KRASs是人類惡性腫瘤中突變率很高的致癌基因之一，特別是在胰腺癌(PAAD)、結(jié)直腸癌(CRC)和非小細胞肺癌(NSCLC)中。KRAS突變腫瘤的特征是通過持續(xù)激活細胞內(nèi)的大量磷酸化信號通路，從而促進腫瘤發(fā)生發(fā)展。盡管目前對KRAS突變腫瘤的研究取得了一些進展，但對蛋白質(zhì)組和磷酸化蛋白質(zhì)組的全面描述還很欠缺。2021年8月9日，中國科學院上海藥物研究所的譚敏佳和黃敏團隊合作在Molecular?Cell上在線發(fā)表了題為“A proteomic and phosphoproteomic landscape of KRAS mutant cancers identifies combination therapies”的研究論文。該研究提供了不同組織來源的43株KRAS突變腫瘤細胞系的蛋白質(zhì)組學和磷酸化蛋白組學圖譜。通過整合轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和磷酸化蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了基于多組學的KRAS突變腫瘤的分子分型，并在此基礎(chǔ)上揭示了KRAS突變腫瘤的精準治療新策略。

樣本策略：

AAD、NSCLC、大腸腺癌(CoAD/Read)、乳腺浸潤癌(BRCA)、胃腺癌(STAD)、宮頸鱗癌和宮頸腺癌(CESC)、膀胱尿路上皮癌(BLCA)組織來源的43株KRAS突變腫瘤細胞。

技術(shù)策略：

TMT標記蛋白質(zhì)組學、磷酸化蛋白組學；轉(zhuǎn)錄組學（公共數(shù)據(jù)庫中下載的數(shù)據(jù)）

技術(shù)路線

研究結(jié)果

01基于多組學的KRAS突變腫瘤細胞的分子分型

該研究收集了不同組織來源的43株KRAS突變腫瘤細胞進行了系統(tǒng)的蛋白質(zhì)組學和磷酸化蛋白組學分析。所有數(shù)據(jù)集共檢測到>14500個蛋白質(zhì)（FDR為1%），>5600個磷酸化蛋白質(zhì)以及>19700個磷酸化肽段(圖1C和1D)。為了全面了解KRAS突變癌癥的分子異質(zhì)性，研究人員將蛋白組和磷酸化蛋白組數(shù)據(jù)與GDSC數(shù)據(jù)庫（癌癥藥物敏感性基因組學）中公開可用的轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)進行了整合，通過無監(jiān)督聚類分析將KRAS突變細胞分為三個具有不同生物學特征的亞型（S1、S2和S3）（圖1E）。并且這些亞型可用于對臨床樣本的大型獨立數(shù)據(jù)集進行分層。

圖?1.?基于多組學的KRAS突變腫瘤細胞的分子分型

02生物信息學揭示KRAS突變亞群的分子特征

為了獲得三種亞型的不同臨床結(jié)果的分子特征，研究人員進行了基因集富集分析（GSEA），結(jié)果顯示S2亞型表現(xiàn)出比其他兩種亞型更高的致癌信號傳導途徑富集（圖2A和2B）。表明多組學特征可以更好地與KRAS突變癌癥的臨床結(jié)果相關(guān)聯(lián)。進一步研究了每種亞型的相關(guān)通路。S1在mRNA水平上在細胞周期相關(guān)通路中顯著富集，在mRNA和蛋白水平上也顯示了EMT和MYC通路的顯著富集（圖2A和2B）。S2顯著富集在KRAS和炎癥反應(yīng)通路（圖2A和2B）。S3的標志性通路較少，這可能與S3亞型患者預后良好相關(guān)（圖2A）。

圖2.KRAS突變亞型的通路分析

03磷酸化蛋白質(zhì)組分析揭示治療KRAS突變癌癥的藥物組合

KRAS突變激活了多條下游通路。先前的研究表明，阻斷個別下游通路幾乎不能達到治療效果。因此，研究人員提出假設(shè)，采用兩種藥物可能顯示出更高的協(xié)同效應(yīng)。為了驗證這一假設(shè)，通過CPBA（compensatory phosphoprotein biomarker analysis）分析（圖3A），對藥物進行組合評分最終得到41種藥物組合。在這些組合中，所有藥物組合均對S2亞型有效，5種藥物組合對S3亞型有效，而沒有組合對S1亞型有效，可能是因為各亞型之間的磷酸化水平不同。并且已有研究報道了MEK和SHP2以及MET和VEGFR的聯(lián)合抑制劑，在KRAS突變癌癥中顯示出良好的治療效果。接下來測試了5種新的藥物組合的治療潛力，即SHP2和DOT1L、SHP2和ERK、MEK和FNTA、DOT1L和ERK以及DOT1L和AKT。在KRAS突變的PANC-03-27細胞中，所有藥物組合的治療效果都比任何一種單一療法都強得多（圖3B）。這些結(jié)果支持了假設(shè)，即CPBA可能是預測聯(lián)合用藥治療KRAS突變癌癥療效的有用方法。

圖3.?磷酸化蛋白質(zhì)組學揭示KRAS突變癌癥的藥物組合

04DOT1L和SHP2聯(lián)合抑制劑對S2亞型具有特異性治療作用

CPBA分析預測了DOT1L-SHP2藥物組合對S2亞型的治療潛力。為了探索該預測組合治療效果，研究人員在41株KRAS突變腫瘤細胞系中進行了測試（圖4C）。結(jié)果表明，S2亞型對該藥物組合更加敏感。值得注意的是，DOT1L-SHP2組合與亞型（p=0.0000046）顯著相關(guān)，但與組織來源相關(guān)性較弱（p=0.86）。最近有研究報道了MEK-SHP2組合對KRAS突變腫瘤的治療潛力。因此研究人員通過18株KRAS突變腫瘤細胞系對MEK-SHP2和DOT1L-SHP2組合進行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DOT1L-SHP2組合在S2亞型具有更顯著的治療效果（p=0.0015），而MEK-SHP2組合未顯示出明顯的亞型特異性（p=0.085）。該發(fā)現(xiàn)表明DOT1L-SHP2組合對于KRAS突變腫瘤的S2亞型具有更顯著的優(yōu)勢。此外，研究人員還通過小鼠模型對DOT1L-SHP2組合的體內(nèi)治療效果進行了評價，也證實了DOT1L和SHP2聯(lián)合治療S2亞型KRAS突變腫瘤的潛力。

圖4. DOT1L和SHP2聯(lián)合抑制劑對S2亞型的特異性治療作用

總結(jié)?

該研究基于蛋白質(zhì)組-磷酸化蛋白質(zhì)組-轉(zhuǎn)錄組學的多組學數(shù)據(jù)，揭示出KRAS突變腫瘤在蛋白質(zhì)組和磷酸化蛋白組層面的分子特征，基于組學數(shù)據(jù)將KRAS突變腫瘤細胞分為三個具有不同生物學特征的亞型，并基于CPBA分析發(fā)現(xiàn)了亞型特異性的精準治療新策略?？傊撗芯繛楦玫牧私釱RAS突變腫瘤的異質(zhì)性和實現(xiàn)精準治療提供了重要資源。

文獻名稱

KRAS突變腫瘤的蛋白質(zhì)組學和磷酸化蛋白質(zhì)組學圖譜確定聯(lián)合療法

期刊名稱

Molecular?Cell

影響因子

15.584

研究對象

KRAS突變腫瘤細胞

技術(shù)策略

TMT蛋白組學、磷酸化蛋白組學、轉(zhuǎn)錄組學（公共數(shù)據(jù)庫中下載的數(shù)據(jù)）