胰腺导管腺癌（PDAC）是目前最致命的癌症之一，缺乏早期诊断标志物并且对几乎所有疗法有较高耐药性。PDAC 具有非典型、高度间质性的肿瘤微环境。目前研究结果普遍基于大块组织检测，对 PDAC 的肿瘤微环境的解析能力有限，无法深入解析其细胞异质性。2024 年 11 月 14 日，南方科技大学田瑞军课题组于 Nature 上发表了题为「Clinical functional proteomics of intercellular signalling in pancreatic cancer」的最新研究成果。通过使用临床功能蛋白质组学策略，系统性解析了 PDAC 微环境中癌细胞和基质细胞之间的信号传导。
临床功能蛋白质组学通过在时间、空间及信号传导通路上下游等多个维度解析，旨在更好的对疾病微环境中多样化细胞间信号传导网络进行研究，并发现更多关键生物标志物和药物靶点。值得一提的是，早在 2019 年，南方科技大学田瑞军课题组便在 Nature 上发表了针对胰腺癌的功能蛋白质组学研究工作，文中发现的关键靶点 LIF 更是被快速的推进到临床实验中取得了积极成果。2024 年发表的研究成果既是对之前研究成果的继承与深化，也是对临床功能蛋白质组学技术的迭代与升级。
主要亮点：
开发了一种新的临床功能蛋白质组学策略 TMEPro，深入分析 PDAC 肿瘤微环境中细胞之间的相互作用，识别了癌细胞和基质细胞间的重要信号传导轴。
受体膜外域脱落机制为解析 PDAC TME 中的信号传导提供了新的维度，为新型生物标志物及药物靶点的发现提供了新的方向。
TMEPro 数据资源为 PDAC 的诊断标志物和治疗靶点发现提供了宝贵的数据资源，系统构建了一个原位的 PDAC TME 的细胞间信号传导图谱。
一、细胞间分泌蛋白、膜蛋白图谱构建
由于分泌蛋白、膜蛋白（简称 S-PM 蛋白）普遍丰度较低且普遍会发生糖基化修饰，作者首先通过肼化学富集的方法对 29 例肿瘤、27 例癌旁（NT）、28 例慢性胰腺炎（CP）及 16 例正常胰腺组织进行了 S-PM 蛋白富集和深度质谱检测，共鉴定 2741 个 S-PM 蛋白和 6181 个 N-糖基化位点，包括 80 个此前未被报道的 N-糖基化蛋白。分泌蛋白及膜蛋白覆盖率均超过人总蛋白组的 50%。通过对差异蛋白进行聚类分析，发现大多数蛋白趋于从正常到肿瘤样本，其中肿瘤组织和 CP 间呈现更高的相似性，并且发现了 91 个 FDA 批准的药物靶点及 31 个已收录的癌症标志物。总之，作者构建了目前最大规模、覆盖最全面的 S-PM 蛋白组和 N-糖基化蛋白组数据集，为研究细胞间信号传导提供了坚实的数据基础。
图 1. 胰腺癌中高深度 S-PM 蛋白质组图谱
二、空间和细胞类型特异性蛋白质组
为了进一步解析 S-PM 蛋白质的细胞来源和潜在的细胞间信号传导功能，作者在 13 个 PDAC 肿瘤样本中，通过激光显微切割技术切割了癌细胞（PCC）和基质（stroma）并进行了空间蛋白质组学检测，平均每个样本鉴定超过 7000 种蛋白质，其中约有 1400 种 S-PM 蛋白。为了补充确认 S-PM 蛋白的细胞来源，作者选取了 6 株代表性的胰腺癌细胞系及 2 株 stroma 主要细胞类型 CAF 细胞系进行了深度蛋白质组学检测。结合空间蛋白组和细胞系数据，共鉴定到 2331 个 S-PM 蛋白，其中癌细胞特异蛋白 787 个，stroma 特异性蛋白 584 个。通过 GO 富集分析进一步体现了不同细胞来源的 S-PM 蛋白功能的特异性，其中 ECM 通路相关蛋白主要来源于基质细胞，而绝大多数转运体激活相关蛋白则是来源于 PCC。由于 S-PM 蛋白在信号传导具有重要功能，作者对癌和基质细胞的自分泌、旁分泌信号进行了受配体分析，确认了 72 个癌-基质细胞受配体对和 190 个基质-癌细胞受配体对。
图 2. 空间及细胞类型特异性蛋白质组学工作流程及功能分析
三、S-PM 蛋白时间维度解析
由于胰腺癌早期难以诊断，因此作者使用胰腺癌经典转基因动物模型 KPC 小鼠分析了不同时间节点 S-PM 蛋白的表达情况。与人组织样本处理策略相同，平均每个样品鉴定约 1500 个 S-PM 蛋白和 3000 个 N-糖基化位点。基于表达模式聚类分析，可以将这些 S-PM 蛋白分成三类，其中，529 个 S-PM 蛋白被作者定义为肿瘤进展相关蛋白，包括 25 个已报道的胰腺癌标志物和 57 个 FDA 批准的药物靶点。在此基础上，作者对 S-PM 蛋白进行了受配体分析发现，在 1724 个受配体对中，约 600 个受配体对发生了配体或受体的显著变化，并且发现在晚期阶段中具有更多活跃的信号传导。
图 3. 时间维度的 S-PM 分析
四、酪氨酸磷酸化介导的信号通路激活
酪氨酸磷酸化（pTyr）通常会激活第一波细胞间的信号传导，具有重要生物学意义。作者使用 Photo-pTyr-scaffold 和 SH2-superbinder 两种策略进行深度 pTyr 蛋白质组学检测，共鉴定 464 个膜蛋白，包括 51 个 pTyr-writer，91 个 pTyr reader 和 46 个 pTyr eraser，绝大多数在肿瘤组织内表达量有明显上升。利用 TMEPro 策略中的多维蛋白质组数据，作者聚焦于具有显著变化的「激活」信号轴，尤其是旁分泌 PDGF–PDGFR–PTPN11 轴。研究表明，肿瘤中 PDGFRA 和 PDGFRB 受体显著上调，磷酸化水平增加，主要由癌细胞分泌的 PDGFC 配体激活。进一步实验验证了癌细胞的 PDGF 信号可以激活基质细胞中的 PDGFR 信号通路，尤其是 PDGFRA 和 PTPN11 的磷酸化，最终通过 PDGFR–PTPN11–ERK–FOS 轴促进白血病抑制因子（LIF）的分泌。LIF 反向作用于癌细胞，通过激活 LIFR–GP130–STAT3 通路形成双向信号环路。
图 4. PDAC 中酪氨酸磷酸化介导的细胞间信号传导的功能分析
五、膜蛋白剪切机制对信号传导的影响及受体酪氨酸激酶 AXL 的剪切调控
作者进一步研究了膜蛋白（PM）胞外域剪切对胰腺癌（PDAC）信号传递的影响，尤其是 AXL 的剪切调控。通过生物信息学分析筛选出 22 种在 PDAC 中被剪切的膜蛋白，AXL 是其中最显著的。研究显示，基质金属蛋白酶（MMP）家族（特别是 MMP1 和 MMP11）在 PDAC 肿瘤中的上调可能是 AXL 剪切的主要调控因子。进一步实验表明，AXL 的剪切产物（sAXL）在肿瘤中增加，且在淋巴结转移患者中更为活跃。sAXL 通过与配体 GAS6 结合，阻止 GAS6 对 AXL 的激活，削弱 AKT 等下游信号。阻断 AXL 的剪切并结合 AXL 激酶抑制剂 R428，显著抑制了胰腺癌细胞增殖和肿瘤生长。该研究揭示了 AXL 剪切在 PDAC 中的潜在靶点价值，为精准治疗提供了新方向。
图 5. 膜蛋白脱落及 AXl 剪切机制影响
综上所述，作者通过 TMEPro 临床功能蛋白质组学策略系统分析了 PDAC 肿瘤微环境中的细胞间信号网络，揭示了癌细胞和基质细胞间的重要通信机制。研究发现了关键信号轴（如 PDGF）和膜蛋白剪切（如 AXL 剪切）的调控在 PDAC 进展中的重要作用。此研究不仅深化了对 PDAC 肿瘤微环境中信号传递的理解，还提供了癌细胞与基质细胞相互作用的新视角，为胰腺癌的诊断与治疗靶点开发提供了新的可能性和资源。
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图片来源：图虫创意
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