IF16! 基于蛋白质组学发现新的IDHmut胶质瘤分类亚型

高级别成人型弥漫性胶质瘤是恶性神经上皮肿瘤，联合放化疗生存率低。目前世卫组织（WHO）的分类是基于IDH1/2（异柠檬酸脱氢酶1/2）突变和1p/19q共缺失情况。尽管胶质瘤蛋白质组学上的改变有望更好地进行患者分层和治疗靶点识别，但其特征仍然不足。

2023年1月，德国科学家对胶质瘤石蜡样本（FFPE）进行蛋白质组学检测及分子分型，并与WHO分型及基于其他组学的分子分型进行了比较。基于蛋白质组学的数据，研究者特别发现了IDH突变胶质瘤的两个独特亚群，并对这两个亚群进行了分子特征分析。研究成果以“Proteomics separates adult-type diffuse high-grade gliomas in metabolic subgroups independent of 1p/19q codeletion and across IDH mutational status”为题，发表在Cell Reports Medicine（IF:16.988 ）上。

研究结果

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蛋白质组学实验设计及基础结果分析

成人型弥漫性胶质瘤分类包括星形细胞瘤、异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变型、少突神经胶质瘤、IDH突变和1p/19q共缺失型、胶质母细胞瘤以及IDH野生型胶质瘤。研究者共收集了4个不同类型的共计42个胶质瘤脑组织FFPE样本进行基于质谱的蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学检测，分别是11个IDH野生型胶质瘤（IDHwt）样本、11个IDH突变和1p/19q共缺失型（codel）、10个IDH突变和非1p/19q缺失型（non-codel）以及10个非肿瘤的中枢神经系统组织（CNS ctrl）作为对照。

聚类分析以及PCA分析显示对照组CNS ctrl样本紧密聚集且与其他胶质瘤样本有明显区分，这表明肿瘤组织中发生了明显的蛋白质组学层面上的改变。CNS ctrl样本富集在突触和髓鞘质相关蛋白，这和CPTAC数据库胶质瘤蛋白组的结果相一致。在本次研究中，IDHwt组和CNS ctrl最不一样，也与IDHmut有差别。IDHwt蛋白质组富集了和炎症、MCM复合体DNA多聚酶、一种整合素/胶原蛋白、层粘连蛋白富集的“基质膜样”细胞外基质（ECM）的蛋白谱，缺少透明质酸。

IDHwt比IDHmut的差异蛋白与CPTAC数据库结果一致，且在很大程度上不受本次数据中1p/19q共缺失状态的影响。与IDHwt 胶质瘤更“侵袭性”的表型一致，许多IDHwt中高丰度的异常蛋白是癌症驱动因子，其中一些与侵袭有关。与IDHmut相关的异常蛋白包括IDHmut下调的肿瘤抑制蛋白。

有趣的是，在聚类分析和PCA分析的前两个主成分中，IDHmut胶质瘤并没有因为1p/19q共缺失状态的不同而分类，这表明共缺失状态对蛋白质组的影响很小。相反，IDHmut胶质瘤可分为两个不同的聚类，这两个聚类的共缺失状态和患者性别无明显差异。研究者将它们称为HGG-IDHmut-A和HGG-IDHmut-B。HGG-IDHmut-A形成了一个亚群，与其他胶质瘤相比，它更类似于CNS ctrl。HGG-IDHmut-B形成更弥散的亚群，与IDHwt胶质瘤最相关。

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HGG-IDHmut-A/B亚分层独立于表观遗传谱、CNV变化和临床特征

研究者进一步分析了HGG-IDHmut-A和HGG-IDHmut-B的表观遗传特征、拷贝数变异（CNV）改变及其他特征。分析发现A、B这两个分类在表观遗传特征、CNV改变、CDHK2A/B状态和EGFR扩增等方面上无明显差异，也和其他临床特征如WHO分级、年龄、性别、总肿瘤细胞含量及无疾病进展生存期等不相关。与1p/19q状态相一致，1p/19q共缺失的样本中有降低的来自1p/19q编码的蛋白。

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HGG-IDHmut-A/B蛋白质组学间的差异分析

（1）HGG-IDHmut-A/B间的差异反映了染色体和线粒体异常

研究者对42个样本检测的蛋白基因的染色体定位分布进行了分析，发现蛋白基因较平均地分布在整个基因组。随后研究者对每个样本中由来源自同一条染色体臂的基因编码的蛋白质进行合并（定义为染色体臂特异性蛋白质组），使用这个染色体臂特异性蛋白质组进行42个样本的聚类分析，结果与直接的蛋白质组学的聚类结果相似。HGG-IDHmut-A/B样本显示了不同的染色体臂特异性蛋白质组，HGG-IDHmut-B样本中由线粒体DNA（mtDNA）编码的蛋白表达水平更低。这个趋势在核基因组编码的线粒体呼吸链复合体蛋白中也很明显，但不是线粒体核糖体蛋白。1p/19q共缺失状态则并未表现出这些线粒体异常。

（2）HGG-IDHmut-A/B分层与肿瘤驱动基因的差异表达相关

HGG-IDHmut-A/B间还存在肿瘤驱动因子的差异改变。在HGG-IDHmut-B中最显著富集的肿瘤驱动因子是CCAR1。研究者的数据中，与CCAR1相关性最高的蛋白是剪切因子SRSF1，它的相关蛋白SRSF5通过在高葡萄糖条件下CCAR1的可变剪接促进肺癌进展。本次数据中，SRSF5是随机分布在样本中的，而SRSF1、2、3、4、6、7、10和11相对于HGG-IDHmut-A显著富集在HGG-IDHmut-B样本中。

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1p/19q共缺失状态影响肿瘤相关蛋白

HGG-IDHmut-A/B间的差异蛋白约有1900个，而1p/19q共缺失和非缺失的样本间的差异蛋白仅约100个，其中一些蛋白质被报道与多种肿瘤相关。此外，研究者还发现，在胶质瘤中1p/19编码蛋白的变化较其他常见染色体改变（gain of chr. 7 及 loss of chr. 10）引起的蛋白变化要微弱。

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HGG-IDHmut-A/B分层与不同的代谢谱相关

HGG-IDHmut-A和-B之间线粒体呼吸链蛋白丰度的差异促使研究者更详细地研究代谢改变。呼吸链复合体和三羧酸(TCA)循环蛋白在IDHwt和HGG-IDHmut-B中含量较低。有趣的是，呼吸链复合体I (在HGG-IDHmut-B表达最低)的轻度功能障碍可通过活性氧(ROS)的产生促进癌症。值得注意的是，IDH1是HGG-IDHmut-B中唯一丰度轻度升高的TCA蛋白。相反，TCA蛋白羟戊二酸德氢化酶L（OGDHL）在HGG-IDHmut-B中显著降低，这可能与其肿瘤抑制功能有关。

在糖酵解方面，HGG-IDHmut-B再次表现出与IDHwt相似的蛋白质和蛋白磷酸化特征，特别是己糖激酶1在HGG-IDHmut和IDHwt中含量较低。在多种人类癌细胞系中，下调己糖激酶1促进糖酵解，而在异种移植模型中则能增强肿瘤恶性。同样，与HGG-IDHmut-A相比，IDHwt和HGG- IDHmut-B中线粒体ATP酶抑制剂ATPIF1上S39位点的磷酸化丰度降低。研究表明，ATPIF1过表达促进结肠癌中从氧化磷酸化到糖酵解的代谢转变，而ATPIF1活性可被S39磷酸化抑制。

因此，HGG-IDHmut-B显示出糖酵解活性增加的分子特征，HGG-IDHmut-A显示出氧化磷酸化增加的分子特征，与1p/19q共缺失无关。

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基于蛋白质组学的亚分层与肿瘤抑制因子和驱动因子的相关性比1p/19q共缺失更好

接下来研究者分析了在胶质瘤肿瘤抑制因子和癌蛋白的情况。基于这些蛋白，PCA分析能将IDHwt、HGG-IDHmut-A和HGG-IDHmut-B进行分离，但无法分离出1p/19q共缺失与非缺失状态。HGG-IDHmut-B特征与IDHwt更相似。一些肿瘤抑制因子在IDHwt中特异性下调，另一些仅在HGG-IDHmut-B中下调，还有一些两者都下调。IDHwt和HGG-IDHmut-B样本中存在RAS通路蛋白的下调，这与之前的报道一致。相反，IDHwt和HGG-IDHmut-B样本中有几个原癌基因的升高。此外，还发现，HGG-IDHmut-B和HGG-IDHmut-A表现出强烈的肿瘤抑制因子和癌蛋白磷酸化含量的变化，且与1p/19q共缺失状态无关。例如，与HGG- IDHmut-A相比，周期蛋白依赖性激酶CDK11B上的T595磷酸化在HGG- IDHmut-B和IDHwt中显著升高，这意味着CDK11B活性升高，与细胞周期进程相关。这些结果表明，HGG- IDHmut-A和HGG- IDHmut-B间的信号差异对癌症至关重要。

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HGG-IDHmut-A/B间的差异在各类研究中是明显的

为了验证以上分析得到的独立于1p/19q状态的IDHmut胶质瘤代谢分层的主要分子特征，研究者分析了三个最近发表的蛋白质组学数据集。这三个数据集的结果与研究者本次的结果高度一致，参与糖酵解、TCA循环、氧化磷酸化的蛋白，甚至全局的调控蛋白都与研究者本次的结果有很好的一致性。其中，参与TCA循环的蛋白在各研究中表现出最高的一致性。

与多组学数据集相比较，本研究的HGG-IDHmut-A(高水平氧化磷酸化)胶质瘤亚组对应于Proneural-like (nmf1)亚组。本研究的HGG-IDHmut-B(低水平氧化磷酸化)亚组与经典样(nmf3)胶质瘤亚组相关性最强，但也与间质样(nmf2)亚组有一定的相关性。除了代谢变化外，其他生物途径，如mRNA剪接、RNA代谢、翻译、染色质动力学、DNA复制和富含胶原蛋白的ECM，这些在HGG-IDHmut-B和相对应的类似亚组中富集。相反，神经表型和线粒体蛋白在HGG-IDHmut-A /Proneural-like中富集。此外，在HGG-IDHmut-B富集的前几个异常蛋白和可能的癌症驱动因子如CCAR1、YBX1和ERH在其他数据集中同样受到调控。

总体，研究者的结果表明IDHmut胶质瘤可以分为两种蛋白质组学亚型，它们具有不同的能量代谢，总体上比1p/19q共缺失引起的差异更大。这种基于蛋白质组学上发现的IDHmut的两种差异不仅独立于1p/19q，而且适用于其他IDHmut状态(即可在其他数据集中得到验证)。

研究总结

研究者对来自IDH野生型(IDHwt)胶质瘤、IDH突变型(IDHmut)胶质瘤、有或无1p/19q共缺失以及非肿瘤对照的共计42个石蜡样本(FFPE)样本进行了基于质谱的蛋白质组学表征，共定量检测了超过5500个蛋白和5000个磷酸化位点。基于蛋白质表达变化的结果分析显示，胶质瘤通过IDH1/2突变状态分离，而不是通过1p/19q状态分离。相反，IDHmut胶质瘤分裂为两种蛋白质组亚型，每个亚型都有广泛的蛋白质扰动，包括参与有氧/无氧能量代谢的蛋白。使用三个独立的胶质瘤蛋白质组数据集进行的验证证实了这两个亚型的存在，并将IDHmut亚型与IDHwt胶质瘤中已建立的Proneural-like 和经典/间充质亚型联系起来。总体，研究者利用蛋白质组学发现了不同于常见的基于1p/19q共缺失有无来区分IDHmut的亚型分类，这种分类在未来或将通过提供蛋白质组/代谢指导的治疗使IDHmut胶质瘤患者受益。

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