085）。该发现表明DOT1L-SHP2组合对于KRAS突变肿瘤的S2亚型具有更显著的优势。此外，研究人员还通过小鼠模型对DOT1L-SHP2组合的体内治疗效果进行了评价，也证实了DOT1L和SHP2联合治疗S2亚型KRAS突变肿瘤的潜力。

图4. DOT1L和SHP2联合抑制剂对S2亚型的特异性治疗作用

 

总结 

该研究基于蛋白质组-磷酸化蛋白质组-转录组学的多组学数据，揭示出KRAS突变肿瘤在蛋白质组和磷酸化蛋白组层面的分子特征，基于组学数据将KRAS突变肿瘤细胞分为三个具有不同生物学特征的亚型，并基于CPBA分析发现了亚型特异性的精准治疗新策略。总之，该研究为更好的了解KRAS突变肿瘤的异质性和实现精准治疗提供了重要资源。

 

文献名称

KRAS突变肿瘤的蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学图谱确定联合疗法

 

期刊名称

Molecular Cell

 

影响因子

15.584

 

研究对象

KRAS突变肿瘤细胞

 

技术策略

TMT蛋白组学、磷酸化蛋白组学、转录组学（公共数据库中下载的数据）