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文献分享 | 人胶质母细胞瘤的蛋白质基因组学和代谢组学特征

分类:
阿趣动态
发布时间:
2021/06/21 09:52
浏览量

文章标题:Proteogenomic and metabolomic characterization of human glioblastoma

发表期刊Cancer Cell

影响因子:26.602/Q1

发表时间:2021年4月12日

 

 

文章亮点

 

  • 磷酸化的PTPN11和PLCG1在RTK改变的肿瘤中是一个信号中枢

  • 以不同的免疫细胞群为特征存在四种免疫GBM亚型 

  • 间充质亚型EMT信号对肿瘤细胞有特异性,但对间质无特异性

  • 组蛋白H2B乙酰化在典型的GBMs中富集,而在巨噬细胞含量较低

 

 

研究背景

胶质母细胞瘤(GBM)是最常见的原发性恶性脑肿瘤,在美国每年约有12000例新发病例,中位生存期在2年以下。基于不同的研究结果可对神经系统肿瘤疾病作出不同的分类,尽管有不同的亚型,但基于转录组学,在预先指定的患者亚群中没有特定的治疗更有效。因此了解其分子发病机制对提高诊断和治疗水平至关重要。

 

 

实验设计

  • 样本类型:组织样本、血液

  • 样本数量:99例GBM患者组,10例正常对照组

  • 检测组学:10种蛋白质基因组学和代谢组学数据类型,包括全基因组测序(WGS)、全外显子组测序(WES)、RNA测序(RNA-seq)、microRNA-seq(miRNA-seq)、单核RNA-seq(snRNA-seq)、DNA甲基化阵列、蛋白质组、磷酸化蛋白质组、乙酰化蛋白组、脂质组学

 

 

研究内容

  • 基因组数据分析:比对、变异分析、注释

  • RNA测序定量分析:RNA融合、miRNA、Circular RNA、snRNA-seq等的表达量和统计分析

  • 质谱检测分析标记蛋白组学、磷酸化蛋白组学和乙酰化蛋白组学的定量和分析

  • 多组学聚类分析

  • 基于基因表达的肿瘤亚型分析

 

 

主要研究结果

 

1. 蛋白质基因组学和代谢组学特征描绘了胶质母细胞瘤的分子亚型

研究人员对99例GBMs和10例正常脑样本的蛋白质基因组图谱进行了表征。所有的样本被均质化,并在10种不同的组学分析中进行等分(图1A)。该队列的基因组特性与之前报道结果一致, 并且在癌基因中发现了许多结构变异,包括EGFR和PDGFRA,以及肿瘤抑制因子PTEN和NF1,WES和WGS发现了TERT启动子(TERTp)突变,等位基因频率(VAF)为>5%(图1B)。

图1 临床队列样本蛋白基因组学

 

通过NMF对肿瘤样本进行多组学聚类。热图显示了亚型之间的差异表达,包括DNA甲基化、乙酰组、代谢组和脂质组,以及每个亚型的特征。途径富集分析强调了亚型之间的差异。神经元活性相关通路、免疫应答通路和细胞周期通路分别在nmf1(前神经样)、nmf2(间充质样)和nmf3(经典样)亚型中富集(图2C)。

 

图2 肿瘤样本的拷贝数变化、表达量、蛋白质和磷酸化蛋白丰度的多组学聚类分析

 

2. 驱动基因改变影响致癌蛋白丰度和磷酸化

研究人员将基因改变与RNA、蛋白表达和磷酸化水平联系起来,观察到95个顺反式磷酸化事件(图3A和图3B)。作者发现EGFR和PDGFRA具有很强的顺式效应,分别在S1166和S1067/S1070位点的RNA和蛋白表达显著增加,磷酸化水平增加。这些观察结果说明了蛋白质测量对研究途径激活的重要性。TP53突变与WT样本中RNA和蛋白质表达的比较,TP53蛋白表达相对于TP53 WT GBMs持续升高(图3C),这种影响在RNA水平上没有看到。TP53突变的肿瘤显示DNA修复基因磷酸化位点上调,但没有增加蛋白质水平(图3D),表明有特定的磷酸化位点调控。

图3 SMGs的顺反效应及TP53对DNA修复基因调控和RB1对细胞周期基因的影响

 

3. RTK信号级联在GBM中被激活

研究人员鉴定了45个带有EGFR SVs的肿瘤,所有肿瘤都有拷贝数扩增,表明SV和CNV之间具有高一致性(图4A), 在EGFR改变的样本中,图片观察到高的EGFR自磷酸化,以及PHLDA1、PHLDA3、SOX9、CTNND2(δ-catenin)、CDK6和CDKN2C(图4B和4C)的丰度增加。热图(图4D)显示EGFR和PDGFRA激酶的顺式和反式调节位点显著(FDR<0.1)。EGFR和PDGFR都调节PTPN11的磷酸化。示意图(右)显示了EGFR和PDGFRA对PTPN11的双重调节,以及PTPN11可能去磷酸化的下游底物。

图4 RTKs的改变及其与表达、磷酸化位点状态和下游靶点的关系

 

4. 不同的免疫标记物表达和表观遗传事件是GBM免疫亚型的特征

研究结果显示免疫靶点(如PD-1和TIM-3)、趋化因子(如CCL2)、巨噬细胞特异性细胞因子(如CSF-1)及其受体(CSF-1R)的基因和蛋白表达水平在im1中显著升高(图5A),通过聚类分析确定的四种免疫亚型显示细胞类型特征、免疫检查点和潜在的免疫治疗靶点。

图5 四种免疫亚型的细胞类型富集、免疫标记表达和富集途径

 

5. 间充质瘤与微环境特征

热图(图6G)显示肿瘤细胞中nmf2亚型上调基因的snRNA序列(左)和体蛋白(右)表达特征。所有在肿瘤细胞中上调的emt相关基因在nmf2 GBMs中也显著增加了RNA和蛋白质数据。

 

图6 肿瘤细胞层次聚类热图分析

 

6. 组蛋白乙酰化差异与特定的亚型和途径有关

与正常样本相比,肿瘤中组蛋白乙酰化水平普遍上调,一部分肿瘤的H1、H3和H4乙酰化水平升高,而另一组肿瘤的H2B n端位点乙酰化水平显著升高(图7A),在一些肿瘤中H2B的高乙酰化可能依赖于CREBBP/EP300的活性。xCell评分与组蛋白乙酰化位点显著相关性结果表明H2B乙酰化与TME(肿瘤微环境)富集评分显著负相关(图7D),而其他组蛋白呈正相关。

图7 组蛋白乙酰化与免疫亚型和途径的关系

 

7. 与GBM亚型相关的脂质组成和代谢组学特征

研究人员检测出582种脂质(图A),在四个多组学亚型中识别出超过500种差异丰富的脂质(图8A)。间充质亚型显示三酰甘油(tg)的丰度升高,而磷脂酰胆碱(PCs)和其他类型的磷脂的水平下降(图8A,8B), 肿瘤样本的ACSL6蛋白表达显著降低(图8D), 图8F显示了DGs与AKT1、PLCD3、PLCG1蛋白表达显著相关。

图8 脂质组和代谢组数据的通路分析

 

 

总结

 

本研究整合分析基因和每个表达亚型的RNA、蛋白和磷酸水平,以检查GBM中三个重要的致癌信号通路:RTK/RAS、PI3K/AKT和p53/细胞周期。磷酸化蛋白质组学数据表明PLCG1和PTPN11是多个RTK共同的信号中枢。研究人员发现在RTK通路中,表达异常率远高于基因变异率。此外,分析的肿瘤在三个通路中至少有一个通路中存在至少一种基因改变或异常表达。

 

研究人员们扩展了经典的测序方法,整合单细胞转录组和基于质谱的蛋白质组、磷酸化蛋白质组、乙酰组、代谢组和脂质组分析。多组学分析发现,与传统的基于测序的亚型相比,混合亚型患者的一个子集显示出总生存期缩短。单细胞基因组学和蛋白质组学技术的快速发展将促进对GBM异质性和TME相互作用的深入分析,为进一步的机制研究提供了新的契机。

 

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