前言

美國圣朱迪兒童研究醫(yī)院Junmin Peng教授課題組在Nature Communications發(fā)表了名為“Deep multiomics profiling of brain tumors identifies signaling networks downstream of cancer driver genes”的研究成果，通過多組學(xué)研究（轉(zhuǎn)錄組學(xué)、磷酸化蛋白組學(xué)）方法，發(fā)現(xiàn)了受體絡(luò)氨酸激酶(RTK)誘發(fā)的高級神經(jīng)膠質(zhì)瘤(HGG)的主要調(diào)控模塊和關(guān)鍵調(diào)控因子，并比較了兩種RTK--神經(jīng)營養(yǎng)受體絡(luò)氨酸激酶(NTRK)和血小板衍生的生長因子受體α (PDGFRA)的原癌性，為確定高級神經(jīng)膠質(zhì)瘤的病理機制及新藥物靶點提供了理論依據(jù)。

中文標題：腦腫瘤的多組學(xué)研究揭示原癌基因下游的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

研究對象：小鼠腦腫瘤組織

發(fā)表期刊：Nature Communications

影響因子：14.919

發(fā)表時間：2019年8月

作者單位：美國圣朱迪兒童研究醫(yī)院

運用組學(xué)技術(shù)：轉(zhuǎn)錄組學(xué)、磷酸化蛋白組學(xué)

研究背景

神經(jīng)膠質(zhì)瘤是一種常見的腦腫瘤，約占所有腦腫瘤的30%，在所有惡性腦腫瘤的占比為80%。它起源于大腦神經(jīng)元周圍的神經(jīng)膠質(zhì)細胞，膠質(zhì)細胞瘤患者的生存期中位數(shù)約為15個月，在兒童和成人都可發(fā)病。之前對膠質(zhì)瘤的研究主要集中在基因組和轉(zhuǎn)錄組，對蛋白組的研究深度不夠，此次研究達到比之前更高的質(zhì)譜鑒定深度，融合了多組學(xué)分析方法，鑒定出癌基因下游關(guān)鍵的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控因子，為膠質(zhì)瘤的病理研究、藥物治療提供了基礎(chǔ)。

研究思路

研究結(jié)果

1. 實驗分組

（1）對照組：3個樣本，正常小鼠腦組織；

（2）PDGFRA: 4個樣本，PDGFRA誘導(dǎo)的膠質(zhì)瘤；

（3）NTRK: 3個樣本，NTRK誘導(dǎo)的膠質(zhì)瘤；

2.技術(shù)路線

（1）組織學(xué)分析：HE染色

（2）組學(xué)分析方法：蛋白組學(xué)、磷酸化組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)

（3）基因表達：RNA測序

（4）其它方法：TMT標記反相LC/LC-MS/MS， TiO2磷酸肽段富集技術(shù)，CRISPR-Cas9

研究結(jié)果

PDGFRA 與NTRK在轉(zhuǎn)錄、蛋白、磷酸化水平有著不同表達模式

根據(jù)多組學(xué)數(shù)據(jù)對正常腦組織、NTRK、PDGFRA進行分組，在蛋白組、磷酸化組、轉(zhuǎn)錄組水平，三組樣本被PCA前兩種主成分區(qū)分開,并且同組樣本聚類到一起。（圖1.a,b）轉(zhuǎn)錄組和蛋白組的關(guān)聯(lián)性， 鑒定到的蛋白占可信mRNA（FPKM > 1)的比例為84%。（圖1.c），轉(zhuǎn)錄組和蛋白組表達水平表現(xiàn)出中等程度的相關(guān)性（R^2 = 0.5)。

圖1

多組學(xué)分析鑒定出HGG的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵的調(diào)控因子

WGCNA鑒定出不同表達模式的蛋白聚類（WP-C1至WP-C5）和磷酸化蛋白聚類（PP-C1至PP-C5),對其中WP-C1和PP-C2進行通路富集分析和通路-通路互作網(wǎng)絡(luò)分析（圖2.a）。利用IKAP算法根據(jù)底物磷酸化水平估測蛋白激酶活性，進行聚類并呈現(xiàn)出與部分磷酸化聚類相似的表達特征（圖2.b），構(gòu)建激酶-激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)（圖2.c）。利用蛋白組、磷酸化組、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)錄因子（TF）分析，篩選出23個功能活性改變的TF（圖3.a）。構(gòu)建激酶-轉(zhuǎn)錄因子-目標基因信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)（圖3.b）。

圖2

圖3

NTRK調(diào)控下游通路形成一個正反饋回路，有更強的原癌性

利用PAC算法，估測PI3K-AKT信號通路活性，NTRK下游通路活性為PDGFRA的1.45倍（圖4.a），通過細胞增殖標志Ki-67（圖4.b）和K-M生存曲線（圖4.c）得到驗證。NTRK可以上調(diào)其他RTK的表達水平，據(jù)此構(gòu)建出一個正反饋調(diào)控模型（圖4.d）。

圖4?

CRISPR-Cas9篩選實驗驗證新的癌癥靶點

CRISPR-Cas9篩選實驗的工作流程（圖5.a），通過gRNA在第1天和第15天表達水平來驗證基因?qū)Π┘毎婊畹谋匾?，在鑒定出的9個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子和蛋白激酶中，有5個（56%）顯示出對癌細胞的生長有顯著調(diào)控作用（圖5.b）。

圖5?

研究討論

通常mRNA表達水平和蛋白表達水平只有中等程度的相關(guān)性，需要同時對轉(zhuǎn)錄組和蛋白組進行整合研究以獲得較完整的癌基因表達情況。一些關(guān)鍵的調(diào)控因子，如轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶，通常在細胞中以較低豐度的形式存在，對它們的研究需要精度高、覆蓋度廣的蛋白質(zhì)譜技術(shù)。此項研究通過對蛋白組進行深度定量研究，同時整合了多組學(xué)分析，探索了癌癥發(fā)生的分子機制，并通過CRISPR-Cas9實驗驗證了篩選出的靶點的可靠性。同時，磷酸化蛋白組的研究補充了通路活性發(fā)生改變，而蛋白質(zhì)表達水平無明顯變化的情況。

小鹿推薦

本篇文章對高級神經(jīng)膠質(zhì)瘤(HGG)的分子機制進行了深入研究。通過采用多組學(xué)方法分析了膠質(zhì)瘤細胞生長過程中主要調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵調(diào)控因子，構(gòu)建出RTK調(diào)控下游通路的模型。而這些關(guān)鍵調(diào)控因子為HGG的預(yù)防和治療提供了極有價值的靶點。

文末看點｜lumingbio

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