2025-07-08
文章题目：Proteogenomic characterization of small cell lung cancer identifies biological insights and subtype-specific therapeutic strategies
中文标题：小细胞肺癌的蛋白质组学特征确定生物学见解和亚型特异性治疗策略
发表期刊：Cell
影响因子：42.5
发表时间：2024.01
样本类型：人癌组织和癌旁组织
组学技术：WES、RNA-seq、ChIP-seq、蛋白质组、磷酸化蛋白质组
研究背景
肺癌是全世界癌症死亡的主要原因。小细胞肺癌 (SCLC) 占所有肺癌的 15%，是最恶性和最致命的亚型。SCLC 是一种侵袭性神经内分泌 (NE) 癌，具有快速增殖、强转移倾向和显著的治疗耐药性，这导致其预后极差。SCLC 在临床病理学、生物学和治疗选择方面与非小细胞肺癌 (NSCLC) 形成鲜明对比。在过去的几十年里，患者的生存率并没有显著改善，SCLC 仍然处于精准医疗领域之外。
研究思路
蛋白质基因组研究策略：
1、蛋白质表达谱分析
通过研究基因组水平的转录信息和蛋白质组水平的表达信息，揭示基因转录与蛋白质表达之间的相关性，以及转录后调控、翻译后修饰等对蛋白质表达的影响。
2、蛋白质亚型和突变分析
分析基因组中的突变、多态性和重要功能区域，探索其对蛋白质结构和功能的影响，以及与疾病发生和发展之间的关联。
3、蛋白质组学技术
基于质谱检测的蛋白质组学对蛋白质进行定性和定量分析，揭示蛋白质在不同生理和病理条件下的表达和修饰模式。
4、蛋白质与其他生物分子的相互作用
研究蛋白质与DNA、RNA、小分子化合物等其他生物分子之间的相互作用，揭示蛋白质在细胞信号传导、代谢调控等生物学过程中的作用机制。
5、蛋白质功能研究
通过基因编辑技术和功能组学方法，研究蛋白质在细胞信号传导、代谢调控、细胞周期调控等生物学过程中的功能和调控机制。
研究内容
1. SCLC的体细胞改变和突变谱
TU-SCLC样本中最常见的基因突变是TP53和RB1，在全体分析中发现仅有9例患者（8%）未见TP53和RB1基因突变。本研究中TP53的突变率相较于西方人表现得更低，而与日本人的TP53突变率相当。在TU-SCLC样本中的肿瘤突变负担（TMB）为每百万碱基对有5.45个非同义突变，根据中位值将患者分为TMB-high和TMB-low两组，可以观察到TMB-high组的患者的生存率高于TMB-low组的患者，这是由于TMB高的肿瘤更容易在细胞表面呈现出异常蛋白而被免疫系统识别，对药物治疗也更敏感，由此获得更好的预后。
TU-SCLC队列的基因组图谱
2. 通过综合分析研究基因组畸变的影响
在顺式和反式效应中检测了体拷贝数（SCNA）对mRNA、蛋白质、磷酸化蛋白的影响，并分别观察到5363、2177和386个显著顺式效应相关的改变。在染色体5q上观察到反式关联的CAN区域，大多数反式效应与5q呈现负相关，且从mRNA到蛋白表达呈现明显负相关。5q确实与DNA复制、DNA修复和细胞周期进程的基因高表达相关，因此5q的缺失可能通过CAN的反式效应促进SCLC的肿瘤发生。在蛋白水平排名前十的反式作用事件中，TTF-1（甲状腺转录因子，被公认为是肺癌的标志物）、GNAS、TOP1等多个报道为SCLC的原癌基因或药物靶点CAN基因被富集。值得注意的是，肿瘤抑制因子RB1在蛋白水平上表现出拷贝数缺失反式效应，对mRNA水平则几乎没有影响；被反式效应影响的691个蛋白中524个蛋白与RB1缺失正相关，而其他167个负相关蛋白则富集在DNA与RNA行为相关通路，磷酸化蛋白组表现出同样的趋势。上述结果表明RB1的缺失在蛋白水平表现出了强烈的反式效应，这可能是CNAs致癌与预后差的重要原因。
SCLC 的体细胞改变和突变谱
3.肿瘤-NAT 比较揭示 SCLC 相关蛋白质组事件
对没有缺失值的全蛋白组与磷酸化蛋白组进行分析，在生信分析中发现肿瘤-癌旁存在巨大的功能差异。在经过校正后仍表现出上升趋势的138个蛋白中，重点研究了25个SCLC相关蛋白。肿瘤中磷酸化位点相较于癌旁上升2倍的1667个位点中，有1357个位点丰度变化大于相应蛋白质丰度变化，根据底物磷酸化水平与相应激酶激活位点推断出激酶活性，21个中鉴定到19个在SCLC中活性增加的激酶，其中5个激酶的激活位点表达升高。
与肿瘤发生和预后相关的蛋白质组改变
4. 对已识别的与生存相关的蛋白质进行功能分析
在监督分析中，发现16种与患者生存相关的差异表达蛋白，其中HMGB3在肿瘤中高表达与差的生存率相关；而CASP10表达降低，与好的预后相关，这些通过免疫组化（IHC）得以验证（图4A-D）。HMGB3属于高迁移基因超家族，在此前SCLC中未见关于HMGB3的相关报道。在H345细胞中HMGB3的过表达增加了细胞迁移，敲除HMGB3则导致细胞迁移率降低（图4E-F）。HMGB3被报道是一种调节基因转录的DNA结合蛋白，在H345细胞中过表达HMGB3并进行染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）分析，结果发现HMGB3结合的基因富集在控制细胞迁移表型等相关途径上。
蛋白质组预后生物标志物的鉴定和验证
5.TU-SCLC 队列的免疫状况
ESTIMATE免疫评分可用于评估免疫细胞浸润水平，结果表明SCLC患者的性别、吸烟情况、TNM分析和患者的生存预后与免疫细胞浸润程度相关程度高。对基于xcell衍生的肿瘤和癌旁细胞类型进行富集分类，在无监督聚类下获得三种免疫簇分别是热肿瘤集、冷肿瘤集和癌旁富集三种，大多数肿瘤属于免疫冷集，预后较差；免疫热集则呈现出细胞毒性免疫细胞和免疫抑制信号的增强，且多条免疫相关途径上调。
在实验中观察到ZFHX3在免疫热集中被富集到，通过NE与TMB评分都表明ZFHX3的突变型要高于野生型，提示ZFHX3突变能够为患者带来更好的预后。在ZFHX3突变的肿瘤中发现免疫相关细胞发生上调，而在ZFHX3突变的癌旁组织未见统计学差异。于是作者认为ZFHX3可能是免疫治疗生存预后的一种关键标志物，随后又收集了12个治疗前患者样本，在主要病理反应（MPR）评估的帮助下发现，ZFHX3突变组的患者经免疫治疗后残留的肿瘤细胞不超过10%的为100%，而ZFHX3野生组则仅有22%。
TU-SCLC 队列的免疫状况
6.具有独特生物学特征的多组学亚型
整合了107例SCLC患者的mRNA、蛋白质和磷酸化蛋白组的数据通过非负矩阵无监督聚类，将其分为四个簇（nmf1-4），每个亚型都表现出不同的CAN谱。TP53、RB1和FAT1的缺失在nmf1和nmf2中被显著富集，ZFHX3缺失主要在nmf1中体现；相比之下，致癌基因AURKA和GNAS主要在nmf4中被富集（图6A-C）。总之，多角度多组学分析表明，SCLC肿瘤存在分子异质性，并强调了SCLC亚型特异性治疗策略的重要性与必要性。
TU-SCLC队列的多组学分类及相应的生物学特征
7.SCLC 亚型特异性治疗策略
nmf1亚型表现出快增殖、E2F活性和复制应激相关；nmf2亚型表现出DLL3蛋白水平升高，NOTCH转录靶REST的mRNA水平降低；nmf3亚型在磷酸化蛋白质组中表现出RTK信号活性显著上调；nmf4亚型表现出MYC特异性升高及MYC通路激活。作者通过RNA-seq、蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学的手段分析了16例SCLC患者来源的异种移植模型和6例人SCLC细胞系来源的异种移植模型，其中10例与nmf1一致、3例与nmf2一致、5例与nmf3一致，4例与nmf4一致。基于对nmf1的发现，通过给药依托泊苷+顺铂（E/P）抑制ATR/TOP1使得nmf1亚型被显著抑制表现出特异性药物敏感；针对nmf3亚型则给予RTK抑制剂安罗替尼加以干预，同样效果显著；nmf4亚型给予AURK抑制剂，与nmf1相比，nmf4细胞系对这些抑制剂更敏感。
SCLC 亚型特异性治疗策略
研究结论
本研究使用 112 名接受手术切除的初治患者的配对肿瘤和邻近肺组织对小细胞肺癌进行了全面的蛋白质组学表征。综合多组学分析阐明了遗传畸变下游的癌症生物学，并强调了FAT1突变、RB1缺失和染色体 5q丢失的致癌作用。确定了预后生物标志物 HMGB3 。HMGB3 的过度表达通过细胞连接相关基因的转录调节促进 SCLC 细胞迁移。免疫特征分析揭示了ZFHX3突变与高免疫浸润之间的关联，并强调了通过抑制 cGAS-STING 途径提高DNA 损伤反应活性的潜在免疫抑制作用。多组学聚类确定了四种具有亚型特异性治疗靶点的亚型。基于细胞系和源自患者的异种移植药物测试验证了多组学亚型预测的特定治疗反应。这项研究为更好地了解 SCLC 生物学和改善临床实践提供了宝贵的资源和见解。
