磷酸化蛋白组学系统分析揭示“脑肿瘤”病理机制及新药物靶点研究
前言
美国圣朱迪儿童研究医院Junmin Peng教授课题组在Nature Communications发表了名为“Deep multiomics profiling of brain tumors identifies signaling networks downstream of cancer driver genes”的研究成果，通过多组学研究（转录组学、磷酸化蛋白组学）方法，发现了受体络氨酸激酶(RTK)诱发的高级神经胶质瘤(HGG)的主要调控模块和关键调控因子，并比较了两种RTK--神经营养受体络氨酸激酶(NTRK)和血小板衍生的生长因子受体α (PDGFRA)的原癌性，为确定高级神经胶质瘤的病理机制及新药物靶点提供了理论依据。
中文标题：脑肿瘤的多组学研究揭示原癌基因下游的调控网络
研究对象：小鼠脑肿瘤组织
发表期刊：Nature Communications
影响因子：14.919
发表时间：2019年8月
作者单位：美国圣朱迪儿童研究医院
运用组学技术：转录组学、磷酸化蛋白组学
研究背景
神经胶质瘤是一种常见的脑肿瘤，约占所有脑肿瘤的30%，在所有恶性脑肿瘤的占比为80%。它起源于大脑神经元周围的神经胶质细胞，胶质细胞瘤患者的生存期中位数约为15个月，在儿童和成人都可发病。之前对胶质瘤的研究主要集中在基因组和转录组，对蛋白组的研究深度不够，此次研究达到比之前更高的质谱鉴定深度，融合了多组学分析方法，鉴定出癌基因下游关键的调控网络和调控因子，为胶质瘤的病理研究、药物治疗提供了基础。
研究思路
研究结果
1. 实验分组
（1）对照组：3个样本，正常小鼠脑组织；
（2）PDGFRA: 4个样本，PDGFRA诱导的胶质瘤；
（3）NTRK: 3个样本，NTRK诱导的胶质瘤；
2.技术路线
（1）组织学分析：HE染色
（2）组学分析方法：蛋白组学、磷酸化组学、转录组学
（3）基因表达：RNA测序
（4）其它方法：TMT标记反相LC/LC-MS/MS， TiO2磷酸肽段富集技术，CRISPR-Cas9
研究结果
PDGFRA 与NTRK在转录、蛋白、磷酸化水平有着不同表达模式
根据多组学数据对正常脑组织、NTRK、PDGFRA进行分组，在蛋白组、磷酸化组、转录组水平，三组样本被PCA前两种主成分区分开,并且同组样本聚类到一起。（图1.a,b）转录组和蛋白组的关联性， 鉴定到的蛋白占可信mRNA（FPKM > 1)的比例为84%。（图1.c），转录组和蛋白组表达水平表现出中等程度的相关性（R^2 = 0.5)。
图1
多组学分析鉴定出HGG的调控网络和关键的调控因子
WGCNA鉴定出不同表达模式的蛋白聚类（WP-C1至WP-C5）和磷酸化蛋白聚类（PP-C1至PP-C5),对其中WP-C1和PP-C2进行通路富集分析和通路-通路互作网络分析（图2.a）。利用IKAP算法根据底物磷酸化水平估测蛋白激酶活性，进行聚类并呈现出与部分磷酸化聚类相似的表达特征（图2.b），构建激酶-激酶信号转导网络（图2.c）。利用蛋白组、磷酸化组、转录组数据进行转录因子（TF）分析，筛选出23个功能活性改变的TF（图3.a）。构建激酶-转录因子-目标基因信号转导网络（图3.b）。
图2
图3
NTRK调控下游通路形成一个正反馈回路，有更强的原癌性
利用PAC算法，估测PI3K-AKT信号通路活性，NTRK下游通路活性为PDGFRA的1.45倍（图4.a），通过细胞增殖标志Ki-67（图4.b）和K-M生存曲线（图4.c）得到验证。NTRK可以上调其他RTK的表达水平，据此构建出一个正反馈调控模型（图4.d）。
图4
CRISPR-Cas9筛选实验验证新的癌症靶点
CRISPR-Cas9筛选实验的工作流程（图5.a），通过gRNA在第1天和第15天表达水平来验证基因对癌细胞存活的必要性，在鉴定出的9个关键转录因子和蛋白激酶中，有5个（56%）显示出对癌细胞的生长有显著调控作用（图5.b）。
图5
研究讨论
通常mRNA表达水平和蛋白表达水平只有中等程度的相关性，需要同时对转录组和蛋白组进行整合研究以获得较完整的癌基因表达情况。一些关键的调控因子，如转录因子、蛋白激酶，通常在细胞中以较低丰度的形式存在，对它们的研究需要精度高、覆盖度广的蛋白质谱技术。此项研究通过对蛋白组进行深度定量研究，同时整合了多组学分析，探索了癌症发生的分子机制，并通过CRISPR-Cas9实验验证了筛选出的靶点的可靠性。同时，磷酸化蛋白组的研究补充了通路活性发生改变，而蛋白质表达水平无明显变化的情况。
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本篇文章对高级神经胶质瘤(HGG)的分子机制进行了深入研究。通过采用多组学方法分析了胶质瘤细胞生长过程中主要调控网络和关键调控因子，构建出RTK调控下游通路的模型。而这些关键调控因子为HGG的预防和治疗提供了极有价值的靶点。
文末看点｜lumingbio
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