蛋白質組學分析基因組變異對直腸癌蛋白丰度的影響

景傑編者按：腫瘤發生的異質性是癌症研究與治療的重點與難點，在腫瘤細胞中，基因組發生的突變只有造成細胞癌變才是真正的「驅動」突變，而非其他影響非常小的「乘客」突變。由於蛋白生物學特點的多樣性，從基因組變異角度研究蛋白網路調控以及細胞表型變化存在著極大困難, 而在蛋白質組水平直接分析蛋白共調控/共變異，能夠更準確地揭示相關基因突變對蛋白網路的影響，日前，著名學術期刊CellReports報道了直腸癌中基因組突變對蛋白丰度變化的影響，證明基因功能缺失突變能夠獨立於mRNA而影響蛋白丰度。該項工作解析了蛋白質功能調控網路與腫瘤異質性分子機制的深度綜合視圖。景傑生物作為全球蛋白質及翻譯後修飾的領跑者，可以為您提供一整套常規蛋白質組學及修飾組學研究的解決方案，同時還能為您提供高靈敏度的修飾類泛抗體，助力您的研究工作。

關鍵詞：蛋白網路，基因組變異，翻譯後調控，腫瘤

研究思路和成果：

研究者首先使用基於質譜的蛋白質組學分析手段，鑒定了50個直腸癌細胞系蛋白質水平，並破譯了體細胞基因組變異的功能性後果；定量到了超過9000個蛋白，並依此建立功能性蛋白關聯網路，表徵基因組突變對蛋白複合體的影響 (圖 1)。隨後，通過CRISPR-cas9技術，突變關鍵染色質修飾因子，證明了基因組改變的影響能夠通過蛋白質相互作用以與轉錄無關的方式進行傳播；最後，研究者利用定量蛋白質組學數據，對直腸癌細胞系進行無監督分類，並構建直腸癌藥物反應預測模型。

圖1.直腸癌細胞系基因組變異對蛋白網路的影響

基於定量蛋白質組學數據，研究者分析了直腸癌細胞系中蛋白丰度共調節的情況，研究者給出了蛋白複合體物理相互作用網路圖（圖2），並發現已知的直腸癌資料庫（CORUM）蛋白物理性互作共調控關聯繫數相較於整體蛋白互作共調控水平有更強的正相關性，且該正相關性在轉錄組水平共調控分析中表現並不明顯（圖2A），ROC（receiver operating characterisitic）分析也證實了蛋白質組學數據在預測蛋白複合體以及高可信度蛋白相互作用方面優於轉錄組數據（圖2 B），以上結果說明了對於大多數已知蛋白複合體，其蛋白亞基的丰度受到翻譯後調控，以精確維持蛋白複合體整體丰度。

圖2.直腸癌細胞系蛋白相互作用共調控網路

在2016年發表於Nature關於乳腺癌的蛋白基因組學研究中已報導有些癌基因（如TP53或ERBB2）的突變或者拷貝數變化，會最終影響到表達蛋白丰度改變。在本研究中，研究者進一步證實了基因功能缺失突變（loss-of-function，LoF）對蛋白丰度的影響會通過蛋白互作網路影響蛋白複合體中其他蛋白丰度。研究者首先通過關聯調控網路篩選出已知的STRING互作蛋白中因LoF突變造成蛋白水平下調的蛋白複合體（圖3A），隨後通過CRISPR-Cas9技術在直腸癌細胞系中敲除染色質重塑複合體BAF與PBAF（圖3B）中的關鍵基因ARID1A，ARID2，PBRM1，並通過質譜與RNA-seq分析對應基因敲出株系蛋白水平與mRNA水平，發現由於上述基因缺失造成的複合體中其他蛋白水平的降低僅體現在蛋白水平而非轉錄水平（圖3C），證明了LoF通過蛋白網路對蛋白丰度的影響是不依賴於轉錄的。此外，儘管ARID1A基因缺失造成大量基因差異表達（圖3D），但是與蛋白水平的對應不佳（圖3E），說明了由LoF造成的蛋白水平調控屬於轉錄後或翻譯後調控機制。

圖3.基因缺失突變對蛋白複合體水平的影響

最後，研究者使用蛋白質組學定量數據進行無監管聚類分析，將所研究的直腸癌細胞系分為5種類型（圖4），與之前的組織分類比較，基於蛋白質組學的分子分型不僅抓住了分型的共同特點，也提供了新的分型依據，且不同的類型分別對應著不同的基因組變異模式。

圖4. 基於蛋白質組學數據的直腸癌細胞系無監管聚類分型

此外，研究者利用蛋白質組學數據，分析了不同直腸癌細胞系的藥物反應預測，發現兩種轉運蛋白ABCB1、ABCB11的丰度與藥物抗性相關；兩種蛋白水平表現出高度一致表明二者之間存在可能的互作關聯，實驗證明：抑制ABCB活性能夠增強細胞藥物敏感度。這也預示著蛋白質組學不失為一種尋找藥物反應基因組標誌物的重要手段。

圖5. ABCB轉運蛋白丰度對細胞藥物抗性的影響

總結：本文通過蛋白質組學研究結合基因組突變數據，給出蛋白質共調控網路，證明基因功能缺失突變能夠獨立於mRNA影響蛋白水平，並進一步揭示了基因組變異的後果能夠通過蛋白互作網路傳遞並影響其他基因蛋白水平，通過蛋白組數據進行腫瘤分子分型揭示不同分型之間的基因組變異差異，為用藥模型中基因組標誌物尋找提供新的思路。

參考文獻：

Roumeliotis, Theodoros,et al. (2017). Genomic Determinants of Protein Abundance Variation in Colorectal Cancer Cells.Cell Reports20, 2201–2214.

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