我國科學(xué)家繪制肺腺癌分子圖譜，給蛋白質(zhì)“畫像”有什么用？

作者：譚敏佳、翟琳輝（中國科學(xué)院上海藥物研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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2020年7月9日，國際頂級學(xué)術(shù)刊物《細(xì)胞》Cell正式發(fā)表了由中國科學(xué)家完成的肺腺癌蛋白質(zhì)組草圖繪制工作，這為肺腺癌的精準(zhǔn)醫(yī)療提供了寶貴資源。

蛋白質(zhì)組是什么？為什么對于精準(zhǔn)醫(yī)療如此重要？這項(xiàng)成果對于患者來說意味著什么？

你身體里發(fā)生了什么 蛋白質(zhì)知道

DNA、RNA、蛋白質(zhì)是生命體的物質(zhì)組成重要生物大分子，并且組成了生命體遺傳信息傳遞的中心。其中DNA是生命體遺傳信息的存儲載體，是一切生命現(xiàn)象的源頭，RNA作為信息傳遞紐帶，將DNA上攜帶的遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)，最后由蛋白質(zhì)擔(dān)任生命活動的具體執(zhí)行者。因此研究DNA能告訴我們生命體會發(fā)生什么，而研究蛋白質(zhì)則能告訴我們生命體正在發(fā)生什么。

蛋白質(zhì)（圖片來源：veer圖庫）

蛋白質(zhì)是基因的終產(chǎn)物和功能的執(zhí)行者，毫無疑問蛋白質(zhì)（包括蛋白翻譯后修飾）等分子水平的改變與疾病的發(fā)生發(fā)展有密切關(guān)系，蛋白質(zhì)及其翻譯后修飾的研究無疑是疾病生物標(biāo)志物篩選、藥物研發(fā)的核心內(nèi)容之一。

以癌癥治療舉例，下列藥物都是能夠精準(zhǔn)“打擊”蛋白質(zhì)的：

赫賽汀，治療轉(zhuǎn)移性乳腺癌的一線藥物。它是靶向人類表皮生長因子受體2(Her-2)的單克隆抗體，能特異性地識別受體酪氨酸激酶，切斷腫瘤細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，細(xì)胞得不到增殖和擴(kuò)散的信號指令，就會減緩生長，從而延長乳腺癌患者的生存期；

恩西地平，治療急性骨髓性白血病的小分子靶向藥?？梢园邢蚰[瘤細(xì)胞中突變的異檸檬酸脫氫酶，減少細(xì)胞產(chǎn)生的毒性代謝物，同時也大大降低癌細(xì)胞對人體的殺傷力，恩西地平的出現(xiàn)為這種罕見疾病帶來了福音；

維羅非尼，針對惡性黑色素瘤的BRAF抑制劑。能夠通過靶向絲氨酸/蘇氨酸激酶，抑制致癌基因活性，這相當(dāng)于關(guān)上了腫瘤瘋狂生長的開關(guān)，遏制了失控的腫瘤細(xì)胞分裂，從而使腫瘤縮小甚至消失。

吉非替尼，治療肺癌的第一代EGFR酪氨酸激酶抑制劑。針對肺癌的藥物治療一直是生物醫(yī)藥領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。表皮生長因子受體（EGFR）的異常高表達(dá)，會導(dǎo)致人體內(nèi)EGFR相關(guān)信號通路的持續(xù)激活，從而導(dǎo)致包括肺癌在內(nèi)的多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展。吉非替尼通過對EGFR酪氨酸激酶的抑制從而進(jìn)一步阻斷EGFR信號通路的激活。

蛋白質(zhì)組：給蛋白質(zhì)畫像，解碼腫瘤的利器

因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是生命活動的具體執(zhí)行者，所以蛋白質(zhì)是臨床應(yīng)用及研究中常用分子標(biāo)志物和藥物靶標(biāo)。然而，蛋白質(zhì)并非是基因信息“絕對忠實(shí)的傳達(dá)者”。蛋白豐度的時空依賴性、蛋白質(zhì)翻譯后修飾、蛋白質(zhì)間相互作用等生物學(xué)過程使得體內(nèi)蛋白質(zhì)的表達(dá)情況與基因組中記錄的信息“有所偏差”。

比如某些疾病患者體細(xì)胞并未發(fā)生DNA（基因）層面的變化，僅在蛋白質(zhì)的表達(dá)及修飾水平表現(xiàn)出病理特征。對于臨床精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究而言，僅僅分析基因水平和轉(zhuǎn)錄水平（RNA）的測序結(jié)果可能會使得我們錯過一些診斷和治療層面的“關(guān)鍵分子特征”。因此，對于蛋白質(zhì)的研究能夠作為基因研究的重要補(bǔ)充和不同維度的深層次延伸，幫助人們從不同分子層面認(rèn)知生命活動現(xiàn)象，并直接鎖定生命體功能執(zhí)行者的動態(tài)。

蛋白質(zhì)組學(xué)即是從蛋白質(zhì)分子水平上給生命體內(nèi)全部蛋白質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)“畫像”，系統(tǒng)描繪生命體內(nèi)蛋白質(zhì)的表達(dá)、翻譯后修飾、相互作用及其動態(tài)變化等精細(xì)“相貌”，進(jìn)一步基于對該蛋白質(zhì)分子“相貌”的精確解讀，從而實(shí)現(xiàn)在蛋白質(zhì)水平上獲得關(guān)于生命體細(xì)胞活動（生理狀態(tài)）、疾病發(fā)生發(fā)展（病理狀態(tài)）等過程的整體且全面的認(rèn)識。

如果我們得到了某種疾病患者的蛋白質(zhì)組，相當(dāng)于我們已經(jīng)拿到了疾病患者體內(nèi)蛋白質(zhì)分子層面的“畫像”。通過對該“畫像”的解讀，就可以看出疾病患者體內(nèi)蛋白質(zhì)表達(dá)、相互作用等“相貌”特征，通過與正常生理狀態(tài)下蛋白質(zhì)組“畫像”相對比，二者 “相貌”的差別就能揭示疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)理。

深入分析正常狀態(tài)和疾病狀態(tài)的差別，能夠有助于系統(tǒng)性、高通量尋找用于疾病診斷、預(yù)后等潛在標(biāo)志物，為疾病的臨床早期診斷、精準(zhǔn)預(yù)后等提供豐富的資源和手段，同時也為針對性的靶向異常目標(biāo)分子或阻斷調(diào)控異常信號通路的藥物設(shè)計和研發(fā)提供嶄新的思路及目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)疾病的精準(zhǔn)治療。

（圖片來源：veer圖庫）

不要覺得這離我們很遠(yuǎn)。2019年，我國科學(xué)家對肝癌的蛋白質(zhì)組學(xué)研究就給肝癌患者帶來了希望。

研究人員通過分析蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，將早期肝細(xì)胞癌患者分成三種蛋白質(zhì)組亞型：第一類患者僅需手術(shù)，要防止過度治療；第二類患者需要手術(shù)加其他的輔助治療；第三類患者占比30％，術(shù)后發(fā)生復(fù)發(fā)死亡的危險系數(shù)最大。他們進(jìn)一步分析了第三類患者的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，證實(shí)膽固醇酯化酶在肝癌中的重要作用。研究人員還驗(yàn)證，針對膽固醇酯化酶SOAT1的抑制劑——“阿伐麥布”，有望成為治療預(yù)后較差肝細(xì)胞癌患者的潛在靶向治療藥物。

肺腺癌：一塊難啃的硬骨頭

在我國，每年肺癌發(fā)病人數(shù)超過70萬，死亡人數(shù)超過60萬（a）。而在美國，根據(jù)2020年美國癌癥學(xué)會的最新流行病學(xué)統(tǒng)計顯示（b），其每年因肺癌而死亡的人數(shù)，甚至高于另外三種最高發(fā)腫瘤（乳腺癌、前列腺癌和結(jié)直腸癌）死亡人數(shù)的總和。肺腺癌是肺癌最大的病理類型，并且發(fā)病率在我國呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。

肺癌在臨床上根據(jù)病理分類，主要分為非小細(xì)胞肺癌和小細(xì)胞肺癌兩類。其中非小細(xì)胞肺癌約占85%。肺腺癌是非小細(xì)胞肺癌中占比最大的癌癥，約占非小細(xì)胞肺癌發(fā)病率的50%。相比于其他肺癌病理亞型，非吸煙的肺腺癌人群比例明顯偏高，表明其發(fā)病機(jī)制的復(fù)雜性。隨著煙草的控制，其他肺癌亞型的發(fā)病比率在逐年下降，而肺腺癌發(fā)病比率在逐年上升。

（圖片來源：a. 阿斯利康醫(yī)學(xué)部；b. 美國癌癥學(xué)會《Cancer Facts & Figures 2020》統(tǒng)計)

雖然近年來，以基因組學(xué)技術(shù)驅(qū)動的“靶向治療”、“免疫治療”等肺腺癌治療有了飛速發(fā)展，也實(shí)現(xiàn)了部分肺腺癌病人的精準(zhǔn)治療。然而，目前仍然有相當(dāng)大比例的病人缺乏精準(zhǔn)治療的手段，肺腺癌的精準(zhǔn)診療仍然在臨床上面臨重大需求。

之前，人們對肺腺癌的系統(tǒng)化分子水平的認(rèn)識幾乎都是在基因組層面。然而，大規(guī)?；蚪M學(xué)研究表明，東、西方人群的肺腺癌基因背景呈現(xiàn)出明顯的差異性，西方人群肺腺癌人群基因主要包括TP53，KRAS，KEAP1，STK11和EGFR等。而相比于西方人群，包括中國在內(nèi)的東亞人群中，EGFR基因突變頻率明顯增高。其中，含有EGFR基因突變的非吸煙女性約占全部肺腺癌的40%到50%。東西方人群肺腺癌基因背景的巨大差異性，也暗示了兩者差異性的治療策略。因此，全景繪制肺腺癌人群蛋白質(zhì)分子圖譜，對于肺腺癌病理機(jī)制的更深入認(rèn)識，早期診斷生物標(biāo)志物與藥物治療靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)，以及實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更有效的肺腺癌治療具有重大的科學(xué)意義。

（圖片來源：veer圖庫）

此外，在臨床實(shí)踐中，由于包括肺腺癌在內(nèi)的肺癌早期階段往往癥狀不明顯，容易被病人忽視，多數(shù)患者確診時常常已經(jīng)處于中晚期，導(dǎo)致錯過最佳治療時機(jī)，這是影響肺癌治療效果的一個重要因素。因此，發(fā)現(xiàn)高效靈敏的診斷標(biāo)志物和潛在新型藥物治療靶點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)肺癌診療突破的重要途徑。應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)的方法篩選和發(fā)現(xiàn)具有臨床應(yīng)用價值的肺腺癌預(yù)后生物標(biāo)志物，可以規(guī)?；l(fā)現(xiàn)與腫瘤發(fā)生、發(fā)展、預(yù)后、分型相關(guān)的標(biāo)志物和藥物靶標(biāo)，有效縮短傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)現(xiàn)臨床診療標(biāo)志物和藥靶的研究歷程。

在本次研究中，中國科學(xué)院上海藥物研究所譚敏佳團(tuán)隊聯(lián)合軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院、國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）賀福初團(tuán)隊、汪宜團(tuán)隊，國家癌癥中心/中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院程書鈞、肖汀團(tuán)隊，上海交通大學(xué)李婧等團(tuán)隊，在國際上首次對肺腺癌開展了大規(guī)模、高通量、系統(tǒng)性的全景蛋白質(zhì)組學(xué)研究。

研究工作對103例臨床病人的肺腺癌和癌旁組織進(jìn)行了蛋白質(zhì)表達(dá)譜和磷酸化翻譯后修飾譜的深度解析，最終共鑒定到11119個蛋白產(chǎn)物和22564個磷酸化修飾位點(diǎn)，同時整合臨床信息和基因組特征數(shù)據(jù)分析，深度構(gòu)建了基于蛋白質(zhì)組的肺腺癌分子圖譜全景。該研究從蛋白質(zhì)水平系統(tǒng)描繪了肺腺癌的分子圖譜，并發(fā)現(xiàn)了與病人預(yù)后密切相關(guān)的分子特征，特別是發(fā)現(xiàn)了中國人群肺腺癌兩個主要基因（TP53和EGFR）突變?nèi)巳旱牡鞍踪|(zhì)分子特征。

關(guān)于肺腺癌，我們多了哪些了解

之前我們說過，蛋白質(zhì)組學(xué)就像是給蛋白質(zhì)“畫像”，那么，通過這次畫像，我們獲得了哪些重要的信息？

1. 深入認(rèn)識了肺腺癌病理機(jī)制

該研究工作整合臨床信息和基因組特征數(shù)據(jù)分析，深度構(gòu)建了基于蛋白質(zhì)組的肺腺癌分子圖譜全景。研究還系統(tǒng)地揭示了肺腺癌預(yù)后良好與預(yù)后不良人群的蛋白質(zhì)組特征，發(fā)現(xiàn)預(yù)后良好的肺腺癌與脂肪酸代謝、氧化磷酸化等分子生物學(xué)過程密切相關(guān)，而預(yù)后不良的肺腺癌則主要與腫瘤上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。特別是發(fā)現(xiàn)了中國人群肺腺癌兩個主要基因（TP53和EGFR）突變?nèi)巳旱牡鞍踪|(zhì)分子特征，這對于中國人群基因背景下的肺腺癌診療具有針對性的意義。

2.發(fā)現(xiàn)了疾病診斷生物標(biāo)志物

該研究通過蛋白質(zhì)表達(dá)與預(yù)后的關(guān)聯(lián)性分析，系統(tǒng)性篩選到27個具有血清學(xué)檢測價值的肺腺癌潛在預(yù)后標(biāo)志物，通過對代表性標(biāo)志物HSP 90beta進(jìn)行了近一千例的獨(dú)立人群（包括肺腺癌癌癥病人和健康人）的血漿樣本確證，發(fā)現(xiàn)在肺腺癌病人血液中該蛋白的濃度顯著高于正常人，并且該標(biāo)志物的蛋白濃度與肺腺癌不良預(yù)后密切相關(guān)。

3.發(fā)現(xiàn)了藥物治療靶點(diǎn)

此外，該研究還基于蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)、病人臨床預(yù)后信息、已知藥物靶標(biāo)數(shù)據(jù)庫等資源，系統(tǒng)篩選到11個針對肺腺癌潛在的藥物靶標(biāo)，并且還篩選到若干個肺腺癌特定突變亞型的潛在藥物靶標(biāo)。

4.實(shí)現(xiàn)了更精準(zhǔn)的肺腺癌分子分型

在該研究中，研究人員利用蛋白質(zhì)組表達(dá)譜數(shù)據(jù)將肺腺癌分為三個蛋白質(zhì)組亞型（I型、II型、III型）。其中，I型與細(xì)胞代謝和腫瘤微環(huán)境密切相關(guān)，臨床信息顯示該型主要為臨床早期人群，并且預(yù)后最為良好；III型與細(xì)胞穩(wěn)態(tài)及增殖密切相關(guān)，其主要為臨床中后期人群，呈現(xiàn)出腫瘤分化程度較低，基因突變負(fù)荷較高等特征，并且預(yù)后最差；II型則是I型和III型的過渡狀態(tài)，這部分人群預(yù)后程度介于I型和III型之間。結(jié)合磷酸化修飾譜數(shù)據(jù)分析，此項(xiàng)研究還揭示了不同亞型群體間激酶活性的特征，為肺腺癌的更精準(zhǔn)分型和治療提供依據(jù)。

寫在最后

該研究工作首次大規(guī)模、系統(tǒng)性構(gòu)建了肺腺癌的蛋白全景圖和分子亞型特征，揭示了中國人肺腺癌的分子特征及預(yù)后和診療生物標(biāo)志物，為肺腺癌的精準(zhǔn)醫(yī)療提供了重要資源和線索。

該工作是“中國人蛋白質(zhì)組計劃”繼肝癌、胃癌工作之后取得的又一重大成果，也是中國科學(xué)家主導(dǎo)的“蛋白質(zhì)組學(xué)驅(qū)動的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”的又一次重大突破。在該研究工作中，研究人員初步探索了通過血漿這種取材和量化方便的載體，為精準(zhǔn)預(yù)測肺腺癌等腫瘤的發(fā)生和惡性進(jìn)展提供了研究思路。

該研究為肺腺癌治療提供了多種可能將來應(yīng)用于臨床的候選藥物和預(yù)后生物標(biāo)志物，對指導(dǎo)患者臨床用藥、改善生存期具有巨大潛在臨床應(yīng)用價值。后續(xù)的工作中研究人員將繼續(xù)圍繞這些靶標(biāo)進(jìn)行深入的驗(yàn)證分析，努力將該成果向臨床轉(zhuǎn)化推進(jìn)。當(dāng)然，將該研究成果推進(jìn)到實(shí)際的臨床應(yīng)用還有很多工作需要進(jìn)一步開展。