结直肠癌(CRC)是全球第四大致命性癌症，每年有近90万人死亡。衰老、不良的饮食和生活方式都会增加结直肠癌的风险。尽管治疗手段不断进步，但是对于CRC，特别是转移性CRC的死亡率在癌症中仍然很高。2020年11月9日，中国科学院上海生化细胞所吴家睿，曾嵘团队及海军医科大学张卫团队合作在Cancer Cell上在线发表了题为“Integrated Omics of Metastatic Colorectal Cancer”的研究论文，该研究通过基因组、蛋白组、磷酸化蛋白组学多角度系统的分析了转移性结直肠癌的分子特征，为CRC的预后评估和个性化治疗提供理论依据。

 

 

 

 

样本策略

76例早期-非转移性CRC和70例转移性CRC患者的480个临床组织：原发灶和转移灶（T）、近端癌旁（P）和远端正常组织（N）、远处肝转移组织（LM）外周血细胞（BC）；

技术策略

全外显子测序、DIA蛋白组学、DIA磷酸化蛋白组学

技术路线

 

 

 

 

 

 

天津蛋白质组学

实验结果

多组学研究概述

该研究采用多组学方法对146例中国结直肠癌患者（CCRC）的不同组织部位进行分析。作者对330个样本进行了全外显子组测序（WES），并采用DIA技术得到了来自480个样本的蛋白质组和磷酸化蛋白组数据，共检测到8450个蛋白和47786个磷酸化位点的定量结果。

中国CRC患者的突变特征

对146例患者组织样本的基因组学检测结果表明，常见的癌症相关突变基因为APC(百分之65的突变频率)、TP53(百分之64)和KRAS(百分之32)。接下来研究人员将我国CRC队列（CCRC）与TCGA和MSK的CRC数据集进行比较，研究发现三个队列临床病理特征存在明显差异，其中CCRC中CRC的发病率及转移性CRC（mCRC）的比例很高.

 

 

 

图1. CCRC的基因组突变图谱

 

基于蛋白质组学数据的亚型分类

作者对原发性肿瘤和对照组之间的2440个差异表达蛋白通过共识聚类共分成3种亚型（CC1、CC2和CC3）（图2A）。CC1集中在RNA加工和DNA错配修复（MMR）；CC2集中在细胞外基质-受体整合、粘着斑和免疫相关途径；CC3集中在DNA复制和代谢途径激活。三种亚型具有不同的没有复发生存率，与CC1和CC2亚型中的mCRC患者相比，CC3中的mCRC患者的没有复发存活的概率很低（P = 0.004；图2C）。相比之下，非mCRC患者在三个亚型中没有显着的复发存活差异。

 

 

图2. CCRC的蛋白质组学亚型和每个亚型的临床意义

 

 

磷酸化蛋白质组图谱鉴别mCRC与非mCRC

基于磷酸化蛋白组数据，在原发性肿瘤和对照组中共鉴定到1487个差异磷酸化位点。对其进行共识聚类，将其分成6个磷酸化蛋白质亚型(图3A、3B)。其中SC1、SC3和SC5富含mCRC患者，而SC2、SC4和SC6富含非mCRC患者。功能富集分析发现在SC1、SC3和SC5中高表达的磷酸化蛋白在粘附相关通路中显著富集(图3C)。而SC2、SC4和SC6中上调的磷酸化蛋白在ERBB2信号转导、子宫内膜癌、抗原加工和提呈以及FcγR介导的吞噬途径中显著富集(图3C)。基于PhosphoSitePlus数据库的激酶-底物关系，研究发现在SC1、SC3和SC5中，激酶和磷酸化位点之间大多呈负相关，而在SC2和SC4中，正相关较多(图3D)。

 

 

 

图3. CCRC中的磷酸蛋白质组图谱

 

 

磷酸化蛋白质组学为mCRC提供可用药靶点

对于具有可量化蛋白水平和临床可操作药物的激酶，作者分析了42对mCRC的N-T或N-LM组织中相应的磷酸底物丰度(图4B和4C)，共发现了251对激酶-磷酸底物。我们观察到mCRC患者不同组织和蛋白质亚型中磷酸底物和激酶的高度异质性(图4B)。接下来，根据每两对激酶-磷酸底物之间的皮尔逊相关系数，构建了每种蛋白质亚型中原发和转移肿瘤的激酶-底物网络(图4C)。

 

 

图4. 磷酸底物与相关激酶的富集

 

 

为了进一步探索mCRC患者的药物反应潜力，研究人员在31个miniPDX模型上进行了三种激酶克制剂(阿法替尼、吉非替尼和雷戈拉非尼)的药理学测试，其中包括9对原发转移肿瘤和13例其他原发肿瘤。通过肿瘤细胞生长克制(TCGI，百分比)来测量每种肿瘤对每种药物的药物反应效果，发现来自同一个体的原发性和转移性肿瘤对相同药物可能表现出不同的反应(图7B)。此外研究人员还根据1696个边缘强度特征构建了弹性网络回归模型，用于预测药物反应。这些结果表明，激酶-磷酸底物网络在预测mCRC患者的药物敏感性方面具有很强的潜力。

 

 

图5. 激酶-底物网络分析和miniPDX药物测试

 

总结

该研究专注于mCRC的多组学数据并提供了原发性和转移性肿瘤的全球特征图谱。基于对转移性肿瘤和原发性肿瘤在蛋白质组和磷酸化蛋白质组图谱上的差异的观察，作者发现网络分析结合蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学数据可以准确地反映药物反应。这些结果强烈表明，在选择IV期患者的治疗方案时，应考虑原发灶和转移灶组织中的蛋白质组/磷酸化蛋白质组图谱，以便采取有效的个体化治疗策略。

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