Pan-cancer proteogenomics connects oncogenic drivers to functional states
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00780-8
- 다중 오믹 클러스터는 10가지 암 유형에 걸쳐 공유된 발암성 동인 경로를 밝힙니다.
- 유전적 변화는 변경된 종양 특이적 단백질-단백질 상호작용과 상관관계가 있습니다
- cis / trans 효과 및 키나제 활성은 운전자 이질성과 약물 가능성을 보여줍니다.
- 게놈 드라이버와 단백질체 통합으로 뚜렷한 암 특징 패턴 해결
암 유발 요인은 종양 발생을 유발하는 주요 유전적 이상을 의미합니다. 그러나 정확한 분자 메커니즘은 아직 충분히 이해되지 않았습니다. 여기에서 당사의 다중 오믹스 범암 분석은 중요한 시스 효과와 원위 트랜스를 식별하여 암 유발 요인의 영향에 대한 통찰력을 밝혀냅니다.-RNA, 단백질, 인단백질 수준에서 효과를 정량화합니다. 두드러진 관찰에는 단백질 상호작용 네트워크의 재배선과 점 돌연변이 및 복제 수 변경의 연관성이 포함되며, 특히 대부분의 암 유전자는 서열 기반 키나제 활성 프로파일로 표시되는 유사한 분자 상태로 수렴됩니다. 예측된 신생항원 부담과 측정된 T 세포 침윤 사이의 상관관계는 면역요법에 대한 잠재적인 취약성을 시사합니다. 암 특징의 패턴은 균일한 것부터 이질적인 것까지 다양한 다유전성 단백질의 풍부함에 따라 다릅니다. 전반적으로, 우리의 연구는 개별 암 유형을 연구하는 한계를 뛰어넘어 발암성 요인의 기능적 상태와 암 발병과의 연관성을 이해하는 데 있어 포괄적인 단백질 유전체학의 가치를 보여줍니다.
범암, 발암성 드라이버, 치료 표적, 단백질체학, 단백질 유전체학, 인단백질체학, 단백질 복합체, 암 특징, CPTAC
소개
암은 주로 종양 억제 유전자(TSG)와 원암유전자의 유전적 동인 돌연변이에 의해 시작됩니다. 유전자의 돌연변이 재발을 포함하여 유전자를 암 유발 요인으로 정의하기 위해 여러 측정 기준이 고려됩니다. 기능성 단백질 도메인, 발암성 돌연변이에 대한 개별 아미노산 핫스팟, 해로운 돌연변이의 누적, 또는 단백질 구조의 체세포 돌연변이의 3차원 클러스터링. 이러한 기준을 암 유전체학 데이터의 대규모 집단에 적용하면 최근 몇 년간 암 유전자 목록과 예상되는 동인 돌연변이가 늘어났습니다. 이러한 돌연변이가 어떻게 기계적으로 종양 형성을 “추진”하는지 아직 불완전하게 이해되어 있습니다.
임상 단백질체학 종양 분석 컨소시엄(CPTAC)은 전체 엑솜 및 전체 게놈 시퀀싱, DNA 메틸화, RNA-seq, 포괄적인 단백질체학 및 인단백질체학 등 단백질 유전체학 스펙트럼 전반에 걸쳐 데이터를 통합하여 암의 기본 분자 메커니즘에 대한 이해를 가속했습니다. 현재까지 10가지 암 유형에 걸쳐 1,000건 이상의 사례에 대한 광범위한 데이터가 생성되었습니다. 난소 고급 장액성 암종(HGSC), 투명 세포 신장 세포 암종 (ccRCC), 두경부 편평 세포 암종(HNSCC), 폐 편평 세포 암종 (LSCC), 자궁체내막암종(UCEC), 폐 선암종(LUAD), 췌장관 선암종(PDAC), 교모세포종(GBM), 및 유방암종(BRCA). 다양한 오믹스 층의 변화에 대한 조사를 통해 체세포 동인 돌연변이의 영향을 생물학적 구조와 기능의 단위인 단백질로 추적할 수 있습니다.
범암 연구는 다양한 암의 분자 특성을 정의하는 데 중점을 둡니다. 여기에서 우리는 이전의 유전체학 중심의 범암 연구를 확장합니다. 암 유발 요인의 6가지 중요한 측면을 설명하기 위해 단백질체 층을 통합함으로써: (1) 범암 게놈 및 후생 유전체 요인 빈도, 독점성 및 동시 발생; (2) 드라이버 변경이 RNA, 단백질 및 번역 후 변형(PTM)에 미치는 영향; (3) 단백질 복합체에 대한 운전자 변경의 효과; (4) 발암 경로의 필수 단백질 및 인산화 수준 변화; (5) 실행 가능한 운전자 변경과 종양 미세환경(TME)의 연관성; (6) 암 특징의 렌즈를 통해 단백질 풍부도에 대한 체세포 동인의 결합 효과. 우리의 연구 결과는 특히 명확한 게놈 표적이 없는 경우 발암 동인을 해독하는 데 있어서 통합적 단백질 유전체 분석의 잠재력과 잠재적인 임상적 유용성을 보여줍니다.
결과(원문에서 확인 가능함)
- 운전자 변경 및 관련 다중 오믹 클러스터의 범암 단백질 유전학 환경
- 단백질 유전체학 분석을 통해 암 돌연변이의 cis 효과의 이질성이 밝혀졌습니다.
- 단백질 공변량 분석을 통한 변경된 단백질–단백질 상호작용의 추론
- CPTAC 코호트 전체에서 암 유전자의 체세포 돌연변이의 트랜스 효과
- 종양과 정상 인접 조직 간의 비교 분석을 통해 발암 경로의 주요 단백질 변화를 식별합니다.
- 면역원성 신생항원 및 약물 사용 가능한 키나제에 대한 체세포 돌연변이의 영향
- 통합 다중 게놈 채점은 체세포 변화가 암 특징을 어떻게 변경하는지에 대한 증거를 제공합니다.
논의
높은 처리량의 게놈 분석을 통해 가속화된 발암성 동인의 발견과 기능적 특성화는 발암에 대한 기계론적 이해를 발전시켜 보다 효과적인 치료법으로 이어졌습니다. 처음에는 표적 치료법이 특정 종양 유형으로 제한되었습니다. 그러나 다양한 암에 걸쳐 공유되고 치료적으로 실행 가능한 동인이 발견되면서 종양 유형에 구애받지 않는 FDA 약물 승인이 이루어졌습니다. 그 후, FDA는 임상적으로 실행 가능한 변종을 밝히기 위해 광범위한 유전자 패널 테스트를 승인했습니다. 특정 변경이 표적 치료법과 일치하는 경우. 이러한 발전은 범암 동인의 분자적 토대에 대한 분석을 촉발했습니다. TCGA 범암 아틀라스 다양한 종양 유형의 분자 게놈 데이터를 통합하여 새로운 통찰력을 제공하기 위한 초기 프레임워크를 나타냅니다. 이는 또한 분자 데이터의 추가 계층에 걸쳐 드라이버 변경의 기능적, 기계적 및 표현형 상관관계의 특성화를 확장해야 할 필요성을 강조했습니다.
여기에서 우리는 게놈 및 전사체 데이터와 통합된 10가지 암 유형의 단백질체학 및 인단백질체 판독 값을 사용하여 CPTAC 코호트 전체에 걸쳐 5,443개의 추정 운전자 변경의 범암 결과를 평가했습니다. 우리의 단백질 유전체학 분석은 개별 단백질부터 암 특징까지 발암성 돌연변이의 분자 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하여 잠재적으로 새로운 치료 방법을 밝힙니다. 암 단백질체가 어떻게 형성되는지 정확하게 분석하기 위해 우리는 같은 단백질에 대한 효과(시스 효과 )부터 시작하여 단백질 상호작용 및 복합체로 이동하여 전체 트랜스를 포함한 (포스포-)프로테옴-효과 및 다유전적 예측 프레임워크. 암에서 단백질-단백질 상호작용(PPI)의 재배선을 평가하기 위해, 우리는 PPI의 간접적인 판독으로 proteomic co-expression 데이터를 사용했습니다. 우리는 암 유형이나 운전자 변경에 따라 다른 후보 PPI를 찾았습니다. 흥미롭게도 많은 드라이버가 PIK3R1-PIK3CA, SMAD4-SMAD2 및 PPP2R1A-PPP2R2A를 포함하여 알려진 상호작용 단백질 간의 인터페이스에서 드라이버 변경을 표시하는 것으로 나타났습니다. 중요한 것은 RNA 데이터를 사용한 유사한 분석으로 인해 단백질 수준에서 검출된 PPI 효과의 하위 집합만 산출되었으며, 이는 단백질체학 분석의 중요성을 강조합니다. 네트워크 의학의 새로운 역할을 고려할 때, 우리는 돌연변이를 PPI 네트워크와 간접적으로 연관시키기 위해 범암 단백질체학 데이터를 사용하는 것이 도움이 될 것이라고 믿습니다.
운전자 이벤트의 트랜스 효과를 사용하면 경로의 다양한 암 유전자가 유사한 분자 지문을 표시하는 경향이 있음이 밝혀졌습니다. 이는 NFE2L2 와 KEAP1 , KMT2B 와 CREBBP 와 같이 분자 효과가 유사하다는 것을 의미합니다. 이러한 분자 수렴은 발암성 동인의 상당 부분의 상호 배타성을 설명합니다. 그러나 우리는 분자 지문이 음의 상관관계가 있는 경우도 발견했으며, 이는 종종 EGFR 및 STK11, CDH1 및 TP53 또는 EGFR 및 KRAS 와 같은 상호 배타적인 구동 유전자와 중복됩니다. 한 유전자의 돌연변이가 두 번째 유전자의 돌연변이가 종양 발생과 양립할 수 없는 상태로 세포를 이동시키기 때문에 이러한 유전자 쌍은 상호 배타적이라고 생각할 수 있습니다. 이들 유전자( EGFR 및 STK11 )는 발암적으로 수렴하고 중복되기보다는 다양하게 호환되지 않습니다. 이러한 다양한 비호환성은 폐암의 EGFR 및 KRAS에서 볼 수 있듯이 합성 치명적인 취약성을 나타낼 수 있습니다. 상반되는 유전자를 활성화함으로써 이러한 현상을 이용하는 약물이 고려될 수 있다. 따라서, EGFR 돌연변이 및 STK11 / KRAS 돌연변이 종양이 반대 세트의 키나제를 활성화하는 방법을 보여주는 키나제 라이브러리의 결과는 이러한 약물 표적을 제공할 수 있습니다.
프로테옴에 대한 종양 게놈 변이의 누적 영향을 조사하기 위해 우리는 단백질 풍부도를 예측하도록 훈련된 다유전자 예측 프레임워크인 C3PO를 구축했습니다. 예측 능력은 현재 세포 가소성으로 인해 전 세계 단백질체 환경의 약 27%로 제한되어 있습니다. 및 TME로 인한 전사체 변동. 그런데도, 이 도구를 사용하면 공간과 시간에 걸쳐 종양의 단백질 특징 가변성에 대한 게놈 기여도를 평가할 수 있습니다.
요약하면, 이 연구는 암의 기능적 상태에 대한 발암성 요인의 결과를 체계적으로 평가하기 위해 단백질체학이 제공한 중요한 통찰력을 강조합니다. 앞으로 PTM과 대사체의 광범위한 특성화를 통해 운전자 변경이 E3 유비퀴틴 리가제와 같은 단백질의 활동을 어떻게 교란하는지 추가로 밝힐 수 있습니다. 또한, 단세포 단백질체학(Single-cell proteomics)을 적용하여, 공간 단백질체학, 환자당 다중 종양 내/종양 간 샘플, 종양 이질성 및 TME와의 상호작용에 대한 단백질체 기여가 더 포괄적으로 설명될 수 있습니다. 마지막으로, 치료 전 및 치료 후 샘플에 단백질체학을 결합하는 임상 시험은 치료법에 대한 반응 및 저항성의 결정 요인을 밝혀내고 약물 작용과 더 직접적으로 관련된 수준인 단백질체에서 복합 치료에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 이는 임상적으로 구현 가능한 단백질 유전체 패널로 이어질 수 있습니다. 우리의 연구 결과는 프로테옴이 발암성 동인의 유전자형과 기능적 상태 사이의 빠진 연결고리임을 뒷받침합니다.
연구의 한계
범암 단백질 유전체학 연구는 이전에 CPTAC 컨소시엄 주력 연구의 일부로 개별적으로 분석된 10가지 종양 유형으로 구성되었습니다. 이 코호트는 세 가지 여성 특정 암인 BRCA, HGSC 및 UCEC를 포함하여 매우 이질적이지만 가장 흔한 남성 암인 전립선 선암종은 아닙니다. 또한, GBM은 나머지 코호트와 비교해 상대적으로 덜 흔하고 생물학적으로 더 뚜렷한 종양 유형을 나타냅니다. 추가로 계획된 코호트는 코호트 구성의 이러한 한계를 개선할 것입니다. 이 연구에서 종양 중 일부는 암과 밀접하게 관련된 세포 계통으로 구성된 동족 NAT를 가지고 있습니다. 다른 사람들에게는 이것이 불가능했습니다. 약물 민감도에 대한 범암 분석은 세포주기 관련 단백질에 초점을 맞춘 것으로 보이며, 이는 암의 핵심 특징을 치료적으로 표적으로 삼으려는 지역사회의 관심으로 상당한 동기가 부여되었습니다. 종양에서 키나아제의 활성이 증가한다는 사실을 발견하면 잠재적인 약물 표적이 될 수 있지만, 가능한 치료 창을 설정하려면 정상 조직에서 해당 키나아제의 필수성에 대한 신중한 고려가 필요합니다. 그런데도, 다른 특징 표현형에 대한 범암 단백질체 판독은 아직 치료학적으로 유익할 수 있으며 향후 연구에서 심층적인 평가가 필요할 것입니다.