蛋白質(zhì)組學助力急性髓系白血病精準亞型分析
急性髓性白血�。ˋML）是一種臨床和遺傳異質(zhì)性疾病，其特征是骨髓浸潤與未成熟白血病原始細胞導致骨髓衰竭。盡管基因組學已經(jīng)幫助解決了AML的一些臨床異質(zhì)性，并揭示了特定的藥物靶點，但仍然存在許多挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)組學一直被認為是一種很有前途的技術，可以補充基因組學來闡明癌癥生物學并識別診斷和預測生物標記物。本文中，研究者利用多組學技術分析蛋白質(zhì)和基因的表達、細胞遺傳學和體細胞突變特征，從蛋白質(zhì)水平對AML患者分型，并為確認致病機制和預測性生物標志物的研究奠定基礎。
研究思路
文章詳情
文章題目：The proteogenomic subtypes of acute myeloid leukemia
中文題目：急性髓系白血病的蛋白基因組亞型
發(fā)表時間：2022.03
期刊名稱：Cancer Cell
影響因子：31.743
實驗平臺：LC-MS/MS DDA+DIA、全轉錄組測序、基因組靶向測序等
DOI：10.1016/j.ccell.2022.02.006
研究內(nèi)容
· 蛋白質(zhì)組AML亞型的發(fā)現(xiàn)及其生物學特性
研究者的急性髓系白血病（AML）多組學研究主要包括四個部分，即蛋白質(zhì)表達、基因表達、基因突變和細胞遺傳學分析。首先，利用蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，使用無監(jiān)督分級聚類方法鑒定到了6個不同的蛋白質(zhì)組亞群（圖1B）。由于C1和C2都具有線粒體蛋白和線粒體相關過程的高水平表達，與其他四個cluster不同，因此研究者將這2個cluster合并為一個新cluster，命名為C-Mito，并利用GSVA確認了這個合并cluster的獨特線粒體譜和所有5個cluster差異調(diào)節(jié)的通路富集圖譜（圖1C）。接下來，研究者探索了轉錄因子和激酶的表達模式，發(fā)現(xiàn)STAT家族的轉錄因子在 C-Mito 中的表達強度較低和C-Mito 中丙酮酸脫氫酶激酶 (PDHKs) 的顯著上調(diào)（圖1D和E）。
在蛋白質(zhì)組聚類分型后，研究者使用RNA測序技術分析AML的轉錄組特征，發(fā)現(xiàn)轉錄組和蛋白質(zhì)組中5702個基因-蛋白質(zhì)對中的1588個存在顯著相關性，證實了AML原始細胞中RNA和蛋白質(zhì)之間的相關性在基因之間存在很大的異質(zhì)性。然而，對轉錄組數(shù)據(jù)進行GSVA分析并與蛋白質(zhì)組GSVA結果比較發(fā)現(xiàn)大多數(shù)通路和cluster中，除了與抗菌和抗微生物防御機制有關的少數(shù)過程外，二者的富集分數(shù)沒有顯著相關性，說明在AML中，RNA和蛋白質(zhì)的表達在很大程度上是不耦合的（圖1C）。
Fig.1 AML的蛋白質(zhì)組亞型
· 多組學聯(lián)合揭示AML的蛋白基因組學特征
接下來，研究者使用MOFA方法來整合并分析多組學數(shù)據(jù)結果。MOFA在一個可解釋的線性模型中將不同組學數(shù)據(jù)聯(lián)合分解成不同的變異源。這些變異源由廣義主成分意義下的潛在因子(LFs)表示，共確認了28個LFs（圖2A）。其中，LF1在所有數(shù)據(jù)集中都是活躍的，代表了與NPM1突變和HOX基因相關的AML異質(zhì)性的特征維度，從而說明大多數(shù)病例中共同出現(xiàn)NPM1突變和HOX依賴基因的強表達，因此將這個因素稱為LF1-NPM1/HOX。值得注意的是，LF1-NPM1/HOX還檢測到與蛋白質(zhì)組和轉錄組中的主要組織相容性復合體相關的協(xié)調(diào)變異，且NPM1突變與特異的HLA相關的RNA和蛋白質(zhì)譜之間可能存在分子聯(lián)系。（圖2B和C）。使用MOFA來關注僅反映在蛋白質(zhì)組中的患者之間的變異性。在這里，最主要的因素是LF6；它揭示了與線粒體相關的基因驅(qū)動LF6-Mito的變異（圖2D）。而LF6-Mito主要檢測到分配給C-mito的患者（圖2E）。通過量化LF6-Mito和線粒體主成分(PC1-Mito)之間的關聯(lián)進一步證實了LF6的線粒體特征，該關聯(lián)是基于注釋到線粒體的蛋白質(zhì)計算得出的，顯示出顯著的相關性（圖2F）。為了進一步證實不能通過轉錄組檢測到具有蛋白質(zhì)組C-Mito特征的患者，研究者基于蛋白質(zhì)組和轉錄組的線粒體基因進行了獨立的主成分分析(PCA)。C-Mito患者再次僅通過蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)被檢測到(圖2G)。綜上所述，分配給C-Mito的患者亞群僅反映在蛋白質(zhì)組中，突顯了蛋白質(zhì)組學作為發(fā)現(xiàn)工具的重要性。
Fig.2 AML的蛋白質(zhì)組特征
· 蛋白質(zhì)組AML亞型的臨床和基因組特征
臨床相關性分析顯示，已確定的五種蛋白質(zhì)組AML亞型中有兩種與預后相關。C-Mito組的患者總體生存時間較短（OS）（圖3A）。Mito組和非Mito組的基本患者特征相似，因為在年齡、性別分布或同種異體干細胞移植比率方面，兩組之間沒有顯著差異。然而，在細胞遺傳學風險組和突變特征方面存在差異（圖3C）。令人驚訝的是，盡管C-Mito的特點是OS較短，但根據(jù)ELN風險分類，C-Mito在有利的風險疾病特征中富集，而非Mito AML富集于不利風險特征，包括繼發(fā)性AML。C5組的OS比非C5組患者更長，且多因素分析表明C5是一個獨立的有利危險因素（圖3D和E）。C5組患者DNMT3A突變頻率增加，可能會影響該組患者蛋白質(zhì)組和疾病預后情況（圖3F）。
Fig.3 AML蛋白亞型與強化誘導治療后生存期的關系
· Mito-AML亞型在獨立患者隊列中的驗證
在75名具有遺傳特征的獨立隊列中驗證了上述發(fā)現(xiàn)結果，該隊列與發(fā)現(xiàn)隊列相同，均接受了強化誘導治療。在驗證隊列中，聚類分析獲得了3個亞型。其中一個cluster預測可能是C-Mito，并且富集了NPM1的突變（圖4A和B）。在對C-Mito預測貢獻最大的五個蛋白質(zhì)中，兩個與線粒體和MRPL19有關，兩個與核孔復合體有關，代表了C-Mito的重要預測特征，也是建立診斷標志物panel的第一步（圖4D）。此外，驗證隊列中無論是用預測方法或是通過無監(jiān)督聚類確定為C-Mito的患者，其OS均顯著短于非Mito患者（圖4E-G）。
Fig.4 基于驗證隊列和機器學習的C-Mito預測
· Mito-AML定義的蛋白質(zhì)組網(wǎng)絡
為了進一步了解C-Mito的生物學特性，研究者提取了與其他cluster相比具有顯著表達差異的前100個基因蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)中大多數(shù)屬于線粒體、核膜和染色質(zhì)調(diào)節(jié)器這三個生物學類別之一（圖5A）。通過附加前人發(fā)表的蛋白質(zhì)相互作用來獲得具有C-Mito特征蛋白質(zhì)的相互作用網(wǎng)絡，揭示了這些蛋白質(zhì)強大的相互連接性。C-mito的特點是幾乎所有線粒體蛋白（包括呼吸復合物I-V）的高表達，根據(jù)MOFA分析結果，這種現(xiàn)象僅能在蛋白質(zhì)水平上檢測到，而RNA水平不行（圖5B-E）。這些結果說明存在一種轉錄后機制導致線粒體蛋白在C-mito中積累，同樣，核孔成分也只在蛋白質(zhì)水平上調(diào)�；谕繁磉_水平對患者進行無監(jiān)督聚類分析發(fā)現(xiàn)主要包含C-mito的cluster特征是幾乎所有線粒體通路的顯著上調(diào)。然而，與其他cluster相比，有絲分裂吞噬和自噬相關的蛋白質(zhì)表達下調(diào)。由于這些是線粒體動力學調(diào)控和監(jiān)測的關鍵過程，這一發(fā)現(xiàn)表明，失調(diào)的線粒體蛋白質(zhì)量控制可能有助于解釋C-Mito表型。
Fig.5 Mito-AML 定義的蛋白質(zhì)組網(wǎng)絡
· MITO-AML對線粒體復合體I的依賴性
上述研究已將Mito-AML鑒定為高危AML亞型，研究者進一步探究該亞型是否具有特殊的病理機制特征。對25個急性白血病細胞系進行蛋白質(zhì)組檢測，共鑒定出8573個蛋白質(zhì)，將14個細胞系鑒定為Mito-high，11個為Mito-low（圖6A）。DepMap CRISPR數(shù)據(jù)庫中的10個AML系與研究者細胞系蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)整合分析發(fā)現(xiàn)其中6個是Mito-high，4個是Mito-low，Mito-High系比Mito-low系對線粒體復合體I基因的依賴性更強，而屬于復合體II-V的基因沒有差異（圖6B和C）。除了復合體I，參與DNA修復、組蛋白乙�；蚆TOR信號通路的基因在Mito-High細胞系中具有更強的依賴性。體外實驗部分，研究者驗證了兩個Mito組別對復合體I抑制藥物（以線粒體呼吸為靶點）治療的敏感性，發(fā)現(xiàn)Mito-high對這些藥物具有顯著的超敏反應（圖6D）。此外，Seashore代謝分析表明Mito-high AML細胞系表現(xiàn)出更強的依賴復合體I的呼吸（圖6E）。與 Mito-low 細胞相比，venetoclax 治療導致 Mito-high 細胞耗氧率降低程度更高（圖6F），這種更強的依賴復合體I的呼吸也在發(fā)現(xiàn)隊列的原始樣品中進行了驗證（圖6G）。治療24h后通過流式細胞術比較膜聯(lián)蛋白V-/7AAD-細胞的比例，證實了Mito-AML患者離體的原始細胞對venetoclax的敏感性增加（圖6H）�？傊�，這些結果表明 Mito-AML 細胞與線粒體呼吸具有特異的聯(lián)系，這使得它們更容易受到靶向該代謝途徑的藥物的影響。
Fig.6 Mito-AML 的代謝通路與治療相關靶點
主要結論
本研究對252例接受統(tǒng)一治療的AML患者的骨髓活檢組織進行的全面的蛋白質(zhì)基因組分析，以闡明AML的分子病理生理學，從而為未來的診斷和治療方法提供信息。除了深入的定量蛋白質(zhì)組學研究，分析內(nèi)容還包括細胞遺傳學圖譜和DNA/RNA測序，并鑒定到5種蛋白質(zhì)組亞型，每種亞型都反映了跨越基因組邊界的特定生物學特征。這些蛋白質(zhì)亞型中有兩種與患者預后相關，但沒有一種與特定的基因組異常有關。值得注意的是，一種亞型(Mito-AML)僅在蛋白質(zhì)組中被捕獲到，其以線粒體蛋白高表達為特征，預后較差，在強化誘導化療治療中緩解率降低，總生存期縮短。功能分析表明，Mito-AML在代謝上傾向于更強的依賴復合體I的呼吸，并且對BCL2抑制劑ventoclax的治療更敏感。
參考文獻
Jayavelu, Ashok Kumar et al. “The proteogenomic subtypes of acute myeloid leukemia.” Cancer cell vol. 40,3 (2022): 301-317.e12.
