独辟蹊径----蛋白质组学结合类器官技术针对结直肠癌的个性化研究

景杰编者按：结直肠癌是我国常见的恶性肿瘤，占我国恶性肿瘤的第四位，并有上升趋势。癌症机理往往非常复杂，并且患者本身往往具有特异性，因此个性化的精准医疗的呼声愈发迫切。类器官模型是一种立体细胞培养系统，其生物学特征与体内的源组织或器官高度相似。相比于实验动物和细胞系，以其为实验对象获得的数据更准确地反映体内真实状况。著名学术期刊Cell Reports上发表了一篇针对结直肠癌患者个性化研究的论文，利用蛋白质组学研究结直肠癌类器官中蛋白质的变化，揭示了特异的类器官蛋白质表达谱与临床诊断相关联，有望在未来助力个性化精准医疗的发展。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常规蛋白质组学及修饰组学研究的解决方案，同时还能为您提供高灵敏度的修饰类泛抗体，助力您的研究工作。

关键词：类器官、CRC（colorectal cancer）、蛋白质组分析、MS、精准医疗

研究思路和成果：

类器官模型是一种3D细胞培养系统，其生物学特征与体内的源组织或器官高度相似。类器官可以实现对药物的药效和毒性进行更有效地检测。相比因实验动物的种属差异大而检测结果不可靠性，类器官直接由人类细胞生成，其生物学特性和人体器官高度相似，以其为实验对象获得的实验数据更可靠。以高传染性的杯状病毒norovirus为例，尽管早在50年前就已发现这种导致人腹泻的肠病毒，但是始终没有能够在体外对该病毒进行培养，因此严重制约了对该病毒致病机理的研究，也妨碍了疫苗和药物的开发。直到2016年，美国Baylor医学院的Mary Estes院士课题组，利用人肠道的enteroids（肠道多细胞培养物），实现了norovirus的体外培养，解决了困扰研究人员半世纪的大难题【1】。此外，针对类器官的科学研究，可以极大地减少临床前试验中动物的使用，在科学伦理层次上也是一大进步。

在这篇论文中，研究人员应用MS技术对源自不同结直肠癌患者的健康和肿瘤类器官进行蛋白质组定量分析【2】。在每对健康与肿瘤类器官内鉴定到约7600个蛋白，这其中大约有400个蛋白存在差异表达。为检测这些具有表达差异的蛋白在7名病人中的变化，作者进行了差异表达分析（图1），结果显示这种显著性差异既存在于病人与病人之间，也存在于同一病人健康的与肿瘤的类器官之间。

图1. 对7名病人的健康和结直肠肿瘤类器官个体化蛋白质组分析

DNA错配修复蛋白MSH3是DNA修复系统中的重要组成部分，对维持基因组的稳定性具有很重要的作用。MSH3在7号病人的肿瘤类器官中有明显的下调，有研究表明该基因缺失和结直肠癌有关。但是在其它6名病人中，该蛋白未发生明显变化（图2），表明MSH3表达缺失在结直肠癌中并不是普遍的，结直肠癌病人蛋白表达具有多样性。

APC基因突变会激活Wnt信号通路，这一过程被认为是结直肠癌发生的初始事件。作者检测了APC蛋白在7名病人中的分布（图2），发现有5名病人的健康类器官中存在APC蛋白，因为鉴定的肽段位于蛋白的C末端，而这个部位在癌症患者中是缺失的。这一结果又表明癌症病人蛋白表达除了多样性外，也存在着共性。

图2. 7名病人的健康和肿瘤类器官中癌症标志蛋白的差异分析

在7名CRC病人中被确定具有表达水平的蛋白有8510个，作者挑选了其中比较重要的5790个蛋白进行下一步分析，发现其中有78个蛋白在肿瘤类器官内表达上调，227个蛋白表达下调。一些已经报道和结直肠癌相关的蛋白，如PALM3等也出现在本研究中，同时鉴定等蛋白核TCGA数据库中结直肠癌的数据高度吻合，表明针对类器官的蛋白质组学研究可以为精准医疗提供新的研究思路。采用相似的方法对7名病人的转录组进行分析发现有23个转录本在肿瘤类器官内表达上调，而其中下调的转录本则有122个（图3）。然后作者分析了5320个蛋白及其对应的转录本，着重比较了在肿瘤和健康类器官中差异表达的蛋白，结果显示只有22个蛋白和转录本表现出相同的趋势，其中只有1对呈共同上调趋势，其余的21对均呈下调趋势。综上所述，作者分析了健康和类器官中的蛋白差异，尽管正常和肿瘤类器官中蛋白质组学具有明显的表达特征，但是每个病人的又具有独特的蛋白质组特征；同时仅从转录水平很难找到这些差异表达的蛋白，更加表明蛋白质组学研究癌症机理的必要性。

图3. 结直肠癌类器官转录组与蛋白质组比较分析和分级聚类

小结：

本研究利用类器官作为模型系统，结合蛋白质组学分析结直肠癌组织中蛋白质的变化，既能发现癌症中共有蛋白的变化，也能发现一些在某些病人中特异变化的蛋白，这对于患者个性化治疗无疑具有重要的指导意义。后续研究可通过调查更多的结直肠癌病例或分析抗癌药处理过后的类器官蛋白表达谱，以更好地理解结直肠癌。随着蛋白质组学的快速发展，癌症的个体化治疗将展现出光明前景。

参考文献：

1. Khalil Ettayebi, et al. (2016). Replication of human noroviruses in stem cell–derived human enteroids. Science 353(6306):1387-1393

2. Alba Cristobal, et al. (2017). Personalized proteome profiles of healthy and tumor human colon organoids reveal both individual diversity and basic features of colorectal cancer. Cell Reports 18(1):263-274.

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。

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