專家點評Cell肺腺癌的帽子戲法 多組學整合精準醫學來臨
肺癌是我國也是世界上發病率和死亡率最高的惡性腫瘤【1】，五年存活率不足20%【2】。肺腺癌（Lung Adenocarcinoma, LUAD）是非小細胞肺癌中最普遍存在的分型，大約占所有惡性肺腫瘤的一半【3】。LUAD最普遍的風險因素是吸煙，其他的風險還包括暴露在致癌物以及戶外空氣污染等等【4,5】。近年來，診斷出肺腺癌的非吸煙病人人數逐漸增加，這說明找出LUAD發展過程中的非吸煙風險因素是非常關鍵的【6】。
在過去的十幾年中，西方國家的一些研究中為了揭示出LUAD的驅動基因進行了大規模的基因組研究，發現LUAD中最常見的體細胞突變是TP53、KRAS、KEAP1、STK11、EGFR等【7-9】。在中國和其他的亞洲國家，女性非吸煙者罹患肺腺癌的人中約有40-50%是由EGFR突變引起的【10】。
目前關于肺腺癌治療方面可供選擇的治療方式包括外科手術、放療、化療、靶向治療、免疫療法或者是這些治療方式的組合。盡管肺腺癌治療方面有一定的進展，但是仍有大量的LUAD還沒有適合的治療方式，因為缺少對其中遺傳突變的了解或者是很難建立靶向基因突變的藥物。因此，針對肺腺癌人群蛋白質分子圖譜的全景繪制，對于生物標志物與藥物靶點的發現、肺腺癌分子分型和精準治療方案的制定有重大科學意義。
2020年7月9日，中國科學院上海藥物研究所譚敏佳研究員團隊聯合軍事科學院軍事醫學研究院、國家蛋白質科學中心（北京）賀福初院士團隊、汪宜研究員團隊，國家癌癥中心/中國醫學科學院腫瘤醫院程書鈞院士、肖汀研究員團隊，上海交通大學李婧教授等團隊合作在Cell發文題為Integrative Proteomic Characterization of Human Lung Adenocarcinoma，在國際上首次對肺腺癌開展了大規模、高通量、系統性的全景蛋白質組學研究。研究工作對103例臨床病人的肺腺癌和癌旁組織進行了蛋白質表達譜和磷酸化翻譯后修飾譜的深度解析，最終共鑒定到11,119個蛋白產物和22,564個磷酸化修飾位點，同時整合臨床信息和基因組特征數據分析，深度構建了基于蛋白質組的肺腺癌分子圖譜全景。該研究首次從蛋白質水平系統描繪了肺腺癌的分子圖譜，并發現了與病人預后密切相關的分子特征，特別是發現了中國人群肺腺癌兩個主要基因（TP53和EGFR）突變人群的蛋白質分子特征。
為了對中國人肺腺癌的基因組進行研究，作者們收集了103個肺腺癌病人的樣品以及相匹配的非癌相鄰組織。該工作從蛋白質組、磷酸化蛋白質組、全外顯子組（Whole-exome sequencing， WES）、RNA-seq多組學水平對肺腺癌進行全方位的研究（圖1）。
圖1. 肺腺癌分子全景
隨后，作者們對LUAD的轉錄組學和蛋白質組學的結果進行了分析。蛋白質組的數據給出了一些從其他基因組學數據無法獲得的獨特的致癌數據特征。為了對DNA/RNA變體以及蛋白質產物進行檢測，作者們對包含體細胞突變的病人來源的全外顯子數據庫、RNA-seq數據來源的新穎可變剪切以及融合蛋白數據庫分析，希望能夠建立起這些新的基因事件變化背后對蛋白水平的影響。通過對大量非同義單核苷酸變異（Single-nuleotide variants, SNVs）和小的插入缺失突變的整合分析，作者們發現其中只有1.2%引發了蛋白質水平的變化（圖2）。這些分析結果都表明轉錄組、蛋白質組以及磷酸化蛋白質組各自擁有非常獨特的特征，當對這些多水平組學的數據進行整合后將會為功能重要的基因產物在肺腺癌中作用的解析提供新的見解。
圖2 DNA、mRNA以及蛋白質水平SNVs的變化
隨后，作者們對腫瘤組織與鄰近非腫瘤組織的蛋白質組學特征進行了對比。通過主成分分析對比，作者們發現腫瘤組織與鄰近非腫瘤與組織之間存在明顯的邊界，說明肺腺癌發生和發展過程中存在異常的蛋白質組學景觀。基因集合富集分析（Gene set enrichment analysis, GSEA）證明腫瘤中富集的蛋白主要參與的信號通路包括蛋白酶體、糖酵解/糖異生途徑、核糖體、泛素化介導的蛋白水解作用、核酸切除損傷以及細胞周期相關信號通路等，而鄰近非腫瘤區域主要富集的相關信號通路是參與肺部生理功能的基因，包括細胞外基質受體相互作用、緊密連接、ABC轉運蛋白等。
為了對單個肺腺癌驅動基因突變是如何影響蛋白質組和相關信號通路的，作者們對包含和不包含LUAD驅動基因突變的病人中蛋白質組學區別進行檢測。作者們發現有四個驅動基因突變與245個蛋白質表達存在顯著的正相關性或者負相關性。其中大多數蛋白的變化都與TP53和EGFR突變相關，同時前人的研究也集中在TP53與EGFR在LUAD預后預測方面【11】。為了進一步建立遺傳改變與下游信號通路之間的關系，作者們對病人中具有或不具有TP53和EGFR突變的蛋白質組學譜進行分析。通過分析發現，同時具有兩種突變的病人預后結果不佳，并且出現包括氧化磷酸化、脂肪酸代謝在內的多種代謝相關的信號途徑下調以及致瘤信號通路上調。
為了對肺腺癌的患者進行進一步分類以及對各分型臨床治療效果進行評估，作者們通過分子以及臨床特征將這些肺腺癌患者分為I型、II型和III型（圖3）。其中，I型與代謝和細胞微環境密切相關（Environment and metabolism high, EM-H），主要為臨床早期人群，預后良好；III型（Proliferation and proteasome, PP）與細胞穩態及增殖密切相關，其主要為臨床中后期人群，呈現出腫瘤分化程度較低，且預后最差；II型則是I型和III型的過渡狀態，其人群預后程度介于I型和III型之間。基因組信息顯示，II型肺腺癌病人具有最高頻率的EGFR突變而III型的腫瘤突變負荷最大。蛋白質組學的特征確認HSP 90β可以作為LUAD的預后預測標記物，同時也鑒定出了一系列蛋白質作為潛在的藥物靶點，其中的很多均已知與癌癥的發展過程相關。
圖3 肺腺癌患者分型與多種變量之間的相互關系
總的來說，該工作通過多組學整合分析為臨床方面理解肺腺癌的發生發展過程提供了重要的工具，同時也為未來在肺腺癌的精準醫學發展以及臨床治療方面鋪設了轉化基礎。
據悉，中國科學院上海藥物研究所譚敏佳研究員、國家癌癥中心/中國醫學科學院腫瘤醫院肖汀研究員、軍事科學院軍事醫學研究院、國家蛋白質科學中心（北京）賀福初院士、上海交通大學李婧教授以及軍事醫學研究院、國家蛋白質科學中心（北京）汪宜研究員為該論文的共同通訊作者；中國科學院上海藥物研究所博士后徐駿宇、軍事科學院軍事醫學研究院、國家蛋白質科學中心（北京）博士后張春潮、國家癌癥中心/中國醫學科學院腫瘤醫院博士生王想、中國科學院上海藥物研究所助理研究員翟琳輝以及上海交通大學博士生馬一鳴為該論文共同第一作者。軍事科學院軍事醫學研究院、國家蛋白質科學中心（北京）錢小紅研究員、秦鈞研究員、國家癌癥中心/中國醫學科學院腫瘤醫院程書鈞院士和毛友生主任、首都醫科大學宣武醫院張毅主任、天津寶坻醫院王廣舜主任、復旦大學王飛教授等團隊也參與了該研究工作。
值得一提的是同期Cell上由“國立”臺灣大學附屬醫院Yu-Ju Chen研究組牽頭發表了另外一篇文章題為Proteogenomics of Non-smoking Lung Cancer in East Asia Delineates Molecular Signatures of Pathogenesis and Progression，通過一組非吸煙早期肺腺癌患者的蛋白質組與基因組的分析，揭開了早期肺腺癌中獨特的驅動因素和生物標記以及性別相關的差異。
該文章首次展現了東亞人群中非吸煙肺腺癌患者的蛋白質基因組學景觀，鑒定出與肺腺癌發生發展過程中相關的年齡、性別以及環境致癌物風險因素，并通過蛋白質組特征對肺腺癌早期階段進行臨床分類，同時通過蛋白質網絡鑒定出腫瘤發生特點、腫瘤細胞標記物以及藥物靶點等。總的來說，這項研究揭示了肺腺癌早期腫瘤進展的分子結構和特征，并可能為東亞地區控制非吸煙肺癌的精準醫療開辟道路。
除此之外，臨床蛋白質組腫瘤分析聯盟（Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium）牽頭在同期發表了也發表文章題為Proteogenomic Characterization Reveals Therapeutic Vulnerabilities in Lung Adenocarcinoma，通過多組學的方式對肺腺癌蛋白質基因組學方面進行了解析，并通過其不同免疫特征建立了不同的肺腺癌分型。
另外，該文章通過磷酸化蛋白質組學方式鑒定出ALK-fusion作為診斷標記物和靶點的潛力。除此之外，作者們還鑒定得到了多個藥物靶點。肺腺癌腫瘤標記物蛋白磷酸化和乙酰化修飾也可能參與其中。
總的來說，三篇Cell文章齊發，通過基因組學、蛋白質組學、磷酸化蛋白質組學、全外顯子組學等多組學方式對肺腺癌的特征進行總結和描述，建立更精細的肺腺癌分型，為肺腺癌在臨床方面的治療、藥物開發以及精準醫學的發展提供強大的生物信息學資源助力。
專家點評
季紅斌、高大明（中國科學院生物化學與細胞生物學研究所）
2020年7月9日于Cell在線發表的題為Integrative Proteomic Characterization of Human Lung Adenocarcinoma的論文中，報道了中科院藥物研究所譚敏佳研究員、軍事科學院軍事醫學研究院、國家蛋白質科學中心（北京）賀福初院士等領銜的肺腺癌整合組學研究成果。
肺癌的發病率和致死率長年位居各大惡性腫瘤前列。按照病理類型，肺癌可以簡單地分為小細胞肺癌和非小細胞肺癌，其中非小細胞肺癌占絕大多數，又可以細分為腺癌、鱗癌和大細胞癌。肺腺癌是所有肺癌類型中最大的一個亞型，發病人數近年來呈現顯著上升的趨勢。隨著過去十余年來的癌癥基因組學和分子靶向治療的不斷進展，包括EGFR、KRAS、MET、ALK等在內的驅動基因突變在肺腺癌發病中的關鍵作用得到證實，臨床治療實踐也證實了靶向驅動基因藥物的臨床應用價值。但是，基因突變型并不能夠完全預測腫瘤細胞的特性。即使攜帶有同樣驅動基因突變的肺腺癌患者也可能對同樣的治療方案產生不同的響應。因此，非常有必要從生物學功能的執行者蛋白質的層面進行全景式的深入解析。通過對大樣本肺腺癌進行蛋白質-磷酸化蛋白質組學的分析，并整合基因型等遺傳信息分析，探究臨床肺腺癌中發生特異變化的信號分子，深入揭示肺腺癌發病的分子機制。
該研究通過對差異蛋白質組進行分析，做出了一系列具有臨床意義的發現。例如同為I期患者，脂代謝、氧化磷酸化代謝活躍提示較好的預后，而上皮間質轉化、TNFα、MYC、mTOR 等通路的相對活躍則提示惡性進展的發生。該研究還通過對差異蛋白質進行聚類分析，發現肺腺癌患者可以分為三個亞型，而且不同亞型肺腺癌的生存期顯著不同，為基于蛋白組學數據的疾病預測奠定了堅實的理論基礎。有意思的是，預后最好的I型肺癌中，細胞外基質、氧化磷酸化、抗原遞呈等功能相關蛋白表達較高，而預后最差的III型肺癌中，關于蛋白酶體、泛素信號、DNA復制等相關蛋白質表達較高。相應的，三個亞型中蛋白質激酶譜的活化程度各不相同，提示驅動三種亞型的信號通路也存在差異。
該研究除了揭示蛋白質表達與預后的關系，還發現HSP90b、IMPDH2、GAPDH三個功能蛋白質的高表達與不良預后顯著相關，并提示這三個蛋白質是肺腺癌的潛在治療靶點。綜上所述，該研究通過對肺腺癌樣本基因組、轉錄組、蛋白組、磷酸化蛋白組大數據的整合研究，結合臨床生存信息，在分子分型、預后分子標志物、信號通路網絡、潛在藥物靶點等方面揭示了中國人群肺腺癌樣本在分子層面的諸多特征，為研發肺腺癌精準診療的新策略奠定了理論基礎。特別值得指出的是，同期Cell還登載了由美國哈佛大學和臺灣“中研院”各自領銜完成的兩個肺腺癌多組學研究工作。這兩篇文章分別聚焦美國吸煙患者人群和東亞不吸煙患者人群來源的肺腺癌，并從肺癌治療靶標以及腫瘤惡性進展機制兩個不同角度來開展工作。毫無疑問，這三項大規模的多組學研究將為后續深入揭示肺腺癌的分子特征以及新型診療策略的開發奠定堅實的理論基礎。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.05.043
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.06.012
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.06.013
