胰腺導管腺癌(PDAC)是一種緻命的惡性惡性良性腫瘤，早期檢出率低，侵襲性高且預後不良 [1 ]。目前主要的治療方案——細胞毒性藥物的療效有限，且有嚴重的副作用，突出了盡早開發更有效、耐受性更好的治療方法的必要性。KRAS驅動突變的惡性良性腫瘤難以通過藥物靶向，是以，PDAC的早期診斷和合适靶點的确定仍然具有極大地挑戰性和廣闊的應用前景。
2021年9月16日，美國約翰霍普金斯大學張會（Hui Zhang）、貝勒醫學院章冰（Bing Zhang）、聖路易斯華盛頓大學Li Ding等多個機構的合作團隊在頂刊Cell發表了題為“Proteogenomic characterization of pancreatic ductal adenocarcinoma” 的文章。研究人員通過對PDAC、癌旁組織和正常胰腺導管組織進行全面的基因組大資料分析，确定了潛在的PDAC治療靶點和早期診斷标志物。他們對140例胰腺癌、67例正常癌旁組織和9例正常胰腺導管組織進行了全面的組學分析，在多個組學水準上揭示了驅動PDAC表型的分子特征，為PDAC早期檢測和識别新的治療靶點鋪平道路。
01PDAC隊列的蛋白質基因組特征
為了研究PDAC的蛋白質基因組特征，研究人員收集了140例胰腺惡性良性腫瘤、67對癌旁組織（NATs）和9例正常胰管組織樣本（樣本政策），進行了全外顯子組測序(WES)、全基因組測序 (WGS)、RNA測序(RNA-seq)、microRNA測序(miRNA-seq)、DNA甲基化組、TMT蛋白質組、磷酸化蛋白質組和糖蛋白質組并産生了八組組學資料(圖1A)。該研究着重比較了不同國家、癌症分期、惡性良性腫瘤部位和健康狀況的患者樣本，以確定高品質的PTM蛋白分析 (圖1B)。并根據KRAS VAF、CNVs等标準鑒定了105個高惡性良性腫瘤純度樣本 (圖1 C-D)用于後續的多組學分析。
圖1 PDAC隊列的蛋白質基因組景觀
02基因組改變對轉錄組、蛋白質組和磷酸化的影響
在105個高惡性良性腫瘤純度組織樣本中，發現胰腺癌驅動基因KRAS、TP53、CDKN2A和SMAD4的體細胞基因組有大幅改變 (圖2A)。研究者用STAR方法全面描述了基因改變對相應基因産物或其他互相作用基因的RNA、蛋白質和磷酸水準的影響 (圖2B-C)。發現TP53的改變在蛋白質和磷酸水準上具有最多的反式效應，在RNA/蛋白質水準和磷酸水準上識别出不同的靶點，推測可能是由于廣泛的翻譯後調控導緻的。有趣的是，TP53突變與DNA損傷修複途徑 (如MSH6、TP53和TP53BP1) 中蛋白磷酸化的增加相關，這表明這些改變在維持基因組完整性和防止細胞凋亡方面發揮了作用 (圖2C)。研究人員還鑒定了幾個臂級和焦點級CNV (圖2D-E) 的基因、蛋白質和磷蛋白表達水準改變，并将重點放在了在擴增基因座中新的CNV驅動因子的識别 (圖2E-F)。在543個擴增峰内的基因中，165個拷貝數與相應RNA水準顯著相關，其中23個蛋白表達一緻 (圖2F)。通過這種方法識别的蛋白與肌動蛋白纖維和細胞骨架重組相關 (圖2F和2G)，參與惡性良性腫瘤發生和轉移。
圖2 基因組改變對轉錄組、蛋白質組和磷蛋白質組的影響
03用于惡性良性腫瘤診斷和預後的PDAC早期分子特征的發現
PDAC惡性良性腫瘤由于診斷率低，導緻預後不良，是以，用于早期檢測的生物标志物可能提高患者生存率。研究人員對惡性良性腫瘤中異常調節的蛋白質、磷酸化位點和糖基化位點進行檢測，發現相對于NATs，PDACs中分别有2218和2244個蛋白顯著下調和上調 (圖3A)。随後，研究人員對其中222個PDAC相關蛋白質進行深入研究，發現相比正常導管或NATs，有21種相關蛋白顯著上調，且這些蛋白在PDAC早期階段同樣上調 (圖3B)。特别是，其中12種是分泌蛋白，可以作為血清或胰液中的早期檢測标志物。
圖3 PDACs/NATs惡性良性腫瘤相關蛋白和修飾位點的鑒定
04以糖蛋白生物合成為目标，用于早期發現和治療幹預
大多數糖蛋白是膜結合蛋白或分泌蛋白，是以可以作為免疫治療和疾病檢測的潛在靶點來源。糖蛋白組學分析發現，相較于NATs，PDAC中有75個N-連接配接糖蛋白上調>2倍 (圖4A)。研究者根據不同的KRAS突變熱點進一步區分了惡性良性腫瘤和正常導管的N-連接配接糖蛋白表達 (圖4B)，在KRAS G12D、G12V和Q61H突變的惡性良性腫瘤中，PDAC患者的不良預後标志物CEACAM5和CEACAM6顯著上調，而G12R突變樣本中沒有上調(圖4B)。惡性良性腫瘤中上調的N-連接配接糖蛋白主要通過含唾液酸和/或焦點的複雜聚糖修飾，下調的N-連接配接糖蛋白主要通過低甘露糖聚糖修飾 (圖4C)。這些資料表明，聚焦PDAC中上調的N-連接配接糖蛋白的唾液酸化和/或岩藻糖基化多糖可能會增加癌症标志物的特異性。接下來，研究者根據糖基化生物合成酶的豐度水準研究了這些糖基化改變可能的内在機制 (圖4D-E)，發現唾液酸化和/或岩藻糖基化的IGPs與糖基化酶的表達正相關。這些資料表明，抑制相關糖基化酶活性可能會削弱大多數惡性良性腫瘤中唾液酸化和/或岩藻糖基化多糖的上調，這是可能成為一種潛在的PDAC治療政策。
圖4 糖蛋白組學鑒定早期檢測或治療幹預潛在靶點
05激酶和底物的協同調控揭示了潛在的治療靶點
由于KRAS驅動突變的惡性良性腫瘤很難通過靶向療法進行治療，研究人員試通過研究被激活的KRAS下遊的信号轉導通路，以尋找替代的治療靶點。通過對41對惡性良性腫瘤/ NAT組織的磷酸肽的豐度差異分析，鑒定出了五種磷酸底物 (MAPK6, FLNA,BAD, MCM2和STAT3) 與對應激酶(CDK7, AKT1, PAK1, PAK2, and SRC) (圖5A)，并随後對激酶的差異表達模式進行分析 (圖5D)。通過評估不同KRAS熱點突變的惡性良性腫瘤和相對NATs中磷酸鹽的表達變化，研究人員進一步分類了19種激酶 (圖5E)，這些不同的激酶表達模式揭示了與特定KRAS突變相關的替代治療靶點。
圖5 激酶和底物共同調控
06與内皮細胞重塑、糖酵解和細胞連接配接失調相關的免疫冷态PDACs
惡性良性腫瘤和正常組織的分子生物學分析的一個局限性在于，它們不能完全剖析惡性良性腫瘤固有生物學和微環境動力學之間的互相作用。研究人員基于轉錄組資料，采用去卷積算法描繪了本研究中所有140個惡性良性腫瘤的細胞組成 (圖6A)，并證明了免疫冷态PDACs中内皮細胞重塑和抑制免疫浸潤的關聯 (圖6B-D)。RNA、蛋白質和磷酸化資料表明免疫冷樣本有更高水準的糖酵解 (圖6)，包括負責乳酸生成和分泌的酶的富集。這些資料表明，内皮細胞重塑，伴随着VEGF和缺氧途徑升高，糖酵解增加，細胞連接配接失調，可能共同抑制免疫細胞浸潤和功能 (圖6G)。抑制這些生物過程，特别是糖酵解和内皮細胞重塑，可以被用于靶向于多種癌症類型，可能在治療上被用于增強免疫冷型PDACs的抗惡性良性腫瘤免疫。
圖6 PDAC細胞組成和免疫冷态PDAC的識别
總的來說，該研究比較了PDAC、NATs和正常導管組織在多個組學水準上獨特的分子特征，使人們能夠更深入地了解與PDAC相關的基因組畸變的功能後果，并為潛在的PDAC治療靶點和早期診斷标志物的發現提供了豐富的生物資訊源。值得一提的是，繼磷酸化修飾、乙酰化修飾後，該研究首次将糖基化修飾組學引入大隊列癌症蛋白基因組學的研究中，揭示了以糖蛋白生物合成為目标，有助于早期發現和治療幹預，為後續研究指明了新的方向。
參考文獻：
1. Quante, A.S., et al., Projections of cancer incidence and cancer-related deaths in Germany by 2020 and 2030. Cancer Med, 2016. 5(9): p. 2649-56.
2. Liwei Cao., et al., Proteogenomic characterization of pancreatic ductal adenocarcinoma. Cell, 2021. 184(19): 5031-5052.