其他
综述 |BBA-Reviews on Cancer：蛋白质组学和代谢组学方法在成人和儿童胶质瘤诊断中的应用
编译：微科盟-胜寒，编辑：微科盟Emma、江舜尧。
微科盟原创微文，欢迎转发转载。
导读目前，临床上胶质瘤的诊断主要是使用影像学方法，在没有进行组织病理学分析之前不区分分期和亚型。另外，患者一般在发病期被诊断为神经胶质瘤。应用磁共振成像(MRI)，愈合的疤痕组织也有可能会被错误地识别为术后患者的假阳性肿瘤。多组学方法具有跟踪生理变化的能力，并可以作为一种微创方法，用于诊断无症状胶质瘤，从而进行手术前和预防性治疗。成人和儿科患者的代谢差异较大，所以需要寻找相关生物标志物进行区分。这篇综述描述了通过蛋白质组、代谢组和脂质组等组学方法确定的神经胶质瘤生物标志物，它们可以作为肿瘤分级或特定亚型的特征。
论文ID
原名：Proteomicsand metabolomics approach in adult andpediatric glioma diagnostics译名：蛋白质组学和代谢组学方法在成人和儿童胶质瘤诊断中的应用期刊：Biochimica et Biophysica Acta - Reviews on CancerIF：10.680
发表时间：2022.03通讯作者：Tomasz Pienkowski通讯作者单位：比亚威斯托克医科大学
主要内容
胶质瘤是成人和儿童最常见的原发性脑肿瘤，具有正常胶质细胞的组织学特征。成人和儿童胶质瘤在组织学上可能没有差异，但它们在生化和代谢方面存在差异。目前，胶质瘤的临床分类主要基于实体活检的组织病理学和分子特征。胶质瘤根据增殖程度分为四个等级，组织病理学检查可以发现胶质瘤中是否存在坏死。根据世界卫生组织 (WHO) 指南，I 级和 II 级被认为是低级别神经胶质瘤 (LGG)，可以根据其定位轻松切除。III 级和 IV 级被认为是高级别胶质瘤 (HGG)，该级别胶质瘤预后差，多为未分化恶性。用于神经胶质瘤诊断的成像技术是磁共振成像(MRI)或计算机断层扫描(CT)，这两种技术结合使用多种X射线，应辅以由病理学家进行的活检来确认诊断。人类肿瘤发展的主要特征是基因组不稳定，导致异常增殖、侵袭、代谢重编程、血管生成、炎症促进、免疫逃逸，并通过蛋白或代谢物的过度或过低表达避免细胞死亡。在脑肿瘤领域，通过非侵入性或微创技术获得的生物标记物可以作为预防医学的补充，也可以缩短首次非特异性症状到最终诊断之间的时间。重要的是，肿瘤异质性可能发生在患者肿瘤的不同区域，影响目前使用的基于组织分析的方法的结果。在这种情况下，一种可能的方法是使用存在于体循环和脑脊液(CSF)中的多组生物标志物。除了存在于血液、尿液、脑脊液、细胞外囊泡(EVs)或游离颗粒中的胶质瘤生物标记物外，生物标记物也可能结合在细胞表面，被认为与诊断有关，并可通过活检或循环系统中普遍存在的细胞收集。多元组学方法可能是生物标志物研究中最可靠的方法，因为它具有区分样品组成中断的多种能力。目前，大多数有关胶质瘤生物标志物的文章都集中在转录组学上。本文综述了神经胶质瘤生化通路的改变及其相互关系，有助于神经胶质瘤的特殊类型和亚型的鉴别，也可以帮助发现新的治疗靶点，为神经胶质瘤的诊断提供依据。 2.组学方法概述
2.1蛋白质组学蛋白质组学作为一个动态发展的科学领域，为蛋白质组的分析提供了几种不同的策略。在临床分析中最常用的蛋白质组学方法是自上而下的，特别是改良后的鸟枪法蛋白质组学。例如，消化从肿瘤组织或血浆样本中分离出来的蛋白质混合物，然后通过串联质谱(MS)结合色谱法确定每个肽段的氨基酸序列。与上述自上而下的蛋白质组不同的是，鸟枪法可以分析从组织或其他生物样本中获得的成千上万的释放肽序列。到目前为止，这种鸟枪法已广泛应用于临床试验，特别是在肿瘤学中。鸟枪分析被归类为一种不使用标记的定量技术，即数据依赖分析(DDA)模式下的无标记(LF)定量。在LF法中，定量数据是在MS1模式下测量给定肽的色谱峰面积，而鉴定是在MS2模式下获得的质谱基础上进行的。该方法提供了蛋白质组表达的定量数据，具有较高的识别率，类似于使用化学标记的相关方法。由于色谱和肽保留时间的变化，或由于污染物的积累，MS灵敏度的降低，在DDA模式下进行的LF方法不推荐用于大样品组的分析。因此，该方法常用于小样本临床试验。在大量样本的临床试验中，会导致数据集的不完整，特别是低表达水平的蛋白。在临床蛋白质组学中，重要的是确保最大可能的重复性测定，以及对大量样品进行精确定量为了尽量减少随机变化对所得结果的影响，可以采用多种方法来提高测定的精度。这些包括基于化学标记的方法（用于酰肼相对和绝对定量的等压标签 (iTRAQ)、串联质量标签 (TMT) 和衍生物）或通过裂解样品中的所有肽来增加蛋白质组覆盖率和测量精度的方法（数据独立分析（DIA）和对所有理论质谱（SEC-SWATH-MS）数据进行顺序窗口采集。目前，由于样品制备成本低(DIA和SWATH)或基于化学标签的测量精度提高(TMT和iTRAQ)，在临床样本(如组织或生物液体)中的蛋白质定量主要是使用上述两种技术进行的。目前，鸟枪法使用DIA的 SWATH-MS。SWATH-MS 基于使用隔离窗口的方法循环采集母离子，该隔离窗口涵盖了质谱库中分析的整个质量范围。 SWATH-MS 结合了目标方法的高重现性和灵敏度的优势，例如选择反应监测 (SRM) 或多反应监测 (MRM)，并增加了蛋白质组鉴定的覆盖范围，这是 DDA 的典型特征。 SWATH-MS 用途广泛，在个性化肿瘤学中具有多种应用，包括定量蛋白质测定。此外，SRM 或 MRM 等方法也广泛用于临床试验，例如跟踪患者治疗的有效性，尤其是对化疗后患者情况的追踪。另一种提高大规模蛋白质表达测量精度的方法涉及使用基于化合物标记的标记，这些化合物标记有稳定同位素(碳-13 (C13)，氘(H2)，氮-15 (N15))。含有C13标记氨基酸的蛋白提取物广泛用于细胞培养的基础研究或(不太常见的)实验室动物研究。然而，在临床试验中，由于其成本高所以不常被使用。等压标记(如TMT、iTRAQ)和串联碘乙酰标记(iodoTMT)显著提高了基于化学标记的蛋白质组学定量的精度。它们能使消化后的蛋白质混合物中肽分子(肽的N端和赖氨酸的侧链)中的伯胺发生化学修饰。由于碎片化而释放的每个报告离子的强度与混合物中给定样品中肽的比例成正比。这就可以精确地确定单个样品之间的定量关系。然而，使用TMT或iTRAQ并不是检测单个肿瘤或血浆样本蛋白谱差异的最佳方法，因为多路复用方法也在背景水平标记低信号肽。最佳方法的使用是一个关键方面，不仅用于寻找潜在的生物标志物，而且用于识别癌症患者中发生的生化或生物失调。 2.2 代谢组学与蛋白质组学一样，代谢组学的研究旨在识别和量化（或半量化）测试样品中存在的小分子代谢物。两种分析技术在代谢组学研究中占主导地位：核磁共振 (NMR) 光谱或 MS与各种分离方法相结合，例如液相色谱 (LC)、气相色谱 (GC) 或毛细管电泳 (CE)。这些分析平台的结合对于高代谢组覆盖率是必要的，因为它们能够检测、表征和定量不同类别的低分子量代谢物。核磁共振可以特异的识别和量化范围广泛的有机化合物，但仅限于在微摩尔范围或更高的代谢物浓度。相比之下，LC-MS更适合分析不稳定和非挥发性、非极性(反相色谱法)和极性(正常相色谱法)化合物在整个生物浓度范围内的天然形式。GC- MS可用于几种化合物的分析，包括有机酸、大多数氨基酸、糖、糖醇、芳香胺和脂肪酸。与其他基于 MS 的技术相比，使用 GC-MS 分析代谢组需要事先对分析的化合物进行化学衍生化，以改善色谱分离和使用电子源在气相中电离的可能性（EI ) 或化学 (CI) 电离。这样就可以将GC-MS分析的代谢物限制为具有适当官能团以形成适当衍生物的代谢物。CE-MS 是研究极性和离子代谢物的绝佳工具，包括无机离子、有机酸、氨基酸、维生素、硫醇、碳水化合物、肽、核苷酸和核苷。考虑到使用单一分析技术来测量代谢物，LC-MS 提供了最高的代谢组覆盖率（鉴定、定性分析）、出色的灵敏度和动态范围。因此，尽管NMR对代谢组的研究做出了巨大贡献，但MS，尤其是 LC-MS，具有更高的灵敏度，能够快速分离和识别复杂混合物中的单个代谢物。它是目前具有高通量临床样品的精确代谢组学的最佳工具。此外，LC-MS系统允许检测一个系列中的数千个特征，并且当有针对性地使用时，它可以成功地用于大规模临床试验。无论使用何种分离和鉴定技术，都可以通过多种方法测量代谢物，例如代谢物分析或给定代谢物的靶向测定分析。代谢分析旨在以类似于第2.1节中提到的鸟枪法的方式检测和半定量测定生物样品中存在的代谢物。鉴于其临床应用，这种方法通常用于以生物标志物为导向的研究以及旨在评估治疗效果的相关研究。然而，基于MS 的研究只能分析有限数量的样本，其原因是此类研究的半定量性质。考虑到旨在将代谢物数据用于诊断目的的临床应用，该信息应量化以代谢物浓度而不是仪器信号或相对值的形式呈现。另一方面，靶向代谢组学允许对大多数代谢物类别中的小分子进行定量测量，理想情况下是以氘或稳定碳同位素标记的化合物的形式。靶向的另一个优点是可以针对要测量的特定类别的代谢物进行定制的治疗方案。通过这种方式，可以应用更具选择性的分析方案，从而更有效地提取和消除可能干扰离子源的分子，进而提高检测的效率。由于脂质构成所有代谢物的三分之一，作为代谢组学分支的脂质组学已经越来越受关注。近年来，脂质在结直肠癌、急性髓系白血病和肝细胞癌中的作用得到了综述。 3.神经胶质瘤中的蛋白质组学
目前，除了神经胶质瘤外，已有几种蛋白质生物标记物被用来辅助诊断其他肿瘤。然而，其中一些在脑肿瘤诊断中可能是低特异性的，并可能在其他稳态破坏中观察到，如血管内皮生长因子(VEGF)。肿瘤进展与VEGF升高相关，而VEGF升高又与胶质母细胞瘤(GBM)中细胞因子信号抑制因子3 (SOCS3)表达增加有关(图1)。SOCS3在GBM新生血管形成中的潜在作用可能是由于Von Hippel Lindau肿瘤抑制因子的蛋白水平与cullin5呈负相关。此外，在预后较差的GBM中常观察到新生血管形成。因此，这种相关性可能有助于发现基于血管生成抑制剂的治疗手段。另一种潜在的生物标志物，已经在其他肿瘤中得到证实，例如乳酸脱氢酶A (LDHA)，其能够增加恶性细胞中的乳酸生成和葡萄糖摄取。一项研究发现U87和U251细胞系中LDHA的敲除导致VEGF表达的下调，与LGG和正常脑细胞相比，HGG中LDHA的表达水平明显升高。因此，LDHA、SOCS3和VEGF的表达水平可能有助于预测胶质瘤的分化 (图1)。然而，胶质瘤中最常见的过表达蛋白是表皮生长因子受体 (EGFR)。EGFR 是一种跨膜糖蛋白，当受到刺激时会导致 PI3K 信号传导以及细胞内 MAPK 通路、src 激酶和 STAT 转录因子的激活（图 1），从而影响细胞增殖。EGFR变体 III (EGFRvIII) 被认为是一种特定的GBM 突变，它通过分泌白细胞介素 6 等旁分泌机制促进 HGG 生长，白细胞介素6可激活促进肿瘤发展的信号通路（图1）。此外，研究报道EGFRvIII与白细胞介素13受体α2（IL-13Ra2）相关，患者生存结果与IL-13Ra2表达显着相关（图1）。共表达 EGFRvIII IL-13Ra2 的细胞似乎表现出更高的生长速率，而迁移潜力没有改变。另一个过表达特异性生长因子受体是血小板源性生长因子受体α (PDGFRA)，其刺激可能导致细胞生长失控(图1)。尽管PDGFRA存在于星形细胞瘤和胶质母细胞瘤中，但它被认为主要是神经前神经胶质母细胞瘤亚型的预后生物标志物。最近，cofilin-1 (COF1)和磷酸甘油酸激酶1 (PGK1)蛋白与放射耐药弥漫性星形细胞瘤的不良预后相关(图1)。此外，PGK1上调与糖代谢增加相关，影响肿瘤进展，而COF1参与细胞形态和运动的调节。然而，这两种肿瘤在其他肿瘤中都有报道，这使得它们只能应用于放射敏感性预后生物标志物。在寻找蛋白质和代谢物之间的相关性时，相关研究人员发现了Philips等人的一篇历史性论文，该论文将PDGFRA的恶性改变与异柠檬酸脱氢酶1 (IDH1)突变联系起来(图1)。同一项研究也否定了PDGFRA与 EGFR的共扩增有关的论点。随后得出结论，功能获得性IDH突变诱导 PDGFRA 表达改善了胶质瘤的适应性，这似乎与较差的生存率一致。此外，O6-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶 (MGMT) 也被认为是继发性 GBM 的预测反应生物标志物。MGMT在GBM中的作用是基于烷基化化疗引起的DNA损伤的修复。研究报道，未甲基化MGMT (uMGMT)肿瘤在进展过程中失去PDGFRA扩增，而甲基化MGMT (mMGMT)导致PDGFR扩增，这似乎增加了肿瘤对化疗的易感程度(图1)。mMGMT患者中TNF-NFkB通路上调显示MGMT上调和化疗耐药性增加。相反，在uMGMT肿瘤中上调INF-a通路可增加化疗的敏感性。此外，GBM中的大多数IDH突变体都有MGMT启动子甲基化。此外，野生型IDH和uMGMT患者化疗反应弱，生存率低。如上所述，一些蛋白质可能有助于作为放射敏感性预后的生物标志物。其中基质金属蛋白酶(MMP)，特别是MMP-2和MMP-9，在复发性胶质瘤中的表达显著高于原发性胶质瘤，被认为与血管生成、神经退行性变、血脑屏障降解和蛋白分解控制有关。MMP-2在大直径、高恶性胶质瘤中高表达，而在小直径、低恶性胶质瘤中表达较低。因此，两种MMPs共同表达提示胶质瘤复发预后不良。此外，肿瘤复发时，存在于恶性细胞中并中和MMP-2和MMP-9的组织抑制金属蛋白酶1 (TIMP-1)和TIMP-2减少(图1)。研究表明，组织辐照可导致MMP-9在体外和体内的表达增加，刺激胶质瘤细胞的侵袭。值得注意的是，MMP-2与VEGF呈正相关，VEGF通过多种信号转导途径促进血管生成。此外，研究人员提出了第三种生存标志物MMP-26，推测其在高级别星形细胞瘤中表达并参与肿瘤侵袭和转移，并且能够提示预后不良。另一项研究表明，胶质纤维酸性蛋白 (GFAP)可能是 GBM 诊断、分级和肿瘤类型分化的标志物。GFAP 是一种仅限于星形胶质细胞的细胞特异性标志物，负责细胞的结构维持，其失调可能表明大脑环境发生了变化（图1）。然而，GFAP 过度表达在脑损伤或手术后很常见。此外，在最近的研究中发现GFAP失调在胶质瘤中较为常见。另外一项研究表明HGG等级中的GFAP-δ同种型过表达可能是可靠的诊断标志物。此外，许多初始诊断途径在大脑外伤期间被激活，仅考虑 GFAP 丰度测量时可能会出现假阳性 GBM 诊断。然而，GFAP 或 GFAP-δ 异构体丰度不能被视为单一的生物标志物，尽管在研究中取得了看似有希望的结果，但它可能无法满足其在临床应用中的预期。此外，YKL-40 糖蛋白（IL-13Ra2的配体）的表达水平在 HGG 细胞中升高（图1）。目前，我们推测它对肿瘤发生的影响，因为它在刺激血管生成、细胞凋亡逃避和细胞增殖中发挥作用。然而，与 GFAP 相似，YKL-40 升高的水平可能与神经胶质瘤的表现无关，并且在许多病理状况中也有发现，包括炎症性疾病，例如阿尔茨海默病的神经炎症。然而，这两种生物标志物可能不足以确诊胶质瘤。另一方面，星形细胞瘤产生的异位 Fethuin A 最初在肝脏中合成，似乎负责通过激活的 EV 发出肿瘤生长、运动和侵袭信号（图 1）。肝脏和星形胶质细胞都合成 Fethuin A，内吞后通过唾液酸残基与组蛋白结合。同一项研究还通过参考历史数据推测，具有正常血清 Fethuin-A 水平的 GBM 患者显示出延长的生存期。GMB可分为原神经型（PN）、神经型、间充质型（MES）和经典型。然而，我们将分别关注最普遍的PN和 MES，分别是 GBM 最少和最具侵袭性的亚型。此外，同一肿瘤中存在不同的共存亚型。在化疗或放疗后，GBM有可能从 PN 转变为 MES 亚型。在上皮间质转化期间，在癌症中观察到类似的分子转化，这增强了癌细胞的侵袭性并导致不利的预后。
目前对胶质瘤发生的小分子理解主要是基于肿瘤细胞中的多种生化途径改变。蛋白质表达的改变由箭头（在带有蛋白质名称的框中）表示，向上表示过度表达，向下表示表达不足的蛋白质。带箭头的红色框表示蛋白质改变对神经胶质瘤细胞的影响。头朝上的箭头代表结果的增加。头朝下的箭头表示结果的减弱。从改变的蛋白质到红框的箭头或平头代表直接影响，而连接线代表由于蛋白质的协同作用而对结果的间接或放大影响。COF-1 - Cofilin-1；EGFRvIII - 表皮生长因子受体变体 III； FMNL1 - Formin 样蛋白 1；GSH - 谷胱甘肽；GFAP - 胶质纤维酸性蛋白；LDHA - 乳酸脱氢酶 A；IL-13Ra2 - 白细胞介素 13 受体 α 2；mMGMT - 甲基化 MGMT、MMP - 基质金属蛋白酶；PDGFRA - 血小板衍生生长因子α受体；PGK1 - 磷酸糖激酶1；RBPJ -免疫球蛋白 kappa J 区的重组信号结合蛋白； IDH - 异柠檬酸脱氢酶；uMGMT -未甲基化 MGMT，TIMP -组织抑制剂金属蛋白酶。 PN到MES 转换 (PMT) 期间的蛋白质组变化是胶质瘤侵袭性和预后不良的标志。已知病理变化生物标志物的表达差异可能表明在常规医学检查过程中发生了转变。与 PN 相比，YKL40 在 MES 中的表达增加。此外，骨膜素被鉴定为 MES 亚型生物标志物，在PN中表达没有升高。然而，这些数据是通过在线可用的胶质瘤数据库获得的，其与胶质瘤患者血清的相关性仍在研究中。骨膜素与 MMP-9的直接相互作用以及其与胶质瘤细胞的间接作用能够促进HIF-1α 表达，这有助于胶质瘤侵袭表型。Formin 样蛋白1（FMNL1）是丝状肌动蛋白网络组装的介质，被提议作为 GBM 预后不良的独立预测因子，MES亚型的上调支持细胞迁移和侵袭。与这些发现相反，另外一项研究表明 p110α 的表达在 PN 亚型中最高。 p110α 丰度增加表明 PI3K/AKT 通路上调，这是 GBM 中 PDGFRA 信号传导的关键介质。研究指出Notch信号通路中至关重要的重组信号结合蛋白(RBPJ)可能作为PMT发生的生物标志物，提示RBJP过表达通过激活IL-6-STAT3通路促进细胞增殖和侵袭，也导致PMT。此外，RBPJ水平在胶质瘤干细胞中高于分化的GBM细胞，而在WHO II级和III级中未观察到或较低。在GBM的同一亚型中可以观察到相同蛋白质的不同水平。PATZ1蛋白表达改变可将PN亚型患者分为总体生存期和无进展生存期不同的两组。低水平的PATZ1蛋白似乎与不良的结果相关。虽然神经胶质瘤蛋白组学生物标志物目前被广泛研究，但与其他肿瘤生物标志物相比，还缺乏可被认为与神经胶质瘤相关的特异性蛋白。因此，多组学研究可以将目前已知的蛋白质生物标志物与可能共存的代谢或脂类生物标志物联系起来。 4.神经胶质瘤中的代谢组学
细胞通过脂质合成来维持细胞结构和通过第二信使分子进行信号转导。生物膜的主要结构成分包括可以调节其流动性、组成和依赖膜的细胞功能的不同类型的脂类。此外，脂质通过结构功能调控，或独立作用，或与蛋白质结合，影响分子信号传导。肿瘤细胞通过代谢途径的重编程，加速了细胞的增殖速度，这可能与脂质合成和信号通路的改变有关，特别是在脂质含量丰富的胶质瘤中，由于其定位于脑组织。最常见的代谢改变是Warburg效应，该过程中受影响的细胞表现出对葡萄糖的摄取和利用的提高，以进行糖酵解。此外，最近的研究表明，有氧糖酵解是细胞代谢的核心途径，为癌细胞提供能量，并对调节大分子如脂质、碳水化合物、核酸或蛋白质等负责细胞增殖是必需的。脂质代谢与糖代谢类似，受常见致瘤信号通路的调控，被认为在肿瘤的起始和进展中起重要作用。最近的代谢组学研究表明，代谢中存在疾病特异性改变，这可能使我们能够简化和验证诊断过程，而无需进行不必要的手术。体液中改变的低分子量代谢物组成可能是特异性的或至少与一组疾病相关，并且可以作为组织、血浆、血清或尿液中的生物标志物。一项研究提出从血浆中获得的代谢物可用于神经胶质瘤的分子分类。他们确定了 10 个最有希望的代谢生物标志物——尿苷、尿嘧啶、精氨酸、胍丁胺、鸟氨酸、生物素、乳酸、半胱胺、葡糖胺和草酸（图 2）。一项研究报道了基于血浆中存在的代谢物进而预测 GBM的可能性。与健康细胞相比，在癌细胞中观察到糖酵解增加，并且三羧酸 (TCA) 循环（生物体中的主要代谢途径之一）发生了改变（图 2）。因此，相关经典代谢途径可能会发生改变，例如在胶质瘤中得到充分研究的糖酵解和TCA循环。IDH1 突变在胶质瘤中很常见，并且发生在超过 70% 的 LGG 和继发性 GBM。目前，另外两种已知的同工型 IDH2 和 IDH3 存在于线粒体中，而 IDH1 存在于胞质溶胶和过氧化物酶体中。 Wt-IDH 负责催化异柠檬酸氧化脱羧为 α-酮戊二酸 (2-KG)（图 2），同时产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADPH)。突变体IDH催化 2-KG 还原为 2-氢化戊二酸 (2-HG)，其积累抑制依赖 2-KG 的酶的功能，从而影响组蛋白和 DNA 高甲基化。此外，已知突变 IDH 通过 2-HG 结合 2-KG 依赖性双加氧酶抑制 wt-IDH 的活性，导致缺氧诱导因子 1-a (HIF-1a) 的表达升高，从而导致肿瘤形成（图2）。除了 2-HG 的存在，代谢酶中的两个体细胞突变，琥珀酸脱氢酶 (SDH) 和延胡索酸水合酶 (FH)，已被发现与代谢重编程与肿瘤发生相关（图 2）。先前的研究报道了 N-乙酰腐胺和蛋氨酸血浆水平差异作为胶质瘤患者 IDH 突变存在的鉴别因素。 wt-IDH 患者的血浆 N-乙酰腐胺丰度较低，而突变型 IDH 患者的血浆 N-乙酰腐胺丰度较高（图 2）。与健康脑组织相比，IDH 突变和 1p/19q 共缺失的神经胶质瘤体内胱硫醚水平升高。然而，组织中胱硫醚的积累与胶质瘤分级无关。在人类乳腺癌组织中检测到胱硫醚的水平升高。除蛋氨酸外，与正常星形胶质细胞相比，神经胶质瘤细胞中的色氨酸代谢也发生异常。色氨酸水平升高与免疫逃避和促进肿瘤形成相关。然而，甲硫氨酸和色氨酸并不是人体内唯一在神经胶质瘤中发生改变的氨基酸。牛磺酸氧化产物亚牛磺酸与胶质瘤的发生、发展及恶性程度呈正相关。此外，亚牛磺酸可以激活抑制脯氨酸羟化酶2，抑制 HIF-1α 降解，导致癌基因激活（图 2）。然而，也有研究表明丙酮酸、葡萄糖和乳酸水平在神经胶质瘤之间没有差异。N-乙酰天冬氨酸 (NAA)是脑组织中第二丰富的分子，在神经元线粒体中合成，被认为是神经元健康的标志。据推测，NAA 作为乙酰基储存分子，当葡萄糖过量最少时合成（图 2）。此外，储存的醋酸盐可以在神经系统的细胞类型之间运输，并用于星形胶质细胞和神经元的 TCA 循。NAA 在人和小鼠模型异种移植 GBM 区域中显着降低。然而， NAA 丰度降低是估计脑损伤后组织损伤的非侵入性标志物。因此，NAA 丰度的紊乱可能被认为是指示胶质瘤发生的众多标志之一，但不是区分标志。此外，胶质瘤中的 NAA 改变可能与预期的 N-乙酰天冬氨酰-谷氨酸 (NAAG) 水平降低相关。NAAG 是一种从突触小泡释放的二肽，作为与其他几种神经递质（如 l-谷氨酸）一起作用的协同递质（图 3）。在 IDH1 和 IDH2 突变体中分别检测到 NAAG 水平下降 50倍和8.3倍。GBM 中较高水平的苯丙氨酸和甘露醇可以将其与少突胶质细胞瘤区分开来，少突胶质细胞瘤中的肌酸、2-羟基戊二酸、4-氨基丁酸 (GABA)、核糖醇、肌醇、甘油-2-磷酸和组织中的 3-磷酸甘油等水平升高（图2）。检测到少突胶质细胞瘤中赖氨酸和2-氧代异己酸的血清水平升高，GBM 中半胱氨酸水平升高。此外，甘露醇浓度随肿瘤分级而增加。然而，这与先前关于 GABA 水平的研究并不一致，这项研究发现 GBM 中的 GABA 水平高于健康脑组织中的 GABA。低水平的肌醇（一种可能有助于肿瘤增殖和存活的 C 激酶蛋白的激活剂）可能与胶质瘤表型的更高侵袭性相关，并且它将 GBM 与星形细胞瘤 II 级和 III 级区分开来。然而， GBM 和星形细胞瘤 III 级中的肌醇水平可能相似，但可用于将其与星形细胞瘤 II 级区分开来。GABA 在胶质瘤中的作用更为复杂。它是一种主要的抑制性神经递质，在星形胶质细胞中代谢并通过为谷氨酰胺-谷氨酸/GABA 循环中谷氨酰胺的合成提供碳源来调节神经元活性（图 3）。 GABA 和谷氨酸都来源于 TCA 循环中间体 2-KG（图2）。IDH1突变导致 2-KG 转化为 2-HG，同时氧化 NADPH 和 NADP+，而 wt-IDH1 将异柠檬酸催化为 2-KG（图 2）。这种改变对胶质瘤中的 GABA 浓度产生不利影响。此外，IDH1 的突变会导致 NADPH 合成受损，影响需要 NADPH 作为还原谷胱甘肽二硫化物的辅助因子的 GSH 合成。此外，兴奋性谷氨酸能信号传导和 GABA 信号传导障碍的增加与癫痫病灶的发展相关，该病灶也参与刺激神经胶质瘤的生长，然后刺激癫痫发作。癫痫发作发生在 50%–60% 的 HGG 患者和高达 90%的 LGG 患者中。此外，IDH1 的突变导致异柠檬酸盐转化为D-2-HG 而不是 2-KG，最终在细胞积累充当谷氨酸的拮抗受体。然而，额外的胱氨酸-谷氨酸转运体系统损伤会增加细胞外谷氨酸的丰度，导致肿瘤预后更差并刺激癫痫发作。最近的两项荟萃分析确定 IDH1 突变与 LGG 中较高的术前癫痫发作风险相关。与癫痫发作频率较高的少突胶质细胞瘤相比，1p19q 缺失与 LGG 癫痫发作风险的相关性似乎并不显着。然而，导致恶性细胞增殖或侵袭的葡萄糖和乙酸代谢改变不仅受神经胶质瘤的影响。在小鼠的人类 GBM 异种移植物中，与周围的健康组织相比，增加的谷氨酸作为氨基酸和核苷酸生物合成的氮和碳的丰富来源。在健康的神经元中，谷氨酰胺被代谢为谷氨酸，这是谷氨酸-谷氨酰胺循环的一部分。 GBM 细胞通过升高的谷氨酰胺合成酶水平上调谷氨酸向谷氨酰胺的转化。半胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白xCT在胶质瘤细胞中对谷氨酸产生很重要，另外，半胱氨酸的摄取能够通过合成谷胱甘肽来抵抗细胞的氧化还原应激反应。虽然一些研究表明，细胞内谷氨酰胺支持原发性胶质瘤细胞的氧化代谢，但其他研究表明，人源性 GBM 小鼠异种移植物和人源性 GBM 原位源性细胞系更倾向于葡萄糖作为 TCA 循环的底物。然而，研究表明，癌细胞对谷氨酰胺和谷氨酸的高摄取取决于细胞外谷氨酰胺水平。与最近的研究一致，GBM 局部微环境中谷氨酰胺与的谷氨酸水平的增加相关。对来自胶质瘤患者的血浆样本进行代谢组学分析，发现五种代谢物，精氨酸、尿嘧啶、乳酸、半胱胺和鸟氨酸的水平在 LGG 和 HGG 患者之间存在显着差异。此外，与 LGG 相比，HGG 中的尿苷血浆水平变化最大且显着高于 LGG，而精氨酸显示相反的趋势。该研究还表明，尿苷和鸟氨酸丰度可能区分 GBM 患者和恶性胶质瘤患者。这些发现表明与氨基酸、核苷酸和碳水化合物代谢相关的途径发生了重大变化。最近的一项研究基于筛选肿瘤周围组织和 IDH 突变 GBM 的代谢差异，表明嘌呤和嘧啶水平升高可能与 IDH 突变 GBM 生物标志物有关。尿苷、尿苷一磷酸 (UMP) 和尿苷二磷酸 (UDP) 似乎在肿瘤区域升高（图 2），这与先前对来自具有较高水平的 GBM 和 HGG 患者血浆代谢分析的研究一致。此外，ADP 和 AMP 以及UDP和 UMP 的情况相似（图2），GBM 组织中 AMP 和 ADP 显着升高，三磷酸腺苷（ATP）水平降低，二磷酸腺苷 (ADP) 在各种神经胶质瘤中水解（图 2）。另一项研究表明，细胞外腺苷在缺氧肿瘤中积聚并充当免疫抑制因子。然而，缺乏对胶质瘤体液中嘌呤和嘧啶代谢物的研究，因此很难获得有关该方向的更多信息。与其他组织相比，脑组织具有较高的 ROS 产生率以及较低的清除能力，这可能通过DNA损伤加剧肿瘤发生，导致基因组不稳定。抗坏血酸是肿瘤增殖和血管生成的重要因素，胶质瘤患者的存活率降低与膳食抗坏血酸的摄取增加相关。牛磺酸浓度在神经胶质瘤和瘤周组织区域增加，表明细胞外和细胞内牛磺酸水平的增加与细胞增殖之间存在相关性。与牛磺酸和抗坏血酸类似，在 GBM 中也观察到谷胱甘肽（GSH）水平升高。GSH与抗坏血酸、牛磺酸一样，是人体内含量非常丰富的抗氧化剂，参与白三烯和前列腺素的生物合成，并在半胱氨酸的储存中发挥作用。在肿瘤中，高丰度的 GSH 主要与肿瘤发生、增加对治疗的抵抗力以及保护细胞免受自由基损伤有关。另一项研究筛选了诊断前的血清样本，以确定生育酚与 GBM 风险之间的关联。结果表明，α/γ-生育酚水平升高以及黄嘌呤水平降低可能与 GBM 的起始有关。此外，与非恶性组织相比，在非小细胞肺癌中观察到 α/γ-生育酚水平升高。在某些情况下检测到黄嘌呤水平降低和次黄嘌呤水平升高，表明嘌呤代谢失调和黄嘌呤氧化还原酶催化。此外，据报道，黄嘌呤氧化酶（一种催化次黄嘌呤氧化成黄嘌呤的酶）在肿瘤脑组织中升高。 5.脂质组学在胶质瘤研究中的应用
除了蛋白质组和代谢组的改变外，癌症的发展还受到脂肪酸(FA)合成、摄取和储存之间平衡变化的调控。FAs在癌症发生中是必不可少的，因为它们在肿瘤细胞加速增殖期间维持膜生物合成的作用，它们在代谢应激条件下提供重要的能量来源，并且是核心分子通路中的第二信使，因此，恶性转化改变了肿瘤细胞发育的生物合成和生物能量需求(图2)。此外，肿瘤组织中脂滴的积累可作为肿瘤的生物标志物。
由于参与克雷布斯循环，多种代谢改变相互关联。蛋白质表达的改变由箭头（在带有蛋白质名称的框中）表示，向上表示过度表达，向下表示表达不足的蛋白质。带箭头的红色框代表改变的蛋白质对神经胶质瘤细胞的影响。头朝上的箭头代表结果的增加。头朝下的箭头表示结果的减弱。从改变的蛋白质到红框的箭头或平头代表直接影响，而连接线代表由于蛋白质的协同作用而对结果的间接或影响。ADP—二磷酸腺苷、AMP—一磷酸腺苷、ATP—三磷酸腺苷、GABA—氨基丁酸、GS—谷氨酰胺合成酶、 IDH—异柠檬酸脱氢酶，LDH— 乳酸脱氢酶，NAA—N-乙酰天冬氨酸、NAAG —N-乙酰天冬氨酰-谷氨酸、 FA—脂肪酸，2-KG—α-酮戊二酸、2-HG— 2-氢戊二酸、UDP —二磷酸尿苷、UMP —一磷酸尿苷。
通路改变可能导致神经胶质瘤发展并被视为小分子生物标志物。箭头代表下游路径。每种化合物都由一个彩色圆点表示（红色 - NAA；黄色 - NAAG；绿色 - 葡萄糖；淡蓝色 - 谷氨酸；蓝色 - GABA；粉红色 - Na+ 离子）。 GABA，氨基丁酸； GAT，γ-氨基丁酸转运蛋白； GCPII，谷氨酸羧肽酶 II； NAA，N-乙酰天冬氨酸； NAAG，N-乙酰天冬氨酰-谷氨酸。 细胞通过两种主要来源获得 FA，外源性饮食和从头内源性合成。增殖性胚胎发生细胞主要依赖于 FAs 的从头合成，而大多数分化细胞更喜欢外源性膳食 FAs。对 FA 从头合成的类似偏好表现在癌细胞中，例如，乳腺癌细胞内源性合成 95% 的 FA。内源性合成的 FA 被酯化为磷脂，磷脂被认为是信号转导、极化、细胞内运输和癌细胞迁移所需的细胞膜的基本结构脂质。此外，脂质分子，如磷脂酸、溶血磷脂酸和二酰基甘油，也可以介导癌细胞中的信号转导。因此，癌细胞似乎高度依赖脂质的从头内源性合成来生存和增殖。此外，参与 FA 合成的酶，如 ATP 柠檬酸裂解酶 (ACL)、乙酰辅酶 A 羧化酶 (ACC) 和 FA 合酶 (FASN) 在癌细胞中上调。 ACL 负责将胞质柠檬酸转化为乙酰辅酶A 和草酰乙酸。然后 ACC 将乙酰辅酶 A 羧酸化为丙二酰辅酶 A，这是 FA 合成的核心中间体，FASN 将其转化为长链 FA。FASN的表达和活性增加是肺癌发展和进展的常见早期症状，并且与黑色素瘤的预后有关。目前，很少有实验研究表明上调的 FA 合成与 FA 转化为癌细胞中的磷脂之间存在直接联系。据报道，GBM 患者的低 3-磷酸甘油脱氢酶 1 (GDP1) 表达与更好的生存预后之间存在相关性。通过对小鼠神经干细胞 (NSCs) 和脑肿瘤干细胞 (BTSCs) 的核糖体分析分析，发现 BTSCs 中 GDP1 过表达。在人类 GBM中观察到类似的 GPD1 高表达，这也与较差的预后相关。GDP1 过表达并非GBM独有，已在多种癌症类型中被观察到。在具有IDH1/2突变的人脑胶质瘤中，通过代谢组学和脂质组学LC - MS分析发现，胶质瘤组织中甘油-3-磷酸(一种氨基酸和脂质合成前体)水平显著升高。然而，在胶质瘤组织中甘油、肌醇磷酸或其他总FAs和总磷脂酰脂显著减少。通路分析表明，在IDH1突变的胶质瘤组织中，TCA循环(乙酰辅酶a长链合酶ACSL1、ACSL4和酰基辅酶a合酶VL3减少)、糖酵解和糖异生、氨基酸代谢、脂质代谢以及泛酸和辅酶a生物合成发生了严重破坏(图3)。虽然2-HG是代谢升高最多的代谢物，但在IDH1突变体中检测到的甘油三酯均显著降低。根据GBM细胞株分析，获得了500种重要的脂类，它们分别属于糖鞘磷脂类、甘油磷酸乙醇胺类、甘油三糖基类、甘油胆碱类和甘油磷酸丝氨酸类。此外，数据显示，与对照组相比，90%的显著改变的脂质减少，而在癌症组织的脂质组学研究中，大多数研究报道了胶质瘤中FAs合成增加。本研究进一步表明，除厌氧糖酵解产生的葡萄糖外，脂质水平的降低可能与GBM依赖FA作为能量来源有关。其他研究表明，在侵袭性癌症中，脂解酶单酰基甘油脂肪酶上调，这可能有助于FAs在肿瘤环境中作为能量来源的使用。 6.小儿神经胶质瘤生物标志物
尽管大多数儿科 LGG (pLGG) 发生较少，但最常见的类型是毛细胞型星形细胞瘤 (PA)，可以在中枢神经系统 (CNS) 的不同部位被发现。研究通过Sanger 测序和逆转录酶聚合酶链反应，在 276 名患有 PA 的儿科患者中分别检测到 41.1% 和 8.9% 的致癌改变。此外，这些突变的发生与年龄、位置和性别相关联。然而，只有与儿科年龄组和小脑位置相关的 KIAA1549-BRAF 融合基因具有统计学意义。在一项长期随访的临床和遗传机构联合研究中，510 名 pLGG 患者中有 17% 检测到 BRAF V600E 突变。与 wt-BRAF 患者相比，BRAF V600E 突变患者对治疗的反应较差。因此， BRAF V600E 突变和 KIAA1549 BRAF 融合基因可以指导医生选择有效的治疗方法。BRAF突变并非PA 独有，并且已在神经节胶质瘤、弥漫性星形细胞瘤和其他低级别星形细胞瘤中检测到。然而，最具侵袭性和快速生长的儿童胶质瘤属于HGG (pHGG)，其预后较差。与其他恶性肿瘤相比，pHGG的常见改变是组蛋白畸变。近年来，儿童研究主要关注组蛋白变异H3.1、H3.2和H3.3(图4)。组蛋白变异H3.1 (H3F3A)和H3.3 (HIST1H3B或HIST1H3C)可在大约80%的弥漫性内源性脑桥胶质瘤中检测到，而H3.2较少见。这些改变是由于组蛋白尾部27号位点(K27M)的赖氨酸向蛋氨酸的改变，通过干扰H3的翻译后修饰导致肿瘤发生。此外，ATRX与IDH1、TP53和死亡结构域相关蛋白(DAXX)的突变呈正相关(图4)。研究人员对患有不同脑肿瘤的儿童患者的脑脊液进行了蛋白质组学分析，确定了6种神经胶质瘤生物标志物。其中，TAF15和S100B可将肿瘤与对照组(出血性疾病)区分开来。 TAF15蛋白或TATA结合蛋白相关因子2 N属于调节寿命和神经元完整性的FET蛋白，由于形成致癌融合而被认为是原致癌蛋白。然而，TAF15的改变并不只出现在胶质瘤甚至脑肿瘤中，在肺癌和结直肠癌中也有过表达。此外，S100B水平升高被认为是CNS感染和其他脑相关病理(如血脑屏障破坏或创伤性损伤)的生物标志物。血清S100B水平可被视为成年胶质瘤复发患者的生存预后标志物，但在初始诊断时并非如此。目前，尚无证据表明该生物标志物在儿童脑肿瘤中具有特异性。总之，这两种标记物可能适用于已经确诊的神经胶质瘤的治疗监测，但不适用于初始诊断。其他研究发现上调的生物标志物TMSB4和CD109，能够区分LGG、神经胶质瘤和PA。TMSB4蛋白负责正调控ATP生物合成和抑制肌动蛋白聚合，这可能是致瘤性和促进迁移(图4)。此外，TMSB4在非小细胞肺癌肿瘤中存在，提示其对胶质瘤无特异性。另一方面，CD109是内皮细胞和T细胞表达的细胞表面抗原，被认为是血管周围肿瘤胶质瘤细胞的标志，可以促进肿瘤进展。CD109在GBM细胞系(图4)和干细胞中也被观察到上调。此外，胚胎起源的髓母细胞瘤(MB)与其他肿瘤区分开来的鉴别性生物标志物为14.3.3 (ywh - z,G,E)和HSP90α。这两种生物标志物可能被认为是MB的鉴别因子，因为它们存在于儿童恶性脑肿瘤中，并且作为肿瘤存活和化疗耐药性的启动子具有致癌特性。在成人患者中发现的生物标志物可能不适用于儿科病例。目前，对同一恶性肿瘤的成人和儿童患者的生物标记物差异的研究很少。因此，获得广泛的生物标记物来区分肿瘤的存在和不存在，将有利于成人和儿科患者的诊断。一些成人LGGs可发展成HGGs，这在儿童神经胶质瘤中并不常见。此外，组蛋白突变与pHGGs相关，而PTEN缺失、IDH突变或EGFR扩增，通常在成人中观察到，但在儿童患者中很少见。因此，迫切需要研究在相同医疗条件下成人和儿童生物标志物丰度的差异。
蛋白质表达的改变由箭头（在带有蛋白质名称的框中）表示，向上表示过度表达，向下表示表达不足的蛋白质。红色框代表改变的蛋白质对神经胶质瘤细胞的影响。头朝上的箭头代表结果的增加。从改变的蛋白质到红框的箭头表示直接影响，而连接线表示由于蛋白质的协同作用而对结果的间接或放大影响。 BBB - 血脑屏障，S100B - S100钙结合蛋白 B，TMSB4 -胸腺素 Beta 4，ATRX - α-地中海贫血/智力迟钝，IDH - 异柠檬酸脱氢酶。 实验和生物信息分析允许我们通过被干扰的生化和代谢途径的相互联系和相互作用来关联生物标记物(图5)。然而，在胶质瘤生物标记物方面的多组学方法的研究论文还很少。扩大我们对改变的生化和代谢途径之间相关性的认识，可能有助于未来早期癌症诊断。
红框表示疾病期间的其他结果。指向红色框的箭头表示患者体内生物标志物改变丰度的直接影响。连接线表示通过 KEGG 数据库发现的生物标志物之间的相互作用。从改变的蛋白质/代谢物框到红色框的箭头表示直接影响，而连接线表示由于蛋白质/代谢物的协同作用而对结果的间接或放大影响。2-HG–2-羟基戊二酸, 2-KG–2-酮戊二酸脱氢酶, ADP–二磷酸腺苷, ATP–三磷酸腺苷, EGFR–表皮生长因子受体, GABA–γ-氨基丁酸, GFAP–胶质纤维酸性蛋白, GSH -谷胱甘肽、IDH–异柠檬酸脱氢酶、MMP-2–基质金属蛋白酶 2、PGK2 –磷酸甘油酸激酶2。 7.结论和观点
生物标志物诊断在不确定的疾病状态下是有用的，即患者是否受到某种特定疾病的影响是不确定的，这将防止不必要的侵入性治疗。因此，阐明特定的生物标记物可以区分各种疾病亚型或手术切除肿瘤后复发的可能性，例如神经胶质瘤。不能依靠单一的生物标记来诊断每一种类型的神经胶质瘤。此外，体液中具有预测性的生物标志物可能有助于在早期肿瘤状态下建立最有效的预防治疗。研究循环生物标志物的一个方法是研究存在于许多体液中的外泌体。由于外泌体的组成，外泌体可以通过循环的蛋白酶和核酸酶阻止生物标记物的降解。诊断性生物标志物测试的局限性与它的敏感性和特异性以及所使用的方法的分析性能有关。生物标志物水平应通过精确的诊断方法进行评估，以确保可重复性。蛋白质生物标志物以及代谢和脂质生物标志物开发将有利于发现更具体和可靠的诊断方法。本文旨在通过使用多组学方法，对潜在的微创诊断方法进行整理，以提高患者的舒适度，并帮助避免不必要和昂贵的神经外科手术。因此，我们提出了在过去10年里通过侵入性或低侵入性方法获得的多个样本中发现的最有前途的生物标志物，并提出了在脑脊液和血液中使用多组学方法进行检测。此外，与特定类型或亚型胶质瘤功能相关的蛋白质组学、代谢组学和脂质组学生物标志物对于可靠的诊断方法的进一步发展至关重要。这将有助于医生选择治疗方案，并有助于研究人员根据疾病引起的干扰所影响的生化途径研究潜在的治疗方法。目前，独创路径分析(IPA)是一种基于比较分析的生物信息学工具，可以交叉引用蛋白质和代谢产物的生化路径。近距离延伸试验(PEA)最近引起了研究者对胶质瘤生物标志物蛋白质组学的兴趣。由于PEA具有较高的特异性和敏感性，可被认为是一种验证方法。PEA技术基于实时PCR，通过后续的扩展创建DNA报告序列，克服了多重免疫分析的特异性问题。蛋白质组学和代谢组学方法已被整合到结肠、结肠和卵巢癌的研究中。将这两种组学方法整合在一起，有助于识别单一方法可能遗漏的改变。此外，通过IPA整合这两种组学特征，可以为神经胶质瘤的特定类型和亚型的特征变化提供系统的视角，这可能是发现新的生物标志物和药物策略的关键方面。本文综述了多种人类生物标记物在神经胶质瘤进展、侵袭和存活方面的联系和影响，这可能有助于更准确地估计受影响患者的不良预后，或促进个性化医疗，以帮助患者选择最合适的治疗方法。未来，多组学方法将用以识别相互作用的生物标志物。此外，蛋白质组学和代谢组学共同分析产生的生物标志物可能被认为是胶质瘤的区别因素，提供了另一种使诊断更容易的方法。然而，由于缺乏材料、样本量小或仅基于胶质瘤异种移植物的整个研究，文献中提出的许多生物标志物仍然无效。因此，研究人员应该专注于验证已经获得的结果以及寻找新的生物标志物。
----------微科盟更多推荐----------
Alzheimers. Dement.(IF:21.566) |小胶质细胞和神经元细胞系中TurboID邻近标记的细胞蛋白质组学
如果需要原文pdf，请扫描文末二维码领取
请关注下方公众号
了解更多蛋白质组知识
蛋白质组仅用于学术成果分享与交流，不涉及商业利益。
也严禁他人将本公众号的内容用于商业运营。