小细胞肺癌的蛋白质组学特征

确定了生物学见解和亚型特异性治疗策略

一、背景

       小细胞肺癌（SCLC）作为肺癌中占比15%的亚型，是全球癌症致死的主要原因之一，其恶性程度和致死率均居肺癌之首。SCLC患者的五年生存率极低，仅为5%，这主要归因于其高速增殖、强转移特性以及对治疗的显著抵抗性，导致预后效果极差。尽管在非小细胞肺癌（NSCLC）的治疗领域，靶向治疗和免疫治疗已取得了长足进步，但SCLC的治疗手段却鲜有突破，患者生存率在数十年间未有显著提升。因此，深入探究SCLC的分子机制，对于推动精准医疗的发展、改善患者预后具有迫切需求。

二、研究方法

       本研究纳入了112例未接受治疗的中国小细胞肺癌（SCLC）患者的原发性肿瘤组织及其相邻正常组织作为对照，通过综合运用基因组学、转录组学、蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学的数据资源，开展了一项全面的多组学分析。研究过程中，采用了全外显子测序（WES）、RNA测序（RNA-seq）以及同位素标记的蛋白质组学技术（TMT-MS），对样本进行了深入的分子特征剖析。

三、研究结果

1. 中国人群 SCLC 蛋白质基因组分析概述

       研究团队收集了112例中国未经治疗的小细胞肺癌（SCLC）患者肿瘤及其配对正常邻近组织（同济大学[TU]-SCLC队列），采用全外显子测序（WES）、RNA测序（RNA-seq）及整体蛋白质组和磷酸化蛋白质组学技术进行全面分析。共鉴定出28,471个非同义体细胞突变、27,080个体细胞拷贝数改变（SCNA）、11,209个蛋白质和62,881个磷酸位点。TP53（72%）和RB1（56%）是最常突变的基因，且TP53和RB1的失活在SCLC中至关重要。尽管TP53突变率较西方人群低，但与日本队列相似；RB1突变率与其他队列差异不显著。此外，ZFHX3突变频率高（19%）。中位肿瘤突变负荷（TMB）为每百万碱基对5.45个非同义突变，TMB高的患者总生存期（OS）更佳。研究确定了四个突变特征，其中93%患者为吸烟主导型，15%为错配修复缺陷主导型（dMMR-dominant），后者OS更差。dMMR-dominant肿瘤TP53突变少，而FAT1和错配修复途径基因突变多。这些发现揭示了烟草致癌物与SCLC的关系及DNA修复缺陷在SCLC中的重要性。

TU-SCLC队列的基因组图谱

2. 通过综合分析研究基因组畸变的影响

       SCNA分析揭示了多条染色体的扩增与缺失。研究团队评估了SCNA对mRNA、蛋白质和磷蛋白丰度的顺式和反式影响。在顺式效应中，他们发现了大量显著正相关，并鉴定了261个在肿瘤与正常组织间差异表达的蛋白，这些蛋白主要涉及mRNA加工、DNA修复和有丝分裂。反式效应方面，染色体5q的缺失与多个生物过程相关，特别是DNA复制、修复和细胞周期进展。特别地，NKX2-1、GNAS、AURKA等关键基因与SCLC的致癌性或药物靶点相关。RB1缺失在蛋白水平上显著影响524个蛋白，主要富集于粒细胞活化、干扰素应答等途径，而167个负相关蛋白则与DNA构象改变相关。磷酸蛋白水平分析进一步证实了这些途径受RB1缺失的影响。此外，FAT1突变与上皮间充质转化(EMT)和黏着斑途径上调有关，且fat1突变肿瘤中VIM磷酸化位点增加，主要参与细胞骨架重组和运动。

SCLC 的体细胞改变和突变谱

3. 肿瘤-NAT 比较揭示SCLC 相关蛋白质组事件

       主成分分析(PCA)表明肿瘤与正常相邻组织(NAT)在mRNA、蛋白质和磷酸化水平上有显著差异，且肿瘤异质性更高。差异分析揭示了肿瘤中DNA复制、细胞周期等途径上调，而补体、凝血级联等途径下调。定义了25个在90%以上肿瘤中表达量升高2倍以上的SCLC相关蛋白，其中STMN1、TMA7等蛋白与致癌作用相关，且其敲低可降低细胞增殖。纯SCLC与合并SCLC的蛋白质变化大多相似，但22种蛋白在纯SCLC中特异性增加。此外，1667个磷酸化位点在肿瘤中上调2倍以上，其中81%的磷酸化位点丰度变化大于相应蛋白。通过激酶活性推断和磷酸基特异性特征富集分析(PTM-SEA)，鉴定出19个活性升高的激酶，包括CHEK1等，它们在肿瘤中的磷酸化丰度变化大于蛋白丰度，且CHEK1及其底物的表达升高，参与细胞周期阻滞和DNA损伤反应。

与肿瘤发生和预后相关的蛋白质基因组改变

4. 对已识别的与生存相关的蛋白质进行功能分析

       监督分析识别了16种与患者生存相关的差异表达蛋白，其中HMGB3表达升高与较差生存率相关，CASP10表达降低与较好预后相关。免疫组织化学分析验证了这些蛋白在SCLC中的预后价值。HMGB3在SCLC中表达上调，可能作为致癌驱动因素，增加细胞迁移。染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)分析显示HMGB3结合的基因参与控制细胞迁移的途径，如黏附连接、紧密连接和黏着斑。HMGB3过表达导致促进癌细胞迁移的基因（CLDN10、PKP2、ITGB4、VTN、LAMC2）表达增加，这些基因的敲低显著减少细胞迁移。因此，HMGB3是SCLC的有价值预后生物标志物，并通过调节细胞连接相关基因的转录作为致癌因子。

蛋白质组预后生物标志物的鉴定和验证

5. TU-SCLC 队列的免疫状况

       研究表明，免疫细胞浸润与SCLC患者特征（如性别、吸烟、TNM分期）和生存显著相关。基于xCell评分，确定了热肿瘤、冷肿瘤和NAT富集三种免疫亚型，其中冷肿瘤预后较差且与神经内分泌(NE)表型相关。热肿瘤富含细胞毒性免疫细胞，上调多种免疫途径，可能适合免疫治疗。ZFHX3突变在热肿瘤中显著富集，与更高免疫评分、肿瘤突变负荷(TMB)和更好生存率相关，可能是免疫治疗的预测性生物标志物。临床试验显示，ZFHX3突变患者对新辅助免疫治疗的疗效更佳。冷肿瘤中DNA复制、细胞周期和DNA损伤修复途径与免疫评分负相关，推测DDR活性升高可能导致免疫抑制。胞质DNA传感通路与免疫评分正相关，DDR活性可能通过减弱cGAS-STING通路激活导致免疫抑制。

TU-SCLC 队列的免疫状况

6. 具有独特生物学特征的多组学亚型

       研究整合了107个SCLC肿瘤的mRNA、蛋白质和磷酸化数据，通过NMF无监督聚类分为四个亚型：nmf1（高增殖、DNA损伤相关），nmf2（TMB最高，特征蛋白少），nmf3（ECM受体相互作用、RTK信号活性增加），nmf4（MYC靶点高表达、RNA代谢途径富集、高染色体不稳定性）。各亚型具有不同CNA特征、转录因子表达模式和分子特征。nmf1亚型NE得分最高，nmf3亚型EMT评分最高，nmf4亚型MYC表达活跃，且MYC磷酸化位点上调。MYC表达而非基因扩增能更好地指示MYC状态，是定义低NE特性和高POU2F3表达SCLC子集的有价值标记。

TU-SCLC队列的多组学分类及相应的生物学特征

7. SCLC 亚型特异性治疗策略

       研究基于多组学亚型特征探索了SCLC的治疗弱点。nmf1亚型与高增殖、E2F活性和复制应激相关，对RTK抑制剂不敏感。nmf3亚型RTK信号传导活性上调，对安罗替尼治疗敏感，肿瘤生长受强烈抑制。nmf4亚型对AURK抑制剂（alisertib、barasertib、AMG-900）更敏感，治疗显著抑制肿瘤生长。相比之下，nmf1亚型对这些抑制剂不敏感。这些结果表明，SCLC亚型具有不同的治疗反应，为亚型特异性治疗提供了依据。

四、结论

       本研究对112名初治SCLC患者的肿瘤和邻近肺组织进行了全面蛋白质组学分析，揭示了FAT1突变、RB1缺失和5q丢失的致癌作用，确定了预后生物标志物HMGB3，并发现其促进细胞迁移。免疫特征分析显示ZFHX3突变与高免疫浸润相关，且DNA损伤反应活性增强可能抑制免疫。多组学聚类确定了四种亚型及亚型特异性治疗靶点，并通过药物测试验证了治疗反应预测。该研究为SCLC生物学和临床实践提供了重要见解。

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