「青莲聚焦」乳腺癌发生和靶向治疗的蛋白质基因组学全景图谱研究

文章标题：Proteogenomic Landscape of Breast Cancer Tumorigenesis and Targeted Therapy

发表期刊：Cell（2022年影响因子/JCR分区：66.850/Q1）

发表时间：2020年11月

研究背景

乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一，它是一种高度异质性疾病，现在针对亚型治疗的精准治疗方法多样，常将靶向DNA修复缺陷、激活的蛋白激酶、雌激素受体（ER）和肿瘤微环境中免疫反应等方法进行联合。但是这些方法的联合依赖于我们对肿瘤敏感性的判断，乳腺癌的异质性在很大程度上限制了患者的个体化治疗。目前，蛋白质基因组学已被广泛应用到肿瘤分析中，下一代DNA和RNA大规模测序及基于质谱的蛋白质组学相结合的方案，有利于对肿瘤形成及其靶点治疗进行更全面的分析。同时，利用蛋白质基因组学有助于乳腺癌准确分型，在乳腺癌临床研究中具有巨大的潜力。

研究思路

采集122例未治疗原发性乳腺癌组织样本进行多组学研究（包括DNA测序、mRNA测序、TMT蛋白质组学、磷酸化修饰蛋白质组学和乙酰化修饰蛋白质组学），全面解析了乳腺癌发生机制及其靶向治疗分子特征。首次分析了乳腺癌乙酰化修饰信号，揭示蛋白质基因组学可用于更精准地鉴定乳腺癌的靶向途径和生物学特征。

结果速递

01乳腺癌蛋白基因组学特征总体描述

在整个数据集中，经适当的过滤后共鉴定出29647个体细胞突变、23692个基因水平的拷贝数变异，23121个基因转录本、10107个蛋白、38968个磷酸化位点和9869个乙酰化位点。

作者使用非负矩阵分解(NMF)对SCNA、mRNA、蛋白质以及修饰位点丰度进行聚类分析，定义出4个NMF簇，分别是NMF LumA-I、NMF Basal-I、NMF LumB-I和NMF Her2-I。其中NMF LumA-I、NMF Basal-I和传统的肿瘤分类方法PAM50所判定的较为一致，而NMF LumB-I和NMF Her2-I则与PAM50亚型分类具有不一致，NMF LumB-1还包含部分PAM50 LumA样本。PAM50作为一种用于临床的简化分类方法，对LumA和LumB的生物差异性无法全部鉴定。

02高度磷酸化的靶向蛋白激酶的亚型特异性表达

在乳腺癌亚型中有一些被称为激酶的靶向酶，它们具有较高的磷酸化程度，这些激酶是亚型特异性治疗的候选药物。对磷酸化蛋白质数据进行分析以鉴定出每种NMF亚型中假定的治疗靶点，发现之前研究中PAM50亚型所观察到富集的激酶在这个数据集的NMF亚型中也能观察到，包括NMF Basal-I亚型中PRKDC、MAP4K4和SPEG；NMF HER2-I样本中的ERBB2和CDK12；以及NMF-LumA-I样本中的DCLK1。

同时，利用BlackSheep方法可将磷酸化激酶异常值与反复出现的体细胞突变相关联。前人研究发现，在ARID1A突变病例中，TRAF2 和NCK结合激酶（TNIK）磷酸化水平升高，由于TNIK在WNT通路中发挥作用，故其是一种潜在的治疗靶点。

03蛋白质基因组代谢谱和乙酰蛋白质组学强调亚型特异性代谢

在蛋白质组水平对肿瘤代谢特征进行分析，将差异性表达的代谢相关蛋白进行无偏差聚类，分成4个簇的存在，且其很好地反映4种NMF簇的特征。

研究表明，蛋白乙酰化修饰与代谢密切相关。进一步整合乙酰化修饰组数据与NMF亚型分析 发现 NMF Basal-I 簇中 TCA 循环和 β- 氧化蛋白的乙酰化（ Ac ）上调，而 NMF LumB-I 簇中葡萄糖代谢和 IL-1 信号相关蛋白的乙酰化上调。 Ac 水平在细胞不同部位也有不同的分布。与 LumB-I 相比，大多数差异性表达的线粒体 Ac 位点在 NMF Basal-I 上调， 2/3 的差异性表达的胞质 Ac 位点下调，这意味着 NMF Basal-I 亚型中 Ac 在细胞内不同部位具有特异性调节。细胞质和线粒体代谢途径在 NMF Basal-I 和 LumB-I 亚型之间存在差异调节。拷贝数与 NMF Basal-I 型肿瘤中的代谢酶表达相关，但在其他亚型中不相关，这表明糖酵解和丝氨酸合成途径的激活可能是由 NMF Basal-I 亚型的染色体畸变所驱动的。对代谢蛋白 Ac 潜在调节因子的无偏见搜索发现，线粒体脱乙酰酶 SIRT3 的蛋白水平与线粒体蛋白的 Ac 之间存在显著的负相关，表明解除 SIRT3 蛋白表达的调控可能广泛地影响 BRCA 中的线粒体 Ac 。

04ERBB2+BRCA的蛋白质基因组学分析

对接受抗ERBB2抗体治疗的ERBB2+ BRCA患者的乳腺癌活检标本进行了蛋白质基因组学分析，发现除了ERBB2扩增且蛋白上升的肿瘤，还存在缺乏ERBB2扩增的肿瘤和“假ERBB2+”肿瘤（即有ERBB2扩增，但蛋白水平较低）。15个ERBB2 PG+样本中只有7个通过PAM50分型被归为HER2E，而另外7个HER2E样本不是ERBB2 PG+。而将ERBB2阳性和HER2分类进行相关联，发现所有PAM50 HER2E/ERBB2 PG+（PG+是蛋白质基因组学阳性）样本都具有高水平的ERBB2磷酸化，而PAM50 HER2E/ERBB2 PG-样本具有显著较低的ERBB2磷酸化，但其他ERBB家族成员以及MAPK信号通路的磷酸化水平上调。这表明，在没有ERBB2扩增的PAM50 HER2E肿瘤中可以靶向ERBB信号的替代驱动因子。

利用蛋白基因组数据（PG）对 ERBB2+ 分类，结果与 ASCO-CAP 指南一致。同时发现，在ERBB2蛋白低表达的假性 ERBB2+ 样本中，TOP2A 扩增和蛋白高表达。

05肿瘤免疫微环境(ITME)的分析

利用基于RNA的免疫细胞去卷积特征和免疫调节因子的蛋白质水平特征定义出四种BRCA亚型的免疫相关特征。发现 CD3 抗体 IHC 鉴定的激活免疫微环境与免疫蛋白特征或 RNA-seq 免疫微环境水平一致。CD3+ T细胞的浸润代表着有活跃的免疫肿瘤微环境（I-TME）。与其他亚型相比，PAM50 LumA 中效应记忆 CD4+ 和活化的 CD4+ 和 CD8+ 特征水平较低；IFNG 和 APM1 蛋白质水平较低；基质细胞、成纤维细胞、肥大细胞、内皮细胞和中性粒细胞特征较低。说明获得性免疫应答现象普遍存在于其他亚型。分析发现获得性免疫反应的特征在LumA中通常不被激活，而其他PAM50亚型，包括LumB，表现出与获得性免疫激活一致的特征，表明具有活跃的I-TME的luminal肿瘤可以考虑进行免疫治疗。

06Luminal 乳腺癌免疫微环境特征

为了识别常见BRCA亚型的潜在免疫原性驱动因素，分析 PD-L1 mRNA 与蛋白质数据相关性，发现 APOBEC3G与PD-L1、CIBERSORT免疫分数和APOBEC 突变特征正相关。对全外显子组数据应用APOBEC严格过滤，ER+ Luminal 样本具有 APOBEC 突变特征和更高的突变负荷，且APOBECB 高表达。说明由 APOBEC 导致的突变有助于激活 ER+ 乳腺癌的免疫微环境，并与 PD-L1 mRNA 表达相关。NER 蛋白表达与PD-L1 mRNA 表达呈负相关，而且NER 蛋白低表达导致ER+ 乳腺癌患者产生内分泌治疗抵抗。所有SSBR通路（NER、BER和MMR）与CIBERSORT 免疫分数负相关，说明在Luminal 乳腺癌中，低表达的SSBR 蛋白水平与免疫微环境激活相关。磷酸化蛋白质数据表明，Luminal 样本ATM 磷酸化水平降低抑制DNA 损伤检查点活性，导致NER/BER/MMR 缺陷容忍度升高，并解除对CDK4/6 抑制作用。

07Rb状态分析可能提示对CDK4/6抑制剂治疗的反应

增殖率是BRCA的一个重要预后特征，比较 HR+/ERBB2 PG- 乳腺癌和三阴性乳腺癌（TNBC）细胞周期的基因组特征，计算多基因的增殖分数（MGPS）。HR+/ERBB2 PG- 乳腺癌中，CDK4 活性、CDK6 活性、Rb 蛋白/磷酸化蛋白表达分别和 MGPS 正相关；在 TNBC 中，MGPS 较高，且 Rb 蛋白/磷酸化蛋白表达分别和 MGPS 呈负相关。高表达 Rb 磷酸化蛋白 TNBC 中 CDK4 和 CDK6 活性较高；低表达 Rb 磷酸化蛋白组，表现为 RB1 基因突变/缺失和不响应 CDK4/6 抑制剂治疗。同时，在这个数据集中，RB1突变或缺失的TNBC细胞对CDK4/6抑制剂没有反应，而一些野生型TNBC细胞系有反应，说明对基因组Rb状态的了解可能有助于将CDK4/6抑制剂用于TNBC。

总结：

文章通过对乳腺癌群体样本进行蛋白质组学、基因组学、转录组学以及翻译后修饰组学检测，利用生信分析手段阐述了乳腺癌各个亚型的乙酰化蛋白质特征、代谢特征和免疫微环境特征，为个性化治疗提供了新视角和更全面的解析，蛋白基因组或将成为未来个性化治疗的主要手段。