蛋白质谱进展简报 | 第十二周

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肾透明细胞癌多组学

CPTAC在2023年1月发表了一篇整合了组织病理学HE图像与蛋白基因组学(全蛋白质组、磷酸化与糖基化修饰组)、单细胞转录组学、代谢组学对肾透明细胞癌(ccRCC)进行肿瘤内部异质性与预后的分析。
该研究整合了CPTAC之前发表的103例患样本,最终一共分析了213例患者的305个ccRCC肿瘤片段和166个癌旁样本。结合组织学和分子特征显示,90%的样本存在肿瘤异质性,50%表现出免疫特征的异质性。高肿瘤级别,伴随BAP1突变、基因组不稳定、高甲基化增加和特定蛋白糖基化特征定义了高危疾病亚群,其中UCHL1表达显示预后价值。不良肉瘤样和横纹肌样表型的单细胞转录组测序揭示了基因特征和对肿瘤进化的潜在见解。
最后,作者识别了关键的磷酸化信号通路,激酶-底物(K-S)在ccRCC组织中的相互作用,并整合来自RCC细胞系的体外激酶药物抑制数据,证实了抑制已确定的磷酸化蛋白组靶标的潜力。
这项研究将侵袭性组织病理学亚型分子分层,可能为更有效的治疗策略提供信息。

https://doi.org/10.1016/j.ccell.2022.12.001

评述:孙耀庭

肿瘤微生物组作为癌症预后和药物反应预测生物标志物的潜力

2022年5月发表在 Nature Communications 上的一篇论文 Predicting cancer prognosis and drug response from the tumor microbiome 探讨了肿瘤微生物组作为癌症预后和药物反应预测生物标志物的潜力。

作者使用Coxnet算法构建了预测32种TCGA 肿瘤OS和PFS的基因表达模型和基于微生物丰度建立的预后模型。发现肿瘤微生物丰度比单独的临床协变量更能预测预后。然而,相比微生物丰度,肿瘤基因表达是更强大的预后预测指标。

作者还发现了五对癌症药物,其中肿瘤微生物丰度比单独的临床协变量更能预测患者的药物反应。这五对包括治疗乳腺癌和肉瘤的多西紫杉醇,以及治疗胃腺癌的几种药物。

该论文对多种癌症类型中的肿瘤微生物组进行了全面分析,并表明特定的微生物组特征与癌症预后和药物反应相关。作者还描述了使用微生物组数据预测癌症结果和对治疗的反应的计算模型的开发。

结论:本文强调了肿瘤微生物组在癌症中的重要性及其作为预测患者预后和指导个性化癌症治疗的生物标志物的潜力, 这些发现为微生物组在癌症中的作用提供了新的见解。

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30512-3

评述:阿俊

人脑多区域单细胞转录组测序

2022年10月卡罗林斯卡学院和Allen研究所联合发表了一篇文章,进行了人类大脑第一次单细胞全转录组普查。

一直以来基于细胞构筑对的大脑皮层基础研究都十分重要,例如经典的Broadman分区认为大脑皮层细胞结构的变化是基于组织学定义皮层区域的基础。单细胞转录组学使得我们可以高通量的和高分辨率的检测人类大脑皮层中的细胞类型。该研究使用了三个捐献的人类大脑,从前脑、中脑和后脑的大约100个解剖部位采集了300多万个细胞核样本。

作者分析确定了发育起源的组织不同的组织中的461个集群和3313个亚集群,这一发现为大脑的细胞多样性提供了全面的视角。区域特异性皮质神经元的发现以及星形胶质细胞和少突胶质细胞前体细胞之间的区域多样性尤其值得关注,这凸显了在研究脑功能和疾病时考虑区域差异的重要性。

总之,这项研究为有兴趣了解脑功能和疾病的细胞基础的研究人员提供了独特和有价值的资源。
https://doi.org/10.1101/2022.10.12.511898
评述:肖琦

人脑多区域单细胞转录组测序

Allen研究所2022年11月发表了一篇文章,对横跨皮层结构变异的八个皮层区域进行了多层的深度取样的单细胞转录组测序。
大脑的皮层多数分为6层,当然也有一些无颗粒脑区例如初级运动皮质会缺少第四层,然而每一层都存在细胞构筑上的差异。结果展示了细胞构成的高度一致性,检测到了均存在24个细胞亚类。
研究发现,脑区中兴奋性神经元亚类的比例差异明显,反映出原始感觉运动皮层和关联皮层之间的内在和外在皮层连接的不同。星形胶质细胞和少突胶质细胞在不同区域也显示出不同的层状组织差异。原始视觉皮层显示出截然不同的组织结构,包括兴奋性和抑制性神经元比例的与其他脑区的差异,其第4层也存在特异性的抑制性神经元。
此外,保守神经元亚类的基因表达差异也揭示了脑区之间突触功能的差异。这些结果展示了一个全面的人类皮层细胞和转录组的精细分型,反映了脑功能和分子的连接同时也揭示了各个脑区的特异性。
这一研究首次对大脑皮层的每一层进行单细胞转录组分析,实现了皮层上重要脑区每一层细胞类型和组成比例的绘制。
其中有些发现也很有趣,作者发现原始视觉皮层的细胞构筑与其他区域差异明显。但是Allen研究所对于粗颗粒脑区的转录组并未有此发现,但是蛋白质组学和脑链接组的一些未发表的数据也发现了原始视觉皮层与其他脑区存在非常大的差异。
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.11.06.515349v15
评述:肖琦

♦ 非脂肪变性健康对照者尿液的非靶标蛋白组学的质谱和数据分析

由于肝活检是目前NAFLD严重程度评估的 “金标准”,但其侵入性强、费用高、可能存在取样误差,患者通 常不愿意接受多次肝活检监测。尿液检测方法简单,且比血液检测更易于获取,因此被提出作为多个疾病诊断的潜在生物标志物来源。

温医大郑明华教授和陆军军医大学西南医院柴进主任等2023年3月16日发表在的Liver International  杂志上的一篇论文 Novel urinary protein panels for the non-invasive diagnosis of nonalcoholic fatty liver disease and fibrosis stages,通过对100名完成尿液蛋白质组学测量的温州中心确诊NAFLD的患者以及40名非脂肪变性健康对照者尿液的非靶标蛋白组学的质谱和数据分析,建立了3种蛋白(CILP2、TMEM25和MPST)的分类模型,其AUC高达0.968。并在另一独立队列中(也是100名NAFLD和40名健康志愿者),使用ELISA方法进行了验证,AUC高达0.850。

与血液检测相比,尿液基础的生物标志物更易获取且更少侵入性,可能可以避免在NAFLD患者中精细划分肝病严重程度所需的侵入性肝活检。这可能是未来临床检测的发展方向。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/liv.15565
评述:丁璇

一种分析GPCR亚细胞定位的计算方法

基于APEX的近距离生物素标记方法(proximity biotin labeling)结合质谱分析是一种常用的分析GPCR蛋白家族的方法。然而GPCR的时间、空间分布非常复杂, 因为该方法获得的信息很多、重要内容往往难以提取。

Ruth Huttenhain 等人开发了一个计算方法以分析和预测出数据中GPCR的亚细胞定位、和时序表达信息。通过将这种方法应用在mu-阿片受体及其激活不同的激动剂药物下的GPCR动态分析,他们发现了两种新的蛋白质网络成分,它们对G蛋白依赖的信号传导产生了之前未报道过的影响。这个方法尤其适用于对GPCR药物的初期发现。
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.03.28.486115v1
评述:梁潇

二氧化硅注射过滤技术,实现单样品蛋白质和DNA共分离

来自首尔蔚山大学医学院的 Yong Shin 团队开发了一种基于二氧化硅的注射器过滤系统,能在40 min分离癌症细胞样本的蛋白质与DNA。

原理如下:通过3-氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APDMS)改性硅藻土(AD),添加3,3′-二硫代二丙酰亚胺酸二甲酯(DTBP)与细胞裂解液共孵育,使样本中的DNA与APDMS发生可逆交联反应,并与DTBP通过静电相互作用和共价键相连,从而有效捕获DNA;此时可通过注射器过滤系统直接分离得到蛋白质,再使用10 mM碳酸氢钠破坏DNA与DTBP和AD之间的相互作用,洗脱得到DNA。

但该文章仅提供了分离DNA和蛋白质的浓度而无对应体积,无法计算其得率;且DNA仅通过PCR扩增β-肌动蛋白和转化生长因子-β进行评估,蛋白质仅通过蛋白质印迹检测β-肌动蛋白进行评估;方法的实际效果有待考察。
https://www.nature.com/articles/s41598-020-72913-8#Sec9
评述:李薇

儿童耐药性癫痫的单细胞转录组

2022年7月新加坡转化免疫研究所研究人员Kumar等发表了一篇有关儿童耐药性癫痫的单细胞转录组的文章。癫痫的诱发是多因素的,该文章主要探讨不适当的促炎机制与难治性癫痫的关系。

他们通过对癫痫性脑切除手术中获得的脑组织单细胞悬浮液进行多模式单细胞技术CITE-seq处理后,对6名患者的11个脑组织样本进行了免疫细胞分离,并使用10x Genomics Single Cell平台进行了测序。发现CNS-驻体小胶质细胞表现出强烈的促炎反应并且招募外周促炎细胞,如T辅助(TH)17细胞和单核细胞。

这些发现得到了配体-受体(LR)相互作用分析的支持,该分析证明了小胶质细胞和T细胞之间潜在的浸润机制和直接的物理相互作用。并利用PIC-seq分析进一步发现,有物理相互作用与没有物理相互作用的小胶质细胞和T细胞相比,有物理相互作用的促炎功能增强。

总的来说,小胶质细胞的转录相似性、促炎淋巴细胞的浸润以及小胶质细胞与T细胞的直接相互作用本质上使耐药性癫痫更接近于一种免疫介导的疾病,其许多功能和转录特征类似于多发性硬化症。
https://www.nature.com/articles/s41593-022-01095-5
评述:谢玉婷

♦ 探索癫痫与神经精神疾病并发的生物学机制

2023年2月美国西北大学范伯格医学院神经科学系 Marc P. Forrest 等研究人员发表了一篇探索癫痫与神经精神疾病并发的生物学机制的文章。

16p11.2重复是一种拷贝数变异,具有多种神经精神疾病的风险,包括自闭症谱系障碍、精神分裂症、智力残疾和癫痫。因此该文章使用系统生物学方法,将蛋白质组学与人类遗传数据集相结合,以发现16p11.2(dup/+)小鼠模型膜蛋白组中中断的疾病网络和关键枢纽蛋白。

利用蛋白质组学在16p11.2 (dup/+)小鼠模型中发现了癫痫和突触基因产物的中断网络,该网络伴随着超同步电路、增强的网络谷氨酸释放和癫痫发作易感性增加。

生物信息学预测和蛋白质相互作用分析进一步确定PRRT2,一种编码在16p11.2区域内的蛋白质,是癫痫子网络中的高度连接枢纽,在16p11.2dup/+小鼠中中断。

通过后期验证,子网络枢纽PRRT2的基因矫正可以纠正异常的电路功能,改善癫痫发作易感性,并改善16p11.2dup/+小鼠的社交障碍。蛋白质组学和网络生物学结合可以识别多基因疾病中的重要疾病中枢,并揭示与16p11.2重复携带者复杂症状学相关的机制。
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36087-x
评述:谢玉婷

转移性乳腺癌多组学

2021年The University of Texas MD Anderson Cancer Center的 Funda Meric-Bernstam 团队通过62例转移性乳腺癌(MBC)患者,对基因组、转录组和功能蛋白质组进行了分析,并比较了匹配的原发性和转移性肿瘤。

41个肿瘤的靶向外显子组测序确定了TP53(21;51%)、PIK3CA(20;49%)的常见改变,以及几种新兴生物标志物的改变,如NF1突变/缺失(6;15%)、PTEN 突变(4;10%)、ARID1A 突变/缺失(6;15%)。在27例激素受体阳性患者中,发现了MDM2 扩增(3;11%)、FGFR1 扩增(5;19%)、ATM 突变(2;7%)和ESR1 突变(4;15%)。

在靶向外显子组测序的10例原发性和转移性肿瘤匹配患者中,其基因突变不一致的现象比较常见,包括3例患者的NF1缺失,1例患者PIK1CA突变缺失,3例患者获得性ESR1突变。而匹配样品的RNA-seq证实了NF1表达的缺失和基因组NF1 的缺失是一致的。NF1 编码抑制Ras-Raf-Mek-Erk(Ras/MAPK)信号传导的神经纤维蛋白。

由于Ras/MAPK通路与促进免疫抑制有关,因此已有MEK抑制剂和免疫疗法组合的探索。在33名经过RNA分析的原发性和转移性样本匹配的患者中,有14个基因差异表达,包括抗体药物偶联靶标LIV-1和B7-H3。

此外,还探究了基因突变对通路激活的影响,分析了33例包含基因突变检测和蛋白质组分析(RPPA)的病人样本,通过蛋白质组无监督聚类,发现基因突变和蛋白质组的表达没有非常明显的相关性(比如PI3KCA 突变的病人与PI3K通路激活与抑制没有明显相关性,以及ESR1 突变与未突变的病人之间没有差异蛋白,NF1也是一样),只有8个蛋白和基因存在一定的相关性(r=0.50–0.76)。

总体来说,MBC中的分子谱分析揭示了多种常见以及不太频繁的改变。基因组和转录组分析显示了肿瘤间异质性和可操作(actionable)靶标随着肿瘤进展的潜在进化,后面需要进一步优化测试和综合分析以应用于临床治疗。
https://doi.org/10.1158/1078-0432.CCR-20-4048
评述:王瑛睿

多组学探索同源重组异常的终末期高级别浆液性卵巢癌

2023年2月澳大利亚 Peter MacCallum Cancer Centre的 David D. L. Bowtell  和 Elizabeth L. Christie 等研究人员在Nature Genetics(2021 IF = 41.376)上的发表了一篇多组学探索同源重组(HR)异常的终末期高级别浆液性卵巢癌(HGSOC)的文章。

高级别浆液性卵巢癌 (HGSOC) 通常会有HR DNA修复缺陷,虽然大多数这样的肿瘤对初始治疗敏感,但获得性耐药很常见。作者通过对15个BRCA1/2或BRIP1突变的HGSOC病人的初发(primary),复发(relapse)和尸检(autopsy)三个时期的共391个全身多处肿瘤样本做了包括WGS, 深度靶向测序,多色免疫荧光分析,甲基化,RNA-seq和蛋白组(TMT16, QE HFX MS),展示了HR缺陷的HGSOC的肿瘤克隆结构,基因组全貌,可能的HR逆转突变,免疫细胞时空变化及基因解释和不同时期的蛋白组变化从而深入研究HGSOC的耐药机制。

作者发现所有病人都有多克隆疾病,耐药机制通常是多样的亚克隆,而非压倒性的单克隆。作者还发现了比之前的研究要高的HR逆转频率 (69 out of 238 samples),可能由于全是终末期的病人,其中BRIP1逆转突变是首次报道,进一步说明了BRIP1在HGSOC耐药中的重要作用。对immune cells数据的无监督聚类把样本分成了皮层/间质浸润,间质限制和免疫缺陷型(lmm-des),lmm-des是一个主要的分子亚型。

后续对lmm-des的WGS甲基化和RNA-seq分析,作者发现CCL5启动子的高度甲基化和HLA的杂合性丢失(LOH)是可能造成免疫缺陷的原因。作者还通过蛋白组的数据发现了氧化磷酸化和糖代谢在autopsy中对比非autopsy时期的上调蛋白(adjusted p-value < 0.05,analyzed by limma package)富集。

作者用多组学多时期多个肿瘤转移位点的数据增加了我们对于HR缺陷的HGSOC的耐药的理解,为耐药的治疗提供了新思路。但是由于RNA数据质量欠佳以及蛋白质谱中autopsy样本蛋白检测比其他时期的少很多(4172 compared to 6332), 使得作者不能完全利用这一部分数据。

另外本文的分子分型只用了多色免疫荧光分析的结果,可以考虑联合其他组学,会舍弃一部分样本,但会使分子特征更加全面一些。

https://www.nature.com/articles/s41588-023-01320-2
评述:岳靓

乳腺癌预后

2022年 University of British Columbia 的 Gregg B. Morin 等团队对300例FFPE原发性乳腺癌手术标本进行了全面的蛋白质组学分析,以发现潜在的适用于临床的乳腺癌不同预后的亚型,探索潜在的生物标志物和治疗靶点(每种PAM50亚型75例,Basal-like, Her2-Enriched, Luminal B and Luminal A,来自2008-2013年(n = 178)和1986-1992年(n = 122), SP3-CTP方法,TMT标记)。共鉴定到9088个蛋白,其中4214个蛋白质是300个样本中都鉴定到的,联合分析蛋白组学结果、临床结果、IHC和PAM50亚型等。

通过无监督聚类,分为四组不同的亚型。在基底样(basal-like)病例中,无监督聚类显示两组中的一组具有免疫热表达特征和较好的预后(无复发生存期RFS和总生存期OS),另一组预后较差。Her2富集的病例根据细胞外基质、脂质代谢和免疫反应特征分为不同组别。

进一步采取IHC染色,评估了免疫热组的蛋白质特征,和组学功能富集结果基本一致,预后最差的cluster2中免疫相关蛋白确实是低表达的。并评估TAP1、HLA-DQA1、IFIT2和S100A8的预后价值,发现抗原呈递蛋白 TAP1 和 HLA-DQA1 的联合 IHC 表达与生存相关(TAP1和HLA-DQA1均具有高IHC表达的肿瘤表现出最有利的RFS)。

另外,研究人员分析88个三阴性乳腺癌(TNBC)病例的蛋白质组异质性,结果显示TNBC cluster-2、3亚型出现基底免疫热、基底免疫冷、间充质和腔内的特征,生存结果各不相同。

总之,此研究探索了潜在的生物标志物和治疗靶点,并为临床乳腺癌分型提供参考。
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28524-0
评述:王瑛睿

肺蛋白质组图

2019年2月 Herbert B. Schiller 等发表在 Nature Communications 上的文章 An atlas of the aging lung mapped by single cell transcriptomics and deep tissue proteomics,利用单细胞转录组和蛋白质组技术研究了小鼠30种细胞类型的变化并绘制了年轻和老年小鼠的肺蛋白质组图。

研究发现,衰老会导致大多数肺细胞类型的转录噪声增加,表明表观遗传控制失调现象是衰老的一般标志。研究还发现衰老对细胞类型的特异性影响,同时揭示了2型肺细胞和脂肪成纤维细胞中胆固醇生物合成的增加。

文章方法部分scRNA-seq、bulk RNA-seq、proteome integration提供了假设检验及R包。单细胞表达数据用来解析蛋白质最有可能的细胞来源,两者的计算整合有利于预测受调节蛋白质的细胞来源。多组学研究方法虽然有利于阐明新发现,但更多的积累及计算方法有待全面考虑才能将其应用于具体组织和疾病。
https://www.nature.com/articles/s41467-019-08831-9
评述:崔国杰
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