兒童腦瘤（pediatric brain tumors）是幼兒癌症中致死率較高的癌症，儘管基因組學研究已經揭示了兒童腦瘤的部分機制，但是由於兒童腦瘤的基因組具有低突變性（low mutational burden）等特點，僅僅依靠基因組學，或者轉錄組學數據，無法準確的定位其背後的生物學通路。
近日，由美國臨床腫瘤蛋白質組分析協會（Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium，CPTAC）牽頭的多個課題組在Cell上聯合發表了整合蛋白基因組數據（Integrated Proteogenomic ）對兒童腦瘤的不同病理分型進行研究的論文，該論文為第一篇針對兒童腦瘤進行大規模蛋白基因組表徵的論文，為疾病分型，腫瘤微環境研究，潛在的藥物靶點研究等提供了新的思路(1)。
在該論文中，作者展示了完整的蛋白基因組工作流程。首先使用全基因組測序，RNA測序，蛋白質TMT定量（完整蛋白質組和磷酸化蛋白質組），蛋白質MRM定量技術對臨床上7種基於病理的分型進行分析。這7種分型包括低程度膠質瘤（low-grade glioma, LGG），室管膜瘤（ependymoma, EP），高程度膠質瘤（high-grade glioma, HGG）, 髓母細胞瘤 (medulloblastoma, MB)，神經節膠質瘤（ganglioglioma），顱咽管瘤（craniopharyngioma, CP）以及橫紋肌樣瘤（atypical teratoid rhabdoid tumor, ATRT）。
實驗中共收集到7種分型共218例組織樣本，由於樣品的稀有性和磷酸化修飾的特性，需要有高通量和高準確性的方法快速對樣品進行分析，因此作者選擇了11標TMT標記技術。在11標TMT技術中，作者選擇前10個通道對單個樣品進行標記，然後選擇第11個通道作為參考通道（Bridge channel），用於保證實驗質量，隨後一針進樣即可完成定性和定量分析。隨後進過常規樣品製備和磷酸樣樣品富集後，作者使用11標TMT技術對全蛋白和磷酸化蛋白質進行定性和定量分析。
實驗數據經過QC過濾，定性定量分析後，218例樣本共鑑定並定量出8802個蛋白質（平均鑑定數5122）和18235個磷酸化位點（平均鑑定數2714）。隨後作者使用蛋白質組學數據進行非監督聚類分析，共生成8個分型（C1-C8）。
將基於蛋白質組、轉錄組與基於病理特徵的分型相比（圖1.a），部分分型高度重合（EP和MB），其餘分型重合度不高。值得注意的是基於蛋白質組的分型中的C4和C8，他們大致對應病理分型中的CP分型。根據已有的報導，基因CTNNB1上的突變是CP分型的重要因素，而在該次實驗中，CTNNB1突變與C4和C8分型關聯不大；根據蛋白組數據，C4分型與病理分型中的LGG分型更為相似。根據蛋白質分型，可以將LGG細分為2個亞型。更為重要的是，根據基因組學分析結果，CP分型關聯至下遊的磷酸化激酶（MEK/ERK/AKT）的上調，而根據磷酸化蛋白數據，C4分型的磷酸化激酶也呈上調趨勢。
值得注意的是，在該次實驗中，RNA數據和全蛋白數據的上調因子中，均沒有磷酸化激酶；只有磷酸化蛋白質數據中，磷酸化激酶（AKT1）顯著上調，提示了磷酸化蛋白質組學數據的重要性(圖1.b)。磷酸化激酶是針對CP分型藥物的作用靶點，之前CP分型的針對性藥物只針對CTNNB1突變病例，並不推薦給其他病人；而根據磷酸化蛋白質數據，部分C4分型的病例，雖然不存在CTNNB1突變，但磷酸化激酶的表現與CP分型抑制，因此也可適用於針對CP分型的藥物。
圖1 | a、病理分型與蛋白質組分型與RNA、蛋白質、磷酸化蛋白質的相關性
b、RNA、全蛋白質組、磷酸化蛋白質組中的顯著性差異的因子
為了驗證該推論，作者選取了磷酸化通路（MEK/ERK）中部分關鍵蛋白質作為標誌物，使用質譜MRM定量方法對樣本中的磷酸化蛋白質進行靶向定量（圖2）。可以看出，MRM結果驗證了C4分型的磷酸化激酶存在顯著性變化，而AUC結果則提示，磷酸化蛋白質MRM定量可以作為臨床分型的準確依據。
圖2 | 部分MEK/ERK通路中關鍵磷酸化蛋白質的MRM定量結果
隨後作者利用整合的數據，對不同亞型的腫瘤微環境進行分型，並與蛋白質組數據進行比較。同時比較了上遊基因突變結果和拷貝數變化（Copy Number Variation, CNV）之間的關係，指出雖然在兒童腦瘤中，體細胞存在突變現象，但體細胞突變（somatic mutation）沒有導致下遊蛋白質的變化。此外，實驗還揭示了磷酸化位點豐度與CNV之間的顯著關聯性，在TCF4, TCF25和CTNNB1基因中，RNA豐度與蛋白質/磷酸化豐度顯著相關，提示蛋白質磷酸化變化在兒童腦瘤中的重要作用。
在最後的總結討論中，作者指出儘管在目前的實際臨床實踐中，病理分型依然佔據主流，但結合不同組學數據的分子分型具有更大的潛力。在該實驗中，基於蛋白質組/磷酸化蛋白質組的分子分型，將病理上的CP分型細分為2個亞型，並且指出該亞型可以適用與之前不被推薦的靶向藥物，為疾病治療提供了新的思路。
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參考文獻
F. Petralia et al., Integrated Proteogenomic Characterization across Major Histological Types of Pediatric Brain Cancer. Cell, (2020).
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文章來源於鹿明生物