肺癌，作为全球健康的 “头号杀手” 之一，其防治一直是医学领域的研究热点。在众多肺癌类型中，非小细胞肺癌（NSCLC）尤为突出，约占肺癌总数的 85%。尽管医疗技术不断进步，但 NSCLC 的 5 年生存率仍不尽人意，尤其是局部晚期、区域转移和远处转移患者。传统的治疗方法在面对 NSCLC 的复杂性时，往往显得力不从心。因此，寻找更精准、有效的治疗策略成为当务之急。
近日，一项发表于《Nature Communications》的研究Proteogenomic analysis reveals non-small cell lung cancer subtypes predicting chromosome instability, and tumor microenvironment（10.1038/s41467-024-54434-4）为 NSCLC 的治疗带来了新的曙光。来自韩国的科研团队通过对 229 例韩国 NSCLC 患者和 462 例先前多组学研究患者的综合多组学分析，成功识别出五种 NSCLC 亚型，这一发现为肺癌的精准治疗提供了重要的理论依据和潜在的治疗靶点。
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研究背景：肺癌治疗的困境与希望
肺癌的高死亡率使其成为全球公共卫生的重大挑战。手术切除、靶向治疗和免疫治疗等手段虽在一定程度上改善了患者的预后，但由于肺癌的高度异质性，个体化治疗的需求仍未得到充分满足。高通量组学技术的发展为 NSCLC 的分子亚型分类和生物标志物识别提供了有力工具，但如何将这些研究成果转化为临床应用仍面临诸多难题。例如，许多蛋白质组学研究仅关注单一亚型，导致研究队列缺乏代表性；术后生存的准确预测以及治疗反应的分子基础研究仍相对不足。研究方法：多组学技术的综合运用
- 样本收集与数据生成：研究团队收集了 229 例韩国 NSCLC 患者的肿瘤样本及匹配的正常组织或血液样本，涵盖了 139 例肺腺癌（LUAD）、63 例肺鳞状细胞癌（LSCC）和 27 例其他类型肿瘤。通过全外显子测序（WES）、RNA 测序、基于串联质谱标签（TMT）的蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学和乙酰化蛋白质组学等技术，生成了全面的多组学数据集（图 1b）。
- 多组学分析与亚型识别：利用非负矩阵分解（NMF）聚类方法，整合蛋白质组、磷酸化蛋白质组和乙酰化蛋白质组数据，识别出五种 NSCLC 亚型：代谢型（Subtype 1）、肺泡样型（Subtype 2）、增殖型（Subtype 3）、缺氧型（Subtype 4）和免疫原性型（Subtype 5）（图 1c）。
研究结果：NSCLC 亚型的特征与意义
各亚型的分子特征
图1
- 代谢型（Subtype 1）：主要由 LUAD 女性患者组成，伴有 EGFR 和 TP53 突变，以及高频率的全基因组加倍（WGD）事件。该亚型在氧化磷酸化、线粒体基质和细胞呼吸等代谢途径相关蛋白上显著上调，表明其与代谢紊乱密切相关（图 1d、1e）。
- 肺泡样型（Subtype 2）：以 LUAD 患者为主，具有 EGFR 突变但无 WGD 事件。其特征为 IL-33 和 Notch 通路磷酸化水平上调，可能在肿瘤发生的早期阶段发挥重要作用，且肿瘤突变负荷较低（图 1d、1e）。
- 增殖型（Subtype 3）：与 WGD 事件、TP53 和 PIK3CA 突变显著相关，在 LSCC 患者中更为常见。该亚型在细胞周期相关通路高度富集，如 E2F/MYC 靶标、G2M 检查点和 cyclin 依赖性激酶（CDK）靶标通路，表现出高度增殖的表型（图 1d、1e）。
- 缺氧型（Subtype 4）：不局限于特定的组织学类型，但具有较高的转移倾向。其磷酸化位点在缺氧、PI3K-Akt 和中性粒细胞脱颗粒等通路中上调，提示可能通过促进肿瘤细胞迁移、侵袭和代谢参与肿瘤转移过程（图 1d、1e）。
- 免疫原性型（Subtype 5）：肿瘤浸润淋巴细胞（TIL）相关模式比例显著升高，富集免疫相关通路，如 TNFα 信号通路通过 NF-κB 传导。KRAS 突变在该亚型中较为常见，表明其具有独特的免疫微环境特征（图 1d、1e）。
与预后和转移相关的关键亚型
图2
- Subtype 4 的不良预后机制：Subtype 4 作为一种具有独特分子特征的 NSCLC 亚型，与不良预后和频繁转移紧密相关。研究发现，该亚型中大部分 NMF 特征为磷酸化位点，其中 CSNK2A1 和 GSK3B 激酶活性显著上调。这些激酶可磷酸化 PI3K-AKT 信号通路中的多种蛋白质，进而影响肿瘤细胞的增殖、凋亡和转移能力。例如，STE20 样丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶（SLK）在丝氨酸 347 位点的磷酸化水平在 Subtype 4 中明显升高，且与不良预后相关。SLK 可介导 ErbB2 和 PI3K 通路下游的细胞凋亡，其异常激活可能导致肿瘤细胞逃避凋亡，促进肿瘤进展。此外，富含亮氨酸重复的无翅相互作用蛋白 1（LRRFIP1）在丝氨酸 581 位点的磷酸化也在 Subtype 4 中显著上调，LRRFIP1 可通过调节 Wnt/β-catenin 信号通路刺激上皮 - 间质转化（EMT），增强肿瘤细胞的侵袭和转移能力（图 2d - 2g）。
- 生存分析与临床意义：在韩国 NSCLC 队列中，Subtype 4 患者的生存率显著低于其他亚型，即使在调整分期因素后，这种差异仍然存在。进一步分析发现，该亚型患者的转移率最高，但有趣的是，有无转移患者的生存率并无显著差异，这表明除了转移外，可能还有其他生物学因素导致其不良预后。在综合 CPTAC 队列中，虽然总体生存率差异不显著，但仍可观察到 Subtype 4 患者的预后不良趋势，这可能与种族和治疗记录的差异有关（图 2h - 2j）。
肿瘤微环境的细胞景观
图3
- 基于单细胞 RNA 测序的分析：通过整合 NSCLC 患者的单细胞 RNA 测序数据集，研究团队对五种亚型的肿瘤微环境进行了深入分析。比较各亚型与正常相邻组织（NAT）的差异表达基因（DEGs），发现所有亚型在肿瘤细胞类型中均显著上调，证实了其肿瘤发生的特性。进一步分析亚型间的 DEGs 发现，Subtype 1 和 Subtype 3 主要富集肿瘤细胞相关类型，反映了其活跃的肿瘤细胞增殖；Subtype 2 与肺泡型成纤维细胞和内皮细胞相关，提示其肿瘤微环境与正常肺泡间质相似；Subtype 4 和 Subtype 5 则在中性粒细胞和免疫相关细胞类型上富集，尤其是 Subtype 5 中 TIL 模式比例最高（图 3a）。
- 组织病理学特征关联：组织病理学分析显示，Subtype 1 和 Subtype 2 主要为中高分化腺癌，其中 Subtype 2 的贴壁样结构更为常见，提示其可能处于肿瘤发展的早期阶段，且淋巴血管侵犯和淋巴结转移较少。Subtype 3 主要由鳞状细胞癌和部分实体为主的腺癌组成，具有核增大、多形性、高有丝分裂活性和频繁肿瘤坏死等特征，与细胞增殖活跃的分子特征相符。Subtype 4 具有中等至大量的促结缔组织增生基质成分和不同数量的炎症细胞，而 Subtype 5 则表现出高度的免疫细胞浸润，这些结果与基于单细胞分析的发现高度一致（图 3b - 3m）。
全基因组加倍的蛋白质组学特征
图4
- 增殖亚型与 WGD 的关联：Subtype 3 被确定为具有 WGD 事件的增殖亚型，在该亚型中，75% 的患者存在 WGD。拷贝数特征分析显示，其与 CN14 特征显著相关，表明在 WGD 之前存在高倍性、较大片段大小的染色体改变以及全染色体或染色体臂水平的缺失。此外，Subtype 3 在染色体 3q 上存在扩增，且 SOX2 扩增与 TP53 突变共现的频率较高。在蛋白质和磷酸化修饰水平上，该亚型在细胞周期相关通路中的关键蛋白和磷酸化位点，如 SRSF1、SRSF2 和 XPO1 等，均显著上调，进一步证实了其增殖特性（图 4a - 4g）。
- 不同亚型的 WGD 驱动机制差异：Subtype 1 中也有部分患者存在 WGD，但与 Subtype 3 相比，其驱动基因和潜在通路存在明显差异。Subtype 1 主要在 EGFR 基因上存在较高频率的框内缺失和拷贝数增加，同时伴有肿瘤抑制基因的高突变负荷。该亚型中显著上调的激酶包括 RPS6KA3、CDK1、CDK2 和 CDK4 等，与 EGFR 激活介导的细胞生长信号传导和细胞周期加速相关。此外，CDK12 和 PIK3C3 等与 DNA 修复和自噬相关的激酶也在 Subtype 1 中上调，可能是肿瘤细胞对 WGD 引起的应激反应，以维持基因组稳定性和细胞生存（图 4i）。
异质性免疫景观
图5
- 免疫亚型分类与特征：基于细胞类型和通路的聚类分析，研究团队识别出三种主要的免疫簇：热肿瘤富集型（HTE）、冷肿瘤富集型（CTE）和 NAT 富集型。HTE 肿瘤在细胞类型水平上富含 CD8 + 和 CD4 + T 细胞、调节性 T（Treg）细胞、B 细胞、自然杀伤（NK）细胞、中性粒细胞、树突状细胞（DC）、单核细胞和巨噬细胞，且免疫相关通路激活程度更高。通过单细胞 RNA 测序数据验证，发现 HTE 相关的差异表达基因在免疫细胞类型中富集，而 CTE 相关基因主要在肿瘤细胞和上皮细胞中富集，且免疫细胞富集分数与 TIL 水平高度相关（图 5a、5b）。
- 预后价值与免疫调节剂分析：生存分析表明，HTE 状态是患者生存的有利因素，其中 CD8 + 和 CD4 + T 细胞、B 细胞和 NK 细胞的高富集与良好预后呈正相关，而上皮细胞或中性粒细胞的富集则与不良预后相关。进一步分析发现，大多数免疫调节剂与 HTE 肿瘤和免疫细胞呈正相关，但 VEGF-A 表达和活性与 HTE 肿瘤呈负相关。在 Subtype 5 中，SMARCA4 突变与免疫调节剂 SLAMF7 的表达在 RNA 和蛋白质水平上均呈正相关，且与 HTE 状态相关，提示 SMARCA4 可能通过调节 SLAMF7 影响肿瘤免疫微环境（图 5c - 5f）。
新抗原和免疫簇的多组学分析
图6
- 新抗原预测与生存关联：利用多组学数据集，研究团队预测了 NSCLC 患者的新抗原和隐蔽 MHC I 类相关肽（MAPs）。其中，确认的隐蔽 MAPs 与患者生存率呈强正相关，尤其是在多个患者中出现的复发隐蔽 MAPs，其存在与延长生存显著相关。这表明隐蔽 MAPs 可能作为潜在的预后生物标志物和免疫治疗靶点（图 6a、6b）。
- 与免疫景观和亚型的关系：隐蔽 MAPs 与大多数免疫细胞类型呈正相关，且在 HTE 肿瘤中更为富集。根据隐蔽 MAP 负荷和免疫簇对患者进行分层分析发现，高隐蔽 MAP 负荷和 HTE 状态的患者生存率最高，低隐蔽 MAP 负荷和 CTE 状态的患者生存率最差。在多组学亚型中，Subtype 5 在低隐蔽 MAP 负荷和 HTE 组中最为富集，且该亚型患者在接受辅助化疗或放化疗后生存率显著提高，提示其可能从免疫激活的治疗策略中获益（图 6c - 6g）。
研究意义与展望
这项研究通过综合多组学分析，全面揭示了 NSCLC 的分子亚型特征，为肺癌的精准医疗提供了重要的理论基础和潜在的治疗靶点。例如，对于 Subtype 3 中高表达的 XPO1，可考虑使用 Selinexor 等靶向抑制剂进行治疗；对于免疫原性的 Subtype 5，免疫检查点抑制剂和辅助化疗可能是有效的治疗策略。然而，研究也存在一定的局限性。如使用外显子测序推断全基因组加倍可能存在准确性问题，某些亚型可能存在种族差异，且隐蔽 MAPs 的验证需要更大规模的正常样本队列。未来的研究可进一步开展前瞻性队列研究，验证药物在不同亚型中的疗效，深入探究 WGD 亚型的治疗靶点，以及探索基于免疫微环境的联合治疗策略，为 NSCLC 患者带来更多的生存希望。扫码添加 ⬪ 精彩内容抢先看
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参考文献
Song, K.J., Choi, S., Kim, K.et al. Proteogenomic analysis reveals non-small cell lung cancer subtypes predicting chromosome instability, and tumor microenvironment. Nat Commun 15, 10164 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54434-4
