Cell：基于翻译后修饰的泛癌分析揭示不同癌症类型的蛋白质调控共同模式

导语

基于系统基因组学的肿瘤研究彻底改变了人们对肿瘤生物学的认识，并显著影响了患者的预后。目前，由于生物学特性复杂、分子和表型异质性强，许多癌症仍然缺乏有效的治疗方案。近年来，样品处理和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术的发展使得大规模定量蛋白质水平和翻译后修饰（PTM）成为可能。

PTM在正常细胞和癌细胞的信号转导及生理调节中发挥关键作用。近期，临床蛋白质组肿瘤分析联盟（CPTAC）生成了单个癌症类型的大型蛋白质基因组数据集，其中包括PTM。虽已取得较大进展，但人们对不同癌症类型PTM之间的串扰（如磷酸化、乙酰化）、共享模式以及多种PTM如何形成调控网络仍知之甚少。

近日，美国麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的研究团队合作在Cell发表了题为“Pan-cancer analysis of post-translational modifications reveals shared patterns of protein regulation”的文章。研究团队使用来自11项研究的数据生成了一个统一的泛癌症队列，共包括1,110名未接受治疗患者的样本，具有完整的基因组、蛋白质组学和PTM数据。

该研究揭示了标志性癌症进展过程中与蛋白质乙酰化和磷酸化变化的泛癌模式。这些模式进一步揭示了来自不同癌症类型的肿瘤亚群，包括磷酸化驱动的DNA修复失调、乙酰化诱导的免疫反应相关代谢调节改变、乙酰化和磷酸化之间的串扰影响激酶的特异性的肿瘤。总之，该研究表明PTM参与调控丰富的生物学活动，并揭示了潜在的治疗途径。

文章发表在Cell

主要研究内容

研究团队整合了CPTAC队列的数据，以便对癌症类型共享的基因、蛋白和PTM模式进行泛癌分析。经评估筛选，最终的联合数据集包括来自11个队列的1110名患者。对于每个患者，研究团队鉴定了其生殖系和体细胞变异，并量化了基因表达、蛋白丰度和PTM水平。不同队列平均表达约24,000个基因（包括编码和非编码），每个患者平均检测到约10,000个蛋白质、22,000个磷酸位点及6,000个乙酰化位点。

接下来，研究团队分析了基因、蛋白质和PTM位点之间的重叠。结果显示，约21,000个基因在所有队列中表达；PTM在每种肿瘤类型中都显示出离散的模式；队列中共享的PTM相对较少。

图1. 泛癌数据集整体概况。

泛癌PTM图谱

为探索不同癌症共享的PTM模式，研究团队首先整合了11个队列中可用的数据类型（基因表达、蛋白质丰度和磷蛋白水平），并消除了肿瘤类型间的明显差异，最终通过无监督聚类获得了33个泛癌多组学特征。

为表征具有共享和不同生物学特征的肿瘤亚群，研究团队依据样本在33个特征中的活性对其进行分层聚类，以反映每个样本中活跃的泛癌生物学过程。为进一步探索各组的生物学特性，研究团队在RNA、蛋白质和PTM水平上进行了通路富集分析，并应用多种方法来识别PTM的差异。

对于乙酰化位点，研究团队发现只有一个蛋白ARID1A具有显著的聚类。ARID1A是一种SWI/SNF染色质重塑因子，通常在癌症中发生突变，并在肿瘤发生中发挥复杂的作用。该位点位于ARID1A的C端尾部、糖皮质激素受体结合域内。该亚群乙酰化的增加可能会阻断蛋白质C末端的泛素化位点，这将减少ARID1A的降解，并可能增加GR信号。

图2. 泛癌PTM概况。

PTM在DNA修复缺陷肿瘤中的异常调节机制

研究团队使用蛋白质基因组数据集来研究在基因组和转录组水平上无法检测到的DNA修复缺陷影响。首先，通过分析工具提取了22个突变特征，代表11个不同的突变过程，包括错配修复缺陷型（MMRD）和同源重组修复缺陷（HRD）。利用上述特征，共鉴定了57个MMRD和88个HRD肿瘤。HRD肿瘤依靠替代修复途径来减轻双链断裂（DSB）损伤。

为研究HRD癌症中修复蛋白的PTM定向活性，研究团队在DNA修复基因的HRD和同源重组修复（HRP）肿瘤之间进行了差异表达分析，并进行CausalPath分析以确定PTM与其介质之间的因果关系。结果显示，在112个所检测的DNA修复蛋白中，有268位点的磷酸化存在显著差异。特别地，代表微同源性介导的末端连接（MMEJ）途径中有8个蛋白存在差异，这是HRD代偿的主要途径。

为确定急性和慢性缺氧HRD肿瘤之间DNA损伤应答（DDR）蛋白调节因子的特异性差异，研究团队将CausalPath应用于所有差异表达的特征。结果显示，在急性缺氧HRD组中，增加PARP1蛋白和减少XRCC1位点S475、S485和T488的磷酸化时，PARP1和XRCC1的相互作用增加。

总而言之，聚焦于磷酸化的分析突出了急性和慢性缺氧HRD肿瘤之间DDR蛋白质PTM活性的主要差异，这些差异在突变特征水平上是不可区分的。此外，上述结果也表明PTM失调与不同的DNA损伤修复机制相关。

图3. DNA修复缺陷肿瘤中的PTM。

PTM调节代谢途径影响肿瘤相关免疫应答

细胞代谢和免疫反应之间的相互作用在先前研究中已被证实，该研究描述了PTM调控对不同肿瘤类型之间相互作用的影响。研究团队通过无监督聚类方法揭示了四种广泛的免疫亚型：cold型、cool型、warm型和hot型。

接下来，研究团队在上述免疫亚型中进行了差异表达和通路富集分析。结果显示，免疫“hot”型的免疫相关通路及免疫抑制标志物显著增加；免疫“cool”型多种代谢通路的乙酰化水平存在显著差异，包括脂肪酸代谢途径等。此外，免疫“hot”型脂质代谢通路的乙酰化水平较高，而免疫“cool”型的乙酰化水平较低，这表明在免疫“cool”肿瘤中，低乙酰化水平可能有助于这些通路的高激活。

研究团队检测了脂肪酸乙酰化水平与免疫相关效应蛋白水平的相关性。结果显示，在干扰素g和细胞毒性通路中，下调脂肪酸乙酰化位点和免疫应答标记蛋白之间存在显著的正相关。此外，在癌症细胞及其邻近免疫细胞中，研究团队观察到PTM调控的生物过程之间存在关联。

图4. PTM在肿瘤相关免疫应答中的作用。

结 语

综上所述，在这项研究中，研究团队全面分析了11种癌症类型的PTM，并强调了PTM对已知癌症特征过程的贡献。截至目前，这是首个PTM泛癌研究，详细说明了乙酰化和磷酸化的广泛调控以及其在癌症类型中的共享模式。该研究深入了解了PTM调控过程，探究其在癌症的起始和进展中的作用，有助于发现新的治疗靶点、识别对现有疗法反应的生物标志物，并扩展了癌症生物学相关知识。

参考文献

Geffen et al. Pan-cancer analysis of post-translational modifications reveals shared patterns of protein regulation, Cell (2023).

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00781-X#secsectitle0010