“再下一城”---利用蛋白基因组学揭示淋巴瘤的生物标志物和潜在药物靶点
景杰编者按：“蛋白基因组学”作为一个新兴的概念，已经越来越多的用于生物标志物的鉴定和药物靶点的研究中，成为精准医学领域的弄潮儿。顾名思义，这是一个将蛋白质组数据、转录组数据和基因组数据进行多维度整合的研究方向，用以寻找到底哪些突变基因是复杂疾病，尤其是癌症的真正“驱动因素”而非影响很小的“乘客”突变。另外，比蛋白质更高一个维度的翻译后修饰（如磷酸化、泛素化、糖基化、酰化等）通过影响蛋白的活性及结构来调控其功能，修饰组学的加入也衍生出了各种“功能蛋白基因组学”。近两年来，肿瘤领域蛋白基因组学的文章多次登上顶级期刊2, 3, 4, 5，彰显其无可替代的重要性，不过遗憾的是针对造血系统恶性肿瘤的蛋白基因组学研究还很少见。近日，来自美国宾大医学院的一项研究填补了这个空白。通过对淋巴瘤细胞系和临床样本进行N-糖蛋白组分析，研究人员发现细胞系的N-糖蛋白谱能准确的与临床样本病理分型吻合，这也为寻找淋巴瘤的潜在诊断标志物和药物靶点提供了理论基础。另外，将淋巴瘤激酶ALK阳性细胞系的N-糖蛋白组数据与转录组数据进行整合分析发现，细胞因子受体IL-31Rβ的糖基化修饰水平受到ALK调控，且与ALK阳性的淋巴瘤疾病进程密切相关，本研究再一次证明蛋白基因组学是寻找癌症潜在生物标志物和药物靶点的重要工具和研究方向。景杰生物作为全球蛋白质及翻译后修饰的领跑者，可以为您提供一整套蛋白基因组学及包括糖基化在内的各种修饰组学的解决方案，助力您的研究工作。
关键词：
Proteogenomics, N-glycoprotein, Lymphomas, Biomarker, Therapeutic targets
研究思路和成果：糖蛋白（发生糖基化修饰的蛋白）在人体内分布极为广泛，尤其在细胞膜和体液中含量较高。很多糖基化蛋白是癌症生物标志物和治疗靶点，如乳腺癌的HER2，前列腺癌的PSA，肺癌的CEA以及B细胞肿瘤的CD19等，因此，深入研究糖蛋白组有助于挖掘不同类型肿瘤的生物标志物和药物靶点。
如前文所述，关联分析高通量蛋白质组、转录组、基因组数据已经成为疾病分子机制探索的重要手段，但是针对淋巴瘤的蛋白质组学研究还十分有限。本文中，研究人员首先运用高精度质谱分析了淋巴瘤13个亚型（涵盖32个细胞系）的N-糖蛋白谱，共鉴定到~1100个糖基化蛋白，其中~70%属于细胞的膜系统相关蛋白，其次是细胞器蛋白和分泌蛋白。通过无监督聚类分析（Unsupervised Clustering）发现，N-糖蛋白谱可以将这32个细胞系按它们的谱系、细胞起源区分，并且符合世卫组织（WHO）所认定的亚型。更为重要的是，作者发现淋巴瘤临床样本的N-糖蛋白谱能够与其病理分型准确对应，并针对几个候选分子在更大范围的样本中进行了免疫组化确证，从而为寻找分子诊断标志物提供了关键的理论依据。
更进一步的分析发现，本研究共鉴定到194个白细胞分化抗原蛋白（CD），占已知的所有417种CD的46.5%，这194个CD中的大多数都未曾在淋巴瘤相应亚型中被报道过，因此也可以作为潜在的诊断生物标志物和药物靶点开展后续研究。
有趣的是，一部分N糖蛋白谱在不同的淋巴瘤亚型中具有高度的选择性表达情况，研究人员猜测这些特异性表达模式可能与相应亚型的发病机理有关，并选取淋巴瘤激酶ALK阳性细胞系ALK+ALCL进行深入研究。N-糖蛋白组数据表明多种细胞因子受体蛋白在ALK+ALCL中显著富集，而用ALK抑制剂（ALKi）处理细胞后鉴定到11个N-糖蛋白的表达水平下调，说明这些糖蛋白受到ALK的活性调节，其中细胞因子受体IL-31Rβ已知与慢性炎症相关，可能参与到ALK阳性淋巴瘤的病理进程。紧接着，研究人员对ALK+ALCL细胞系进行了转录组RNA-seq测序，发现多种细胞因子/受体-STAT信号通路的转录本受到ALK激酶调控，N-糖蛋白组数据和转录组数据互为补充，更全面的反映ALK所调控的糖蛋白谱。将两组数据整合关联分析发现，有36个转录产物受ALK正向调控，包括IL-1R1, IL-1R2, IL-2Rα, IL-4R, IL-18R1, IL-31Rβ以及STAT信号通路成员 (IL-6–STAT3与IL-2–STAT5)。由此，N-糖蛋白组和转录组的数据都暗示IL-31Rβ很可能与ALK阳性淋巴瘤进程相关。
研究人员分别通过WB、流式细胞仪技术和免疫组化验证IL-31Rβ在各种ALK+ALCL细胞系以及临床组织样本中显著高表达。当然，功能实验的验证是必不可少的。WB结果显示抑制ALK的活性会导致IL-31Rβ表达下调，IL-31Rβ的配体抑瘤素M（oncostatin M，OSM）的表达同样受ALK调控，而OSM的表达能部分遗传拯救转录因子STAT3的磷酸化，这些结果表明OSM/IL-31Rβ/STAT3信号轴很可能形成正反馈回路在ALK阳性细胞中持续激活STAT3这一经典的癌基因，导致肿瘤发生发展。更为重要的是，在细胞和肿瘤异体移植模型中将IL-31Rβ敲除会分别抑制细胞克隆增殖和肿瘤发展，表明IL-31Rβ的重要生物学功能，同时它也可以作为潜在的治疗靶点。
总结：综上，本文通过“功能蛋白基因组学”对淋巴瘤进行了包括N-糖蛋白组和转录组在内的多维度整合分析。N-糖蛋白谱能够与淋巴瘤病理分型在细胞系和临床组织层面吻合，为寻找新的生物标志物和药物靶点提供了重要信息。淋巴瘤激酶ALK阳性细胞系的N-糖蛋白组和转录组数据互为补充，彰显多维组学在研究复杂生物学过程（如癌症）中的巨大作用，并发现细胞因子受体IL-31Rβ受到ALK调控，且很可能形成OSM/IL-31Rβ/STAT3正反馈回路，促进肿瘤进程。进一步的功能研究发现敲除IL-31Rβ会直接抑制肿瘤细胞的增殖及肿瘤的生长，表明IL-31Rβ很可能是针对ALK阳性淋巴瘤的生物标志物和潜在药物靶点。这项工作为治疗血液系统恶性肿瘤的精准医学探索和药物靶点开发提供了重要的资源和研究手段。
参考文献：
1. Rolland, D. et al., (2017) Functional Proteogenomics Reveals Biomarkers and Therapeutic Targets in Lymphomas. Proc Natl Acad Sci USA. 114(25):6581-6586.
2. Mertins, P. et al., (2016) Proteogenomics Connects Somatic Mutations to Signalling in Breast Cancer. Nature. 534(7605):55-62.
3. Zhang, B. et al., (2014) Proteogenomic Characterization of Human Colon and Rectal Cancer. Nature. 513(7518):382-387.
4. Drake, J. et al., (2016) Phosphoproteome Integration Reveals Patient-Specific Networks in Prostate Cancer. Cell. 166(4):1041-1054.
5. Zhang, H. et al., (2016) Integrated Proteogenomic Characterization of Human High-Grade Serous Ovarian Cancer. Cell. 166(3):755-765.
景杰生物通过整合以组学为导向（包括基因蛋白质组学和组蛋白密码组学）的生物标志物发现、以生物标志物为导向的药物研发、以高质量抗体为基础的诊断试剂盒开发这三个环节，逐步构建起“疾病精准分层”、“精准药物研发”、“疾病精准诊断” 三位一体的精准医疗产业化发展的运作链条，从而为精准医疗产业化开创出一片广阔前景, 并开辟出一条可行路径。