Integrated pharmaco-proteogenomics defines two subgroups in isocitrate dehydrogenase wild-type glioblastoma with prognostic and therapeutic opportunities

整合的藥物蛋白質(zhì)組學(xué)定義了異檸檬酸脫氫酶野生型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中的兩個(gè)亞型，具有預(yù)后和治療機(jī)會(huì)

期刊：Nat Commun；影響因子：12.121

發(fā)表單位：延世大學(xué)醫(yī)學(xué)院等

導(dǎo) 讀

????多形膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）是成人腦癌的致死形式，目前可用的治療程序，包括完全切除、放療和化療或與DNA烷基化替莫唑胺的組合在很大程度上是無效的。許多研究已經(jīng)基于基因組、轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳學(xué)等水平試圖確定主要致癌事件和治療干預(yù)可操作點(diǎn)，盡管做出了努力，但這些基于突變和基于轉(zhuǎn)錄組的方法在臨床上的應(yīng)用仍然有限，建立預(yù)測性生物標(biāo)志物或患者分層策略以用于開發(fā)靶向療法仍是挑戰(zhàn)?；诘鞍踪|(zhì)組的患者分層可能會(huì)提供一種更有效的方法來預(yù)測目標(biāo)藥物的預(yù)后和易感性，盡管一些研究已經(jīng)進(jìn)行了腦膠質(zhì)瘤組織樣本的蛋白質(zhì)組學(xué)分析，但尚未報(bào)道GBM的大規(guī)模蛋白質(zhì)組學(xué)表征。

????2020年7月發(fā)表在《Nature Communications》的一項(xiàng)研究中，對50個(gè)神經(jīng)膠質(zhì)瘤組織進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)檢測，同時(shí)整合了基因組、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和臨床信息。整合藥物-蛋白質(zhì)組學(xué)方法深入了解了GBM起源細(xì)胞中的腫瘤間和腫瘤內(nèi)異質(zhì)性、致癌信號(hào)傳導(dǎo)和代謝途徑，突出了IDH野生型GBM患者的潛在有效預(yù)后和治療策略。

摘 要

????由于腫瘤的高分子異質(zhì)性，目前對最具侵襲性的異檸檬酸脫氫酶1/2（IDH）野生型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）分子亞型的預(yù)后和治療相關(guān)性受到限制。本研究描述了IDH野生型GBM腫瘤的獨(dú)特二元分類，它來自39種IDH野生型GBM以及IDH突變和低級神經(jīng)膠質(zhì)瘤對照的定量蛋白質(zhì)組分析。具體來說，GBM蛋白質(zhì)組1（GPC1）腫瘤表現(xiàn)出Warburg樣特征，神經(jīng)干細(xì)胞標(biāo)記、免疫檢查點(diǎn)配體和預(yù)后不良的生物標(biāo)記FKBP脯氨酰異構(gòu)酶9（FKBP9）。同時(shí)，GPC2腫瘤顯示出升高的與氧化磷酸化相關(guān)的蛋白質(zhì)，分化的少突膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物，以及良好的預(yù)后生物標(biāo)志物磷酸甘油酸脫氫酶（PHGDH）。將這些蛋白質(zhì)組學(xué)特征與匹配的患者來源細(xì)胞（PDC）的藥理學(xué)特征相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)mTORC1/2雙重抑制劑AZD2014對預(yù)后不良的PDC具有細(xì)胞毒性。分析結(jié)果將為GBM的預(yù)后和精確治療提供指導(dǎo)策略。

研究概要

1? ??蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)代表神經(jīng)膠質(zhì)瘤疾病狀態(tài)

????作者收集了39個(gè)IDH野生型GBM、2個(gè)IDH突變型GBM和9個(gè)低度神經(jīng)膠質(zhì)瘤（LGG）樣本。外顯子組測序（WES）和RNA測序（RNA-seq）數(shù)據(jù)已顯示主要驅(qū)動(dòng)基因突變的廣泛覆蓋，并確定了4種RNA分子譜亞型。通過蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化組學(xué)定量分析，鑒定了9367個(gè)蛋白質(zhì)和8020個(gè)氨基酸位點(diǎn)的磷酸化。除了某些持家功能的基因，包括核糖體和氧化磷酸化相關(guān)的基因外，蛋白表達(dá)水平一般與RNA水平呈正相關(guān)。通過對蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)進(jìn)行無監(jiān)督的層次聚類，結(jié)果與RNA亞型和臨床表型密切相關(guān)，而與DNA水平的相似性無關(guān)，表明蛋白質(zhì)組可能比基因組更好地代表疾病狀態(tài)和基礎(chǔ)生物學(xué)。差異蛋白組分析顯示，神經(jīng)膠質(zhì)瘤中參與細(xì)胞增殖和免疫反應(yīng)的蛋白質(zhì)水平升高。IDH野生型神經(jīng)膠質(zhì)瘤的預(yù)后顯著低于IDH突變型，并與25個(gè)磷酸位點(diǎn)的磷酸化水平升高顯著相關(guān)?？傊?，定量蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)可以通過臨床表型準(zhǔn)確地將神經(jīng)膠質(zhì)瘤樣品聚類，并確定激活的途徑及其調(diào)節(jié)劑。

圖1，蛋白質(zhì)組學(xué)表征揭示了GBM患者的分子異質(zhì)性。b，膠質(zhì)瘤組織的定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析概述；e，使用蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)對50個(gè)樣本進(jìn)行無監(jiān)督分層聚類。

2? ??IDH野生型GBM的兩個(gè)蛋白質(zhì)組亞型

????通過對蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的共識(shí)性聚類，作者確定了IDH野生型GBM的兩種穩(wěn)定的蛋白質(zhì)組學(xué)亞型，稱為GPC1和GPC2。兩種GPC亞型很大程度上獨(dú)立于四種RNA亞型。GPC1全局蛋白質(zhì)組表達(dá)模式與正常腦組織不同，而GPC2全局蛋白質(zhì)組表達(dá)則顯示正常的腦組織樣模式?；谧儺惖任换蝾l率（VAF）分布，GPC2腫瘤的純度與GPC1的純度沒有顯著差異，表明腫瘤中正常細(xì)胞的豐富并不有助于這些蛋白質(zhì)組學(xué)差異。在復(fù)發(fā)性腫瘤中觀察到亞型轉(zhuǎn)換，很可能是由治療引起的。EGFRvIII和PIK3CA突變僅在GPC1腫瘤中發(fā)現(xiàn)，而TP53、NF1、PTEN、RB1和EGFR中的其他GBM驅(qū)動(dòng)程序突變則相對均勻地分布在兩個(gè)亞型之間。

圖2，IDH野生型GBM的蛋白質(zhì)組學(xué)亞型與臨床和基因組特征有關(guān)。?a，基蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)的IDH野生型GBM樣本的共識(shí)聚類；b蛋白質(zhì)組學(xué)亞型的特征，熱圖表示蛋白質(zhì)表達(dá)水平，箱線圖表示變異等位基因頻率（VAF）；d，與蛋白質(zhì)組亞型相關(guān)的GBM驅(qū)動(dòng)程序突變。

3? ??OXPHOS相關(guān)蛋白決定了蛋白質(zhì)組學(xué)亞型

????蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)的主成分分析（PCA）顯示兩種GPC亞型的明顯區(qū)分。對PC1高負(fù)荷蛋白質(zhì)的分析顯示，OXPHOS中涉及的蛋白質(zhì)顯著富集且在GPC1中的表達(dá)明顯低于GPC2，而亞型之間的OXPHOS mRNA水平?jīng)]有差異。與正常細(xì)胞相比，GPC2腫瘤表達(dá)參與糖酵解、絲氨酸生物合成、三羧酸（TCA）循環(huán)、谷氨酰胺分解和OXPHOS的蛋白質(zhì)水平相似，但水平明顯高于GPC1腫瘤中的蛋白質(zhì)水平，表明GPC2腫瘤主要通過OXPHOS產(chǎn)生ATP。與GPC2腫瘤相比，GPC1腫瘤表達(dá)更高水平的乳酸脫氫酶A（LDHA）和參與葡萄糖攝取、己糖激酶2（HK2）、戊糖磷酸途徑（PPP）和一碳途徑的蛋白質(zhì)，表明GPC1腫瘤在代謝上依賴于Warburg效應(yīng)。

圖3，參與中心碳代謝的蛋白質(zhì)是IDH野生型GBM蛋白組亞型的主要決定因素。c，兩種蛋白質(zhì)亞型之間參與中央碳代謝的差異表達(dá)蛋白的途徑視圖，星號(hào)表示兩種GPC亞型之間蛋白質(zhì)表達(dá)的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，沒有可用蛋白質(zhì)表達(dá)數(shù)據(jù)的基因以灰色顯示，GPC1和GPC2腫瘤中升高的途徑總結(jié)為右圖中的彩色箭頭。

4? ??PHGDH預(yù)測IDH野生型GBM的預(yù)后良好

????作者分析了GPC1和GPC2亞型的腦細(xì)胞起源，發(fā)現(xiàn)GPC1腫瘤源于神經(jīng)干細(xì)胞，而GPC2腫瘤可能源于少突膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞。先前的研究確定了GBM預(yù)后基因表達(dá)生物標(biāo)志物，包括66個(gè)有利基因和205個(gè)不利基因。作者在蛋白質(zhì)水平進(jìn)行驗(yàn)證，GBM隊(duì)列的單變量Cox回歸分析確定了兩個(gè)對IDH野生型GBM有利的生物標(biāo)記，磷酸甘油酸脫氫酶（PHGDH）和Raftlin家族成員2（RFTN2），以及一個(gè)不利標(biāo)記，F(xiàn)KBP脯氨酰異構(gòu)酶9（FKBP9）。FKBP9在GPC1中升高，而PHGDH和RFTN2在GPC2中更高。三種蛋白質(zhì)中，PHGDH是與隊(duì)列?中IDH野生型GBM患者更長生存期相關(guān)性最強(qiáng)的生物標(biāo)志物。

圖4，GPC2相關(guān)的PHGDH預(yù)測IDH野生型GBM的預(yù)后良好。a，蛋白質(zhì)組學(xué)亞型之間的神經(jīng)干細(xì)胞（橙色）、少突膠質(zhì)細(xì)胞（藍(lán)色）和星形膠質(zhì)細(xì)胞（紫色）的蛋白質(zhì)標(biāo)記物的差異表達(dá)，以評估GPC1和GPC2亞型的腦細(xì)胞起源；d，三種蛋白生物標(biāo)志物與患者預(yù)后的Kaplan-Meier生存曲線。

5? ??GPC亞型的空間和細(xì)胞類型特征

????GBM在轉(zhuǎn)錄水平上具有明顯的腫瘤內(nèi)異質(zhì)性，單個(gè)腫瘤包含具有不同亞型和混雜細(xì)胞狀態(tài)光譜的細(xì)胞，暗示優(yōu)勢細(xì)胞群可能決定了大塊腫瘤的代表性亞型。因此，作者將GBM蛋白質(zhì)組學(xué)亞型分類與前人報(bào)道的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。GPC1亞型的單個(gè)細(xì)胞中NSC標(biāo)記CD44和VIM顯著升高，而GPC2亞型的少突膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記OLIG2、OSP和MOG以及星形膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記SLC1A2和S100B升高。周圍環(huán)境主要決定了正常細(xì)胞群體的蛋白質(zhì)組學(xué)亞型，腫瘤核心中84％的正常細(xì)胞表現(xiàn)出GPC1特征，而外圍70％的正常細(xì)胞表現(xiàn)出GPC2特征。由于兩個(gè)亞型顯示出不同的免疫逃避特性，作者進(jìn)一步研究了每個(gè)亞型的腫瘤單個(gè)細(xì)胞是否可變表達(dá)免疫檢查點(diǎn)配體，發(fā)現(xiàn)PD-1配體PD-L1在GPC1腫瘤的腫瘤細(xì)胞中被上調(diào)。這些結(jié)果表明GBM腫瘤包括屬于兩種GPC亞型的細(xì)胞，并且贅生性細(xì)胞亞型的比例影響總體腫瘤特征。此外，腫瘤核心的腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出高度可變的GPC亞型，這表明腫瘤細(xì)胞的蛋白質(zhì)組亞型主要由癌癥內(nèi)在因素而非腫瘤微環(huán)境決定。

圖5，GBM單細(xì)胞的分類揭示了GPC亞型的腫瘤層依賴性和細(xì)胞類型依賴性特征。a，引用前人報(bào)道的數(shù)據(jù)集對GBM單細(xì)胞進(jìn)行分類；b，替代蛋白質(zhì)組學(xué)亞型的單個(gè)細(xì)胞的2D t-SNE投影；e，兩個(gè)亞型的非腫瘤單細(xì)胞的比例；f，腫瘤單細(xì)胞中免疫檢查點(diǎn)配體CD274（PD-L1）的亞型特異性mRNA表達(dá)；g，使用PHGDH（黃色）和Nestin（紅色）抗體對SMC-TMA樣品進(jìn)行多重?zé)晒饷庖呓M織化學(xué)分析的代表性圖像。

6? ??GPC亞型對靶向療法的敏感性

????作者最后評估了對侵襲性GBM具有選擇性的靶向藥物。已知的藥物靶標(biāo)與藥物反應(yīng)密切相關(guān)，并在蛋白質(zhì)水平上觀察到藥物敏感性和靶標(biāo)通路激活關(guān)系。坦度替尼、奧拉帕尼、克唑替尼和AZD2014可能是針對GPC1腫瘤的有希望的靶向治療，而埃司莫德布和坎尼替尼對于GPC2腫瘤可能更有希望?？偠灾?，對患者匹配樣品中藥物蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的綜合分析顯示，蛋白質(zhì)組學(xué)亞型相關(guān)和蛋白質(zhì)生物標(biāo)志物依賴性對靶向藥物的敏感性，這可能為將來GBM治療的患者分層策略提供更多見解。

圖6，對靶向療法的亞型特異性和生物標(biāo)志物依賴性。a，藥物反應(yīng)與蛋白之間的相關(guān)性測試；b，蛋白質(zhì)（或mRNA）的表達(dá)水平與針對靶向它們的所示藥理化合物的反應(yīng)之間的相關(guān)性；c，靶向療法對與蛋白質(zhì)組相關(guān)的患者源性腫瘤細(xì)胞的GPC1或GPC2選擇性細(xì)胞毒性譜；d，c中異GPC1選擇性（上）和GPC2選擇性（下）藥物相關(guān)基因組的亞型特異性差異；e，蛋白質(zhì)的表達(dá)水平與對所示藥理化合物的反應(yīng)之間的相關(guān)性。

討 論

????本研究綜合藥物蛋白質(zhì)組學(xué)分析突出顯示了使用蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)來了解GBM細(xì)胞起源、致癌信號(hào)傳導(dǎo)和代謝多樣性之間的聯(lián)系的重要性，所有這些都形成了獨(dú)特的二元分子亞型。研究數(shù)據(jù)闡明了與分子亞型狀態(tài)和生物標(biāo)記蛋白相關(guān)的獨(dú)特治療脆弱性，并提出了GBM的潛在有效治療策略。