虽然胶质母细胞瘤（GBM）的基因组异常已经研究了十多年，但其5年生存率仍然低于5%，因此，扩大对高级别胶质瘤的理解十分重要。今天，小编要和大家分享一篇2024年7月发表在Cancer Cell（IF：48.8）上的文章，分析了来自212个GBM和16个4级IDH突变型星形细胞瘤的样本，其中包括28个复发，外加18个正常脑样本和14个脑转移瘤作为对照，通过整合蛋白质组学，代谢组学，脂质组学和翻译后修饰（PTM）与基因组学和转录组学的数据，全面描绘了GBM的肿瘤演变过程。
一、Highlight
代谢组和糖蛋白组数据揭示驱动相互作用和复发标志物
TERTp、PTEN或TERTp/EGFR的改变产生相似的分子特征
PTPN11信号传导将EGFR、PDGFR和IDH1与下游效应物联系起来
在IDH突变体HGG中发现低氧特征和AMPKA活性降低
二、主要结果
研究的主要流程如下图所示。研究收集了来自200例高级别胶质瘤（HGG）患者的228个肿瘤样本的蛋白基因组学和代谢景观，其中包含28例复发；以及来自25例患者的纵向队列的18个不匹配的正常脑样本、14个脑转移瘤和多个时间点的切除术。随后生成了一个全面的数据集，包括WXS（全外显子组测序），WGS（全基因组测序），DNA甲基化，miRNA，mRNA，snRNA（单核RNA测序），蛋白质组，磷酸化蛋白质组，乙酰基组，糖蛋白质组，选择反应监测（SRM），PRISM（具有智能选择和多路复用功能的高压、高分辨率分离）-SRM、IMAC（固定化金属亲和色谱法）-SRM、代谢组和脂质组数据。
图1. 研究队列、技术平台和检测概述
1.高级别胶质瘤从诊断到复发的演变与基因组和蛋白质组驱动因素相关
首先，通过分析从25名患有4级IDH-WT（GBM）和IDH突变型星形细胞瘤患者收集的53个肿瘤样品的纵向队列，鉴定出了在复发性肿瘤中差异表达的蛋白质（图2B）。对复发时上调的蛋白质进行通路分析，揭示了与氧化磷酸化、活性氧和肌生成相关的丰富的生物过程（图2C）。
然后使用激酶文库，基于差异调节的磷酸化位点，探索了与原发性肿瘤相比复发性肿瘤中的差异激酶活性，发现剪接激酶如CLK1-4、SRPK1-3、酪蛋白激酶2（CK2）家族和G蛋白偶联受体激酶（GRK）家族成员在原发性肿瘤中显著更活跃（图2E）。
进一步通过检查每个原发-复发对中的突变变化（VAF）研究肿瘤遗传进化，观察到了四种模式：驱动突变的稳定性、丧失、获得和恢复（图2F）。并且，进展时间较短的患者在原发性和复发性肿瘤之间具有更多的共享突变（图2G）。通过使用克隆相似性统计（maxKsi）来量化这种趋势，发现克隆相似性与进展时间呈负相关，表明复发性肿瘤从其原发性肿瘤持续演变（图2G）。此外，原发性和复发性肿瘤的突变特征分析还鉴定了两种主要特征，SBS1和SBS11，其分别与年龄和替莫唑胺治疗相关，这扩展了之前报道的SBS11相关的超突变从低级别胶质瘤的高级别转化（图2H）。
图2. 肿瘤演变的蛋白基因组学
2.原发和复发高级别胶质瘤的肿瘤内在和TME相关特征
接下来，通过对10个原发性和复发性HGG对进行snRNA分析，描述了肿瘤内在的和TME相关的复发特征。
首先对肿瘤内在的复发特征进行分析。原发性和复发性神经胶质瘤的snRNA谱之间的重叠变化很大（图3A）。其次，通过snRNA计算来自每种细胞类型的平均转录表达，以理解特定细胞类型如何促成差异丰度蛋白，发现原发性和复发性恶性细胞之间的差异表达基因（DEG）在上皮-间充质转化、UV反应、雄激素反应和缺氧途径中富集（图3C）。随后，通过使用匹配的snATAC-seq数据分析可接近的染色质区域（ACR），发现原发性和复发性恶性细胞之间在基因（如NDRG1和KIF1B）的启动子和增强子区域的差异可及染色质区域（DACR）（图3E）。
再对TME的复发特征进行分析。通过用bulk RNA-seq进行细胞类型富集分析，比较复发性和原发性肿瘤显示，复发性肿瘤中内皮细胞和1型T辅助（Th 1）细胞的富集评分显著降低，调节性T（Treg）细胞显著增加（图3G）。这一结果也得到了多重成像和索引共检测（CODEX）和全载玻片定量分析的支持（图3H，I）。此外，在致密肿瘤（GFAP+ 和/或OLIG2+）中神经胶质谱系细胞的增殖率降低（图3J）
图3. 单核细胞测序揭示复发性4级星形细胞瘤的恶性细胞内在和肿瘤微环境（TME）相关特征
3.遗传改变对HGG蛋白质组学和代谢组学的影响和关联
在评估进展相关事件后，接下来对原发性肿瘤进行了改变相关分析。包括顺式分析，强调每个高度改变的驱动基因对其自身相关RNA、蛋白质和PTM水平的影响；反式效应分析描绘了改变对远端分子事件的影响。最后，以成对的方式评估驱动因素，确定了与类似下游效应相关的驱动因素。
首先是顺式分析。首先鉴定了13个高度改变的驱动基因，然后进一步分析它们的RNA、蛋白质、磷酸化和乙酰化水平（图4A，B）。
接下来是反式效应分析。分析思路是对所有可能的驱动组合进行了成对的反式分析，即给定驱动因子变化，评估特定下游效应差异。反式效应分为两组：第一组包括对蛋白质和PTM的影响；第二组包括对脂质组和代谢组的影响。结果发现，在所有研究的驱动因子对中，TERTp和PTEN改变在其对蛋白质和PTM的反式效应中相关性最强，且PTEN和TERTp改变对代谢组和脂质组的影响类似地显著正相关（图4E）。
图4. 泛肿瘤MC的表征
4.EGFR活性的糖基化和磷酸化与肿瘤复发的关系
首先比较原发性GBM与正常脑，揭示了4级星形细胞瘤中671个上调和674个下调的N-连接完整糖肽（IGP）（图5A），其中大多数上调的IGPs含有高Man聚糖，而下调的IGPs主要是岩藻糖基化的（图5 B）。结合蛋白质组数据，糖基化酶STT3A、STT3B、GANAB和PRKCSH的过表达与原发性肿瘤相关（图5C）。然后比较复发和原发性肿瘤，发现复发性肿瘤的过表达的IGPs主要是来自糖蛋白的High-Man或岩藻糖聚糖（图5D），包括CNTN2、NPTN、ASAH1和NFASC。进一步的，这些糖蛋白的丰度通过ROC分析成功区分了复发性和原发性肿瘤（图5E）。然后，作者分析了在GBM中最常见的EGFR体细胞突变（A289和G598）、顺式分析（Y316）涉及的磷酸化显著上调，以及使用UCSF Chimera软件中的EGFR活性二聚体结构的N352和N603糖基化之间的空间关系（图5G）。
图5. 4级星形细胞瘤中糖基化程序的改变以及EGFR的深入分析
5.靶向蛋白质组学和激酶库辅助的蛋白质-蛋白质相互作用分析识别途径中断
接下来，利用全球蛋白质组学数据来检测超出初始EGFR的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）的变化。首先，原发性肿瘤中的基线计算证明了蛋白质亚基和其他已知相关的蛋白质（如PIK3R1和PIK3CA）的强正相关性，以及其他蛋白质（如PKN2和PDPK1）之间的负相关性（图6A）。
然后，分析遗传突变和野生型之间PPI的相关性的改变（图6B），发现了14种蛋白质关系在相关性方面表现出显著的畸变，且一半涉及与EGFR的相互作用（图6C），从而将PPI的破坏确定为体细胞基因改变的常见效应。
接下来分析配对的原发性和复发性肿瘤之间PPI的改变（图6E），确定了85个与复发状态相关的显著致癌相关PPI相关性。其中，CDK2和CDK6，AKT1和XIAP仅在复发性样品中表现出显著的蛋白丰度相关性（图6F），这可能反映了耐药表型。
最后，通过比较突变和WT肿瘤中五个改变的基因的磷酸化位点来研究基因改变如何影响其自身同源蛋白以外的信号传导途径（图6G）。
图6. 蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）差异与体细胞改变和复发状态相关
6.PTPN11可能作为EGFR、PDGFRA和IDH1信号传导的网络中心
在分析了HGG中的体细胞驱动因子后，作者集中在一个特定的驱动因子：PTPN11。在本研究中，鉴定了11名患者（约6%）的PTPN11突变和1名患者的PTPN11扩增（图7A）。多个位点的突变位于PTP和N-SH 2结构域之间的分子内相互作用位点，其属于调节PTP催化位点，因此突变可能会破坏这种相互作用，并将PTPN11从抑制状态转换为活性状态（图7B）。此外，顺式和反式分析揭示了IDH1突变型肿瘤中的高PTPN11-Y546磷酸化，不同于EGFR改变的肿瘤中观察到的高PTPN11-Y62磷酸化（图7C）。
接下来，研究了这两个磷酸化位点对PTPN11下游信号传导途径的影响，发现了他们之间的差异，体现在与PI3K/AKT途径和ERK激酶，以及与缺氧相关激酶（AMPKA和AMPK相关激酶）活性之间不同的相关性（图7D-7F）。
然后，开始找受这两个磷酸化位点调节的下游磷酸化位点，基于激酶底物分析，高PTPN11 Y62和Y546磷酸化分别与多个位点的低IRS1磷酸化和低MAP3K5 S958磷酸化相关（图7E），且PPI分析也显示PTPN11突变改变了蛋白质与IRS1和PTK2的相互作用（图7F）。
图7. 蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）差异与体细胞改变和复发状态相关
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7.IDH突变型HGG中与RTK激活和缺氧信号失调相关的代谢酶/途径
最后，作者在GBM和IDH1突变型星形细胞瘤之间进行了比较分析。
首先，差异甲基化分析在IDH突变型肿瘤中鉴定出7,914个上调和134个下调的甲基化位点；代谢物丰度分析鉴定了在IDH突变型肿瘤中丰度上调的三种代谢物：2-羟基戊二酸（2-HG）、甘油3-磷酸和肌醇；差异蛋白质丰度的富集分析揭示了癌症相关的RTK和缺氧途径（图8A-8C）。进一步的RNA分析和PPI分析支持了IDH突变型肿瘤中较低的缺氧特征这一结论（图8D）。
然后，通过对IDH-WT和IDH突变型星形细胞瘤和NAT切片进行CODEX分析，进一步支持了IDH-WT肿瘤具有更大的HIF 1A途径活化（图9E）。
最后，利用激酶文库，探索了IDH突变对细胞内信号传导的影响。发现IDH突变型肿瘤显示出显著较低的AMPKA和AMPK相关激酶活性（图8F）。
图8. 4级IDH突变型星形细胞瘤中的失调通路
三、小结
到这里文章的主要内容就介绍完了。总的来说，研究比较了181例IDH-WT原发性GBM和16例IDH突变型4级星形细胞瘤，重点挖掘了与IDH突变相关的显著改善预后的分子基础，增加了先前GBM的CPTAC研究。本研究提供的高质量多组学数据为神经肿瘤学界提供了宝贵的资源。
参考文献
Liu, Jingxian, et al. "Multi-scale signaling and tumor evolution in high-grade gliomas." Cancer Cell 42.7 (2024): 1217-1238.
