胃癌(GC)是消化系統最常見的惡性腫瘤之一,也是全世界與癌癥相關死亡的第二大原因。GC的危險因素包括吸煙、高鹽飲食、大量肉類攝入、膽汁反流和幽門螺桿菌感染。DOS、XELOX和抗HER2治療胃癌時會出現廣泛的化療耐藥性。但在過去幾年中,許多化療反應的研究都集中于細胞系中的單一藥物,而不是聯合治療??偟膩碚f,目前尚缺乏預測GC治療反應的綜合分子圖景。

01 胃癌隊列:胃癌患者對化療和靶向治療的反應
為了研究與化療和靶向治療反應相關的蛋白質組模式,研究團隊收集了206例接受DOS治療(DOS亞組,N=44)、XELOX治療(XELOX亞組,N=70)或抗HER2治療(HER2亞組,N=71)的GC患者。另外21名患者被分配為“其他患者”,其中3名患者接受了阿帕替尼或多西紫杉醇治療,18名患者沒有化療信息。對206名化療前的GC患者的福爾馬林固定石蠟包埋(FFPE)組織進行蛋白質組學分析。參與研究的所有患者的基線臨床特征顯示,DOS、XELOX和HER2亞組在性別、年齡、年級和Lauren類型方面沒有基線差異。生存分析顯示,敏感組(S,N=79)的生存率高于非敏感組(NS,N=97)。

02 胃癌隊列的蛋白質組學分析
研究團隊采用每兩天測量一次HEK293T細胞裂解物作為質量控制標準,QC樣本間的平均相關系數為0.964,證明了MS平臺的一致穩定性。蛋白質組學檢測結果顯示,所有患者樣本中共鑒定出12519個基因產物(GP)(N=206),每個樣品產生6369–8119個基因產物。在DOS、XELOX和HER2亞群中分別鑒定出10496個GP、10766個GP和10920個GP。主成分分析(PCA)顯示DOS、XELOX和HER2亞群之間沒有批次效應。在S(11258 GPs)和NS(11388 GPs)之間的蛋白質組覆蓋率沒有觀察到顯著差異。

03 GC隊列的蛋白質組分型及其與治療反應的關系
基于1000個最可變蛋白質,對206例樣本進行一致性聚類分析,分成四種亞型:G-I(N=29)、G-II(N=60)、G-III(N=97)和G-IV(N=20),并與生存率有顯著相關性,其中G-IV亞型總體生存率最差。排除隨訪失敗的患者后,僅對179名患者進行了相同的一致性聚類分析,結果顯示206例樣品和179例樣品的兩個蛋白質組亞型系統之間高度一致。從G-I到G-IV,化療和靶向治療反應表現出逐漸的耐藥性現象,G-IV預后最差。此外,蛋白質組亞型與治療亞群或TNM分期之間的明顯關聯,但在分級、Lauren類型、原發部位或腫瘤純度方面均未觀察到這種關聯。總的來說,這些結果證明了蛋白質組亞型與治療反應和預后之間的密切聯系,并支持其在蛋白質組水平上的可靠性。

G-I亞型以內吞作用為主,一組內吞相關蛋白,如DNM2、EPS15、WIPF1、ACAP2和CHMP6,與總存活率呈正相關。在G-II亞型中,觀察到糖酵解/糖異生和泛酸/CoA生物合成顯著富集。在G-III亞型中,溶酶體酸性水解酶蛋白酶(如CTSA、CTSB、CTSC和CTSE)和合成溶酶體酶(如CLTA、CLTB、GGA1和AP1S2)顯著富集。與其他三種亞型相比,G-IV亞型以ECM受體相互作用、局部粘附、補體/凝血級聯和PI3K-AKT信號通路為特征,其中ECM受體相互作用通路的激活表明預后較差。

G-IV亞型中THSD4的高表達與不良預后顯著相關。體外實驗進一步證實THSD4過表達降低了化療藥物(包括多西紫杉醇、奧沙利鉑和5-FU)的抗腫瘤作用。在一個60名接受化療或基于抗HER2治療的獨立隊列中,基于PRM技術的靶向定量結果顯示ECM蛋白在DNSG中的表達高于DSG??偟膩碚f,結果表明細胞外基質蛋白的高表達與耐藥性相關,這些細胞外基質蛋白質可以作為預測化療反應的指標。

04 胃癌的MSS/MSI狀態與腫瘤免疫微環境和治療耐藥性相關
為了進一步測試復旦GC隊列(FDGC)的蛋白質組分型算法在其他GC隊列中是否可行,研究團隊在三個獨立的GC患者隊列(BPRC隊列,N=84;EOGC隊列,N=80;ACRG隊列,N=30)中使用相同的模型和FDGC分型算法,結果證明了FDGC隊列的蛋白質組亞型在其他GC隊列中的穩健性。FDGC亞型與EOGC亞型或ACRG亞型之間存在顯著一致性,但FDGC亞型和BPRC亞型之間無差異,這可能是由于FDGC亞類型和EOGC亞型或ACRG亞型之間的Lauren型組成相似,而BPRC隊列僅包括彌漫型癌癥。
ACRG隊列的MSS/EMT亞型占56% G-IV亞型。研究團隊推測,MSS或EMT的特征可能與低生存率有關。在ACRG隊列和FDGC隊列中,低MSI/MSS sig與不良臨床結果顯著相關,這與先前的研究一致。MSI/MSS sig高的胃癌以氧化磷酸化為特征,而MSI/MSS-sig低的胃癌表現出細胞外基質蛋白的高表達。MSI/MSS相關免疫細胞類型(單核細胞和巨噬細胞M1)已被證明與IV期患者的臨床結果相關,表明免疫細胞類型對IV期患者預后的重要性。

05 T細胞受體信號通路在DOS和XELOX化療中發揮不同的作用
接下來對接受不同化療方案GC患者的MSI/MSS-sig與臨床結果的相關性進行研究。令人驚訝的是,DSG的MSI-sig水平高于DNSG,但XSG和XNSG之間沒有明顯差異。生存分析也表明高MSI-sig的GC患者在DOS治療中與總生存率呈正相關;而在XELOX治療中,沒有觀察到MSI/MSS-sig與臨床結果之間的差異。這些結果表明MSI-sig高的GC患者可以從DOS治療中受益,但不能從XELOX治療中受益。
GSEA分析顯示,TCR信號通路在DSG中富集,并且該通路的高激活度表示DOS亞群的預后較好;相反,在XELOX亞群中,XNSG富含TCR信號通路,高表達代表預后差。xCell分析顯示,DSG亞組富含免疫細胞如CD8+Tcm、CD8+Tem、B細胞、樹突狀細胞(cDC和iDC);CD8+Tcm、CD8+T細胞和cDC在XNSG中富集。在這些免疫細胞中,CD8+Tcm與TCR信號通路呈正相關??偟膩碚f,免疫調節在DOS和XELOX化療中發揮不同的作用。
單變量cox分析確定了一組涉及免疫調節的12種蛋白質(如BCL2L1、CD81、CTSE、ENAH、MRC1、ORMDL3、RAB24、REG3A和VNN1)和ERBB信號(如ERBB2、MAP2K2和PPP3CB)與DOS亞群中的無病存活率(DFS)呈正相關,而XELOX亞群中則呈負相關。在12種蛋白質中,ERBB2在XELOX亞群中是一個不良的預后因子。

06 ECM/PI3K-AKT通路的激活與抗HER2靶向治療的耐藥性相關
為了研究抗HER2靶向治療敏感或非敏感反應的功能特征和分子標記,對HSG和HNSG進行了進一步的比較分析。KEGG通路富集分析表明HSG具有TCR信號通路等特征。而HNSG以ECM受體相互作用、PI3K-AKT途徑等為特征。此外,ECM與臨床結果呈負相關。GSE77346的基因表達譜數據分析顯示及體外驗證實驗表明抑制PI3K-AKT與抗HER2治療聯合存在潛在的協同效應。

07 GC化療和靶向治療預測模型的構建和驗證
接下來比較S過表達和NS過表達蛋白質組是否能夠區分敏感GC患者和非敏感GC患者對DOS治療、XELOX治療、抗HER2治療或聯合化療的反應。分別分析了DSG(N=22)和DNSG(N=2 2)、XSG(N=27)和XNSG(N=42)、HSG(N=32)和HNSG(N=37),在DOS、XELOX和HER2亞群中發現234、278和194個差異表達蛋白(DEP)?;贒SG/DNSG-sig(N=6)、XSG/XNSG-sig(N=14)、HSG/HNSG-sig(N=12),我們對訓練集進行了10倍交叉驗證,得到了三個具有高靈敏度(真陽性率)的預測模型(≥89%)和特異性(真陰性率)(≥88%)。應用于獨立測試集時,三種預測模型分別實現了89%、93%和100%的高準確率。通過PRM分析,在一個獨立隊列中驗證了不同療法(包括DOS、XELOX和抗HER2)中標志蛋白的預測能力。此外,XSG/XNSG sig模型也在外部臨床注釋的BPRC DGC隊列中得到了驗證。

08 CTSE的過度表達通過穩定微管協同增強多西紫杉醇的敏感性
基于蛋白質組亞型分析,研究團隊發現細胞內蛋白酶,如組織蛋白酶E(CTSE)在G-III亞型中過表達,對DOS有反應,但對XELOX治療無反應;在隨后的DOS和XELOX亞群的差異分析中進一步驗證了該結果。綜上所述,CTSE的表達水平與患者對DOS的化療敏感性呈正相關。CTSE的過表達和DOC處理協同降低了微管組裝生物過程中涉及的蛋白質的表達水平,對DOS治療有積極反應。

09 TKTL1的過度表達通過誘導異常染色體分離降低了對多西紫杉醇的敏感性
轉酮酶樣-1(TKTL1)是戊糖磷酸途徑非氧化部分中的限速酶,已被證明可促進致癌和細胞增殖。與CTSE相反,TKTL1的水平與DOS治療呈負相關。體外實驗證實DOC可誘導MKN45細胞系中的G2/M阻滯,并促進細胞凋亡;然而,在DOC治療后,TKTL1的過度表達減輕了G2/M阻滯并減少了細胞凋亡。TKTL1通過引起異常染色體分離和DNA非整倍體而促進DOC處理的細胞存活。最后,我們提出了一個模型,其中CTSE通過微管穩定效應作為DOC化學敏感性的細胞內增強劑,而TKTL1通過誘導異常染色體分離作為衰減劑。

研究結論
研究團隊對206例接受化療或抗HER2治療的GC患者FFPE腫瘤組織的蛋白質組進行了分析。基于蛋白質組的分類揭示了與不同臨床和分子特征相關的四種亞型。高MSI-sig的GC患者受益于多西紫杉醇聯合治療,并伴隨抗癌免疫反應。進一步研究表明,高T細胞受體信號傳導的患者對基于HER2的治療有反應;而細胞外基質/PI3K-AKT通路的激活損害曲妥珠單抗的抗腫瘤作用。CTSE作為多西紫杉醇化療敏感性的細胞內增強劑發揮作用,而TKTL1作為衰減劑發揮作用。最后,我們開發了預測治療反應的高精度預后模型,并在獨立驗證隊列中進一步驗證。本研究為研究胃癌化療和靶向治療的機制和指標提供了豐富的資源。
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