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医学科研新动向
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Integrative proteogenomic profiling of high-risk prostate cancer samples from Chinese patients indicates metabolic vulnerabilities and diagnostic biomarkers
Nature Cancer
<2024.09.06>
研
究
背
景
前列腺癌（PCa）是全球男性中最常见的恶性肿瘤之一，其发病率和进展速度在不同种族和地区间存在显著差异。现有研究表明，亚洲患者在确诊时通常伴有更高级别的肿瘤分期，但其总体生存率优于西方患者。尽管如此，前列腺癌的分子机制在不同群体中的表现仍不完全明了，尤其是与基因突变、代谢途径以及免疫反应等相关的差异。近年来，随着多组学技术的发展，蛋白质组学和基因组学的整合分析为理解前列腺癌的分子特征提供了新的视角。然而，这些分子特征对前列腺癌进展和预后的具体影响仍不明确，亟需进一步研究以推动诊断标志物和治疗靶点的开发。
研究设计
为了全面解析高危前列腺癌的分子特征，本研究采用了多组学整合分析策略，涵盖了基因组、转录组、蛋白质组和磷酸化蛋白质组学。各实验步骤如下：
样本收集：
共收集125例高危前列腺癌患者的肿瘤组织及其配对的正常组织样本，所有患者均为初次诊断且未接受任何治疗。基因组测序：
使用全外显子组测序（WES）分析肿瘤和正常组织的基因组变异，重点关注突变频率较高的关键癌基因。转录组测序：
对所有样本进行RNA测序（RNA-seq），用于评估基因的表达水平及转录调控的差异。蛋白质组学分析：
通过质谱分析技术，采用同位素标记法对肿瘤和正常组织中的蛋白质进行定量检测，比较两者的差异表达情况。磷酸化蛋白质组学分析：
对磷酸化蛋白质组进行分析，鉴定与肿瘤发生相关的关键磷酸化位点及其在信号通路中的作用。生物信息学分析：
使用多种生物信息学工具（如KEGG、GSEA）对获得的基因、转录、蛋白质及磷酸化数据进行功能富集和通路分析，揭示与前列腺癌进展相关的关键途径。
核心结果
1. 前列腺癌突变及磷酸化位点分析
通过WES分析，研究共检测到14,235个基因变异事件，主要包括11,777个非同义性体细胞点突变（范围为3至1716个，平均每个样本94个），以及1,882个小插入-缺失突变（范围为1至289个，平均每个样本15个）。在125个肿瘤样本中，FOXA1、SPOP、TP53和KMT2C/2D是突变频率最高的基因，突变率均超过10%（图1c）。 通过与TCGA和CPGEA数据库的比较，FOXA1的突变率在中国患者中显著高于西方患者（图1d，P < 0.05，Benjamini-Hochberg校正后FDR < 0.05）。 在蛋白质组分析中，研究检测到9,522个蛋白质组，鉴定出33,567个磷酸化位点，表明肿瘤组织中蛋白质及其磷酸化调控在肿瘤进展中扮演了重要角色。FOXA1的磷酸化在肿瘤中显著上调，特别是S331位点的磷酸化（P = 0.0007），该磷酸化位点与更快的肿瘤复发相关（图1g）。
2. 高危前列腺癌的多组学整合分析
通过CNV分析，研究发现了多个与疾病进展相关的染色体扩增和缺失区域。3q22.1的扩增和13q31.1的缺失显著关联于肿瘤的更快复发（图2b，Cox回归分析，P < 0.05）。 进一步分析表明，CNA主要通过“顺式”（cis）和“反式”（trans）效应影响基因的mRNA和蛋白表达，其中顺式效应在7,756个基因中观察到（图2e），而仅有221个基因在转录组、蛋白质组和磷酸化蛋白质组中显示出显著的顺式效应（图2f）。 这类基因主要富集于MYC靶点、E2F靶点和雄激素响应途径（图2g）。
3. 肿瘤和正常组织的蛋白质表达差异
通过对肿瘤组织与NATs的比较，研究发现了2,677个差异表达蛋白，其中431个基因在肿瘤和NATs中均上调，而876个基因在两者间下调（图3a，Wilcoxon符号秩检验，FDR < 0.05）。 蛋白质组富集分析显示，肿瘤组织中蛋白质显著富集于缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解途径、剪接体及蛋白酶体（图3b，FDR < 0.05）。 此外，研究通过ELISA分析发现，GOLM1在前列腺癌中的表达显著高于良性前列腺增生（BPH）患者（图3f，P < 0.001），并具有较高的特异性和敏感性用于诊断前列腺癌（图3h，ROC曲线，AUC = 0.769）。
4. FOXA1-S331磷酸化
研究深入分析了FOXA1在前列腺癌中的磷酸化调控作用。通过磷酸化蛋白质组分析，发现FOXA1-S331的磷酸化在肿瘤中显著上调，并且与肿瘤复发密切相关（图4c，P < 0.05，log-rank检验）。 通过CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术，研究生成了FOXA1-S331A突变株，结果表明该突变显著抑制了前列腺癌细胞的生长（图4h，P < 0.01）。 此外，磷酸化的FOXA1在促进雄激素受体（AR）信号通路的激活中发挥了关键作用，其与AR信号的相关性显著高于非磷酸化FOXA1（图4f，Pearson相关性分析，P < 0.001）。
5. 前列腺癌的蛋白质亚型及分子特征
通过基于蛋白质表达的共识聚类分析，研究将高危前列腺癌分为三个亚型，分别为S-I（n=45）、S-II（n=33）和S-III（n=47）（图5a）。 S-I亚型具有较高的免疫浸润和基质含量，而S-III亚型则富集了与代谢和增殖相关的蛋白，如FASN和NDUFAB1（图5c）。 S-III亚型的患者复发时间显著短于S-I和S-II亚型（图5b，P = 0.00094，log-rank检验），其代谢特征表明这些肿瘤通过代谢脆弱性加速了肿瘤的进展。
6. BCAA代谢促进前列腺癌进展
研究揭示了BCAA代谢在前列腺癌中的重要作用。通过BCAA代谢相关蛋白BCAT2的抑制实验，研究表明抑制BCAT2表达显著减少了前列腺癌细胞的生长（图6a，P < 0.0001）。 此外，通过动物模型实验，研究发现饮食中BCAA摄入的增加会促进肿瘤的侵袭性，并加速肿瘤的进展（图6c，P = 0.0006，t检验）。 相比之下，低BCAA饮食显著抑制了肿瘤的生长和转移（图6h，P < 0.01，卡方检验）。
小
结
本研究通过对高危前列腺癌的多组学整合分析，系统性地揭示了与肿瘤进展和预后相关的分子特征。以下是本研究的主要发现：
基因组和突变特征：
通过全外显子组测序，研究发现前列腺癌中FOXA1、SPOP和TP53等基因的突变频率显著升高，这些基因的突变在肿瘤进展中起关键作用。转录组差异：
转录组分析揭示了与肿瘤增殖和代谢相关的关键基因上调，特别是与细胞周期和代谢途径有关的基因显著活跃。蛋白质组学特征：
蛋白质组学分析表明，肿瘤组织中多个蛋白质的表达显著改变，富集于缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解途径，这些代谢途径与肿瘤细胞的生长和增殖密切相关。磷酸化蛋白质组调控：
磷酸化蛋白质组分析揭示了FOXA1-S331磷酸化在肿瘤复发中的重要性。其磷酸化状态与AR信号通路的激活相关，显著影响前列腺癌的生长速度。肿瘤分子亚型：
通过蛋白质组共识聚类，研究将前列腺癌分为三种亚型，分别为免疫活化亚型、中间亚型和代谢免疫缺失亚型，其中代谢免疫缺失亚型具有更强的侵袭性和更差的预后。BCAA代谢在肿瘤中的作用：
研究发现，BCAA代谢在前列腺癌中起到了关键作用。抑制BCAT2可以显著减少肿瘤细胞的生长，而饮食中增加BCAA摄入则会加速肿瘤进展。
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