STTT | 刘芝华/崔永萍合作团队磷酸化修饰组学揭示食管癌发生新机制及治疗新靶点

精准医学与蛋白组学

2021.11.17

报道 | 景杰生物
食管鳞状细胞癌（ESCC）是一种常见的恶性肿瘤，常常被认为是中国人的肿瘤。一是由于中国人食管癌患者多，每年全球的食管癌新增患者中一多半位于中国。另外中国的食管癌类型绝大多数是属于食管鳞状细胞癌，不同于以食管腺癌为主的欧美国家。ESCC 的发病率受环境因素（饮酒、吸烟等）和遗传因素的影响，两者都通过改变食管上皮细胞的蛋白质组学、翻译后修饰 (PTM) 和代谢特征导致肿瘤发生。
蛋白质磷酸化是细胞内调节和控制蛋白质功能最基本、最普遍，也是最重要的一种机制，该过程的失调常常与癌症发生发展密切相关。到目前为止，针对肿瘤中异常激活的蛋白激酶开发拮抗剂治疗药物已经取得了很大进展与成功。因此食管癌磷酸化蛋白质组学的实施可能为开发有效的治疗靶点提供更多有价值的线索。
2021年11月12日，中国医学科学院肿瘤医院副院长刘芝华教授团队与山西医科大学崔永萍教授团队合作在Signal Transduction and Targeted Therapy （IF=18.187）在线发表题为“Phosphoproteomics reveals therapeutic targets of esophageal squamous cell carcinoma”的研究论文。该研究对 94 名 ESCC 患者的肿瘤样本以及其中24例配对食管组织进行蛋白质组和磷酸蛋白质组检测。研究首次构建了ESCC肿瘤特征的激酶和磷酸酶活性谱，建立了ESCC特异的信号通路网络并提出适合食管鳞癌的治疗策略。中国医学科学院肿瘤医院李义副研究员为第一作者。景杰生物作为合作单位参与此次研究。

研究人员从94例中晚期（TNMII–IV期）食管鳞癌患者中选择了94例手术切除的原发肿瘤组织（T）和24例非肿瘤食管组织（N）（样本策略），使用iTRAQ标记蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学技术进行系统分析（质谱策略）。研究总共鉴定出9,042个蛋白质以及26,892个磷酸位点，发现556种差异表达蛋白（包括227种上调蛋白和329种下调蛋白），以及1691个差异表达的磷酸化位点（包括695和996个下调的磷酸化位点）。根据蛋白质组学特征发现94个ESCC肿瘤患者可分为三个亚型。其中S-III亚型患者的无病生存率最低且淋巴结转移患者比例最高，其分子特征是剪接体（Spliceosome）信号通路中蛋白质组和磷酸蛋白质组水平显著升高。

图1. 94个ESCC肿瘤患者可分为三个亚型
研究发现ESCC不同于其它肿瘤，常见的与肿瘤密切相关的信号通路EGFR、ERK等pathway在食管鳞癌中处于被抑制状态。因此针对这些信号通路类药物对ESCC患者来说效果并不明显。而本研究首次构建了ESCC肿瘤特征的激酶和磷酸酶活性谱，建立了ESCC特异的信号通路并提出适合食管鳞癌的治疗策略。

图2. 食管鳞状细胞癌特征信号通路
蛋白激酶的活性预测已有较为完善的计算模型。但由于磷酸酶本身的特性，比如磷酸酶种类少、特异性差的特点，一直没有适合的活性预测方法。这项研究首次将决定磷酸酶识别底物的磷酸酶结合蛋白（PIP）与磷酸酶本身组成的复合体（PP1-PIP）作为一个独立的磷酸酶单位进行活性预测分析，从而建立了一种适合磷酸酶活性预测分析方法（PhSEA）。根据这种方法构建ESCC肿瘤的特征磷酸酶活性谱。

图3. ESCC肿瘤的特征蛋白激酶以及磷酸酶活性谱
该项研究发现在食管肿瘤中ESCC中激酶的表达水平变化不是特别明显，但是一大类磷酸酶1（PP1）的结合蛋白（PP1-PIPs）水平在ESCC中显著上调，尤其在恶性程度较高的亚型III（S-III）中为最高。其中几种关键的PP1-PIPs（如PP1-CD2BP2，PP1-WBP11等）起到抑制PP1的去磷酸化活性的作用，从而导致底物蛋白的磷酸化维持高水平，促使细胞异常增殖。由于泛磷酸酶（Non-selective phosphatase）抑制剂毒性大，难以开发成有效的治疗药物。而该研究则提示出可以针对这些ESCC特异磷酸酶-磷酸酶结合蛋白（PIPs）组成复合体开发出特异性强的靶向药，通过阻断这些调节蛋白与磷酸酶1（PP1）的结合从而达到治疗效果。
另外，蛋白激酶与磷酸酶底物配对关系分析表明，两种PP1抑制分子CD2BP2和WBP11可以作为CDC样激酶1（CLK1）的增强子发挥作用，在剪接体信号通路调节中起关键作用，提示出CLK1可能成为一个新的食管癌治疗靶标。随后研究者在PDX小鼠模型中检测了CLK1小分子抑制剂TG003对食管癌肿瘤的抑瘤效果，发现在三个ESCC患者来源的肿瘤异种移植模型中的两个模型中明显降低了肿瘤生长。其中TG003最敏感的PDX模型中CD2BP2和WBP11蛋白水平显著较其他模型高。因此，在一些具有高水平表达蛋白磷酸酶1抑制分子CD2BP2和WBP11的ESCC患者中，CLK1有希望成为新型的治疗靶点，来改善肿瘤患者的不良预后。

图4. 鉴定新的ESCC治疗靶标-CLK1
综上所述，该研究对食管鳞状细胞癌进行了全面的蛋白质组学和磷酸化修饰组学分析，揭示食管癌发生新机制及治疗新靶点。将该 ESCC 肿瘤队列分为三种主要蛋白质组亚型（S-I、S-II 和 S-III）。手术后预后最差的 S-III ESCC 的特征是剪接体途径中蛋白质组和磷酸蛋白质组水平升高。CLK1 激酶增强剂（CD2BP2、WBP11 等）在 S-III 中被上调并参与 ESCC 的发展，CLK1或将是改善 ESCC不良预后的新治疗靶点。

作者介绍

刘芝华教授

刘芝华，中国医学科学院肿瘤医院副院长，分子肿瘤学国家重点实验室主任。国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授。主持重点研发计划项目，国家自然科学基金重点项目、重点国际合作项目等。主要从事肿瘤发生发展的分子机理及个体化精准诊疗研究。在Cancer Cell, Cell Research, PNAS等杂志发表通讯作者论文80余篇，被引用11000余次。

崔永萍教授

崔永萍，山西医科大学细胞生理学省部共建教育部重点实验室、生物学一级学科博士后流动站学术带头人。主要从事恶性肿瘤的病因学、细胞生物学、遗传学及基因组学领域的研究工作，近年来采用“组学”研究策略对食管鳞癌进行全基因组解析研究，取得多项创新性研究成果。先后发表在Cancer Research、Oncogene、J Biol Chem等国际权威学术期刊。

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