我國科學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（中國科學院上海藥物研究所）

文章來源于科學大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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2020年7月9日，國際頂級學術(shù)刊物《細胞》Cell正式發(fā)表了由中國科學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？為什么對于精準醫(yī)療如此重要？這項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“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，切斷腫瘤細胞的信號轉(zhuǎn)導，細胞得不到增殖和擴散的信號指令，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[瘤細胞中突變的異檸檬酸脫氫酶，減少細胞產(chǎn)生的毒性代謝物，同時也大大降低癌細胞對人體的殺傷力，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，這相當于關(guān)上了腫瘤瘋狂生長的開關(guān)，遏制了失控的腫瘤細胞分裂，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)域的熱點和難點之一。表皮生長因子受體（EGFR）的異常高表達，會導致人體內(nèi)EGFR相關(guān)信號通路的持續(xù)激活，從而導致包括肺癌在內(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

因為蛋白質(zhì)是生命活動的具體執(zhí)行者，所以蛋白質(zhì)是臨床應用及研究中常用分子標志物和藥物靶標。然而，蛋白質(zhì)并非是基因信息“絕對忠實的傳達者”。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過程使得體內(nèi)蛋白質(zhì)的表達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胞并未發(fā)生DNA（基因）層面的變化，僅在蛋白質(zhì)的表達及修飾水平表現(xiàn)出病理特征。對于臨床精準醫(yī)學研究而言，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充和不同維度的深層次延伸，幫助人們從不同分子層面認知生命活動現(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)進行精準“畫像”，系統(tǒng)描繪生命體內(nèi)蛋白質(zhì)的表達、翻譯后修飾、相互作用及其動態(tài)變化等精細“相貌”，進一步基于對該蛋白質(zhì)分子“相貌”的精確解讀，從而實現(xiàn)在蛋白質(zhì)水平上獲得關(guān)于生命體細胞活動（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識。

如果我們得到了某種疾病患者的蛋白質(zhì)組，相當于我們已經(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、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、預后等潛在標志物，為疾病的臨床早期診斷、精準預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，從而實現(xiàn)疾病的精準治療。

（圖片來源：veer圖庫）

不要覺得這離我們很遠。2019年，我國科學家對肝癌的蛋白質(zhì)組學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)生復發(fā)死亡的危險系數(shù)最大。他們進一步分析了第三類患者的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，證實膽固醇酯化酶在肝癌中的重要作用。研究人員還驗證，針對膽固醇酯化酶SOAT1的抑制劑——“阿伐麥布”，有望成為治療預后較差肝細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年美國癌癥學會的最新流行病學統(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，主要分為非小細胞肺癌和小細胞肺癌兩類。其中非小細胞肺癌約占85%。肺腺癌是非小細胞肺癌中占比最大的癌癥，約占非小細胞肺癌發(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)病機制的復雜性。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)學部；b. 美國癌癥學會《Cancer Facts & Figures 2020》統(tǒng)計)

雖然近年來，以基因組學技術(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，也實現(xiàn)了部分肺腺癌病人的精準治療。然而，目前仍然有相當大比例的病人缺乏精準治療的手段，肺腺癌的精準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)化分子水平的認識幾乎都是在基因組層面。然而，大規(guī)?；蚪M學研究表明，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，對于肺腺癌病理機制的更深入認識，早期診斷生物標志物與藥物治療靶點的發(fā)現(xiàn)，以及實現(xiàn)更精準、更有效的肺腺癌治療具有重大的科學意義。

（圖片來源：veer圖庫）

此外，在臨床實踐中，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，導致錯過最佳治療時機，這是影響肺癌治療效果的一個重要因素。因此，發(fā)現(xiàn)高效靈敏的診斷標志物和潛在新型藥物治療靶點，是實現(xiàn)肺癌診療突破的重要途徑。應用蛋白質(zhì)組學的方法篩選和發(fā)現(xiàn)具有臨床應用價值的肺腺癌預后生物標志物，可以規(guī)?；l(fā)現(xiàn)與腫瘤發(fā)生、發(fā)展、預后、分型相關(guān)的標志物和藥物靶標，有效縮短傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)現(xiàn)臨床診療標志物和藥靶的研究歷程。

在本次研究中，中國科學院上海藥物研究所譚敏佳團隊聯(lián)合軍事科學院軍事醫(yī)學研究院、國家蛋白質(zhì)科學中心（北京）賀福初團隊、汪宜團隊，國家癌癥中心/中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院程書鈞、肖汀團隊，上海交通大學李婧等團隊，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)組學研究。

研究工作對103例臨床病人的肺腺癌和癌旁組織進行了蛋白質(zhì)表達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，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. 深入認識了肺腺癌病理機制

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)地揭示了肺腺癌預后良好與預后不良人群的蛋白質(zhì)組特征，發(fā)現(xiàn)預后良好的肺腺癌與脂肪酸代謝、氧化磷酸化等分子生物學過程密切相關(guān)，而預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)了疾病診斷生物標志物

該研究通過蛋白質(zhì)表達與預后的關(guān)聯(lián)性分析，系統(tǒng)性篩選到27個具有血清學檢測價值的肺腺癌潛在預后標志物，通過對代表性標志物HSP 90beta進行了近一千例的獨立人群（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，并且該標志物的蛋白濃度與肺腺癌不良預后密切相關(guān)。

3.發(fā)現(xiàn)了藥物治療靶點

此外，該研究還基于蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)、病人臨床預后信息、已知藥物靶標數(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，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。

4.實現(xiàn)了更精準的肺腺癌分子分型

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，并且預后最為良好；III型與細胞穩(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，基因突變負荷較高等特征，并且預后最差；II型則是I型和III型的過渡狀態(tài)，這部分人群預后程度介于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后和診療生物標志物，為肺腺癌的精準醫(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，也是中國科學家主導的“蛋白質(zhì)組學驅(qū)動的精準醫(yī)學”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，為精準預測肺腺癌等腫瘤的發(fā)生和惡性進展提供了研究思路。

該研究為肺腺癌治療提供了多種可能將來應用于臨床的候選藥物和預后生物標志物，對指導患者臨床用藥、改善生存期具有巨大潛在臨床應用價值。后續(xù)的工作中研究人員將繼續(xù)圍繞這些靶標進行深入的驗證分析，努力將該成果向臨床轉(zhuǎn)化推進。當然，將該研究成果推進到實際的臨床應用還有很多工作需要進一步開展。