KRASs是人類惡性腫瘤中突變率高的致癌基因之一，特別是在胰腺癌(PAAD)、結直腸癌(CRC)和非小細胞肺癌(NSCLC)中。KRAS突變腫瘤的特征是通過持續激活細胞內的大量磷酸化信號通路，從而促進腫瘤發生發展。盡管目前對KRAS突變腫瘤的研究取得了一些進展，但對蛋白質組和磷酸化蛋白質組的多方面描述還很欠缺。2021年8月9日，中國科學院上海藥物研究所的譚敏佳和黃敏團隊合作在Molecular Cell上在線發表了題為“A proteomic and phosphoproteomic landscape of KRAS mutant cancers identifies combination therapies”的研究論文。該研究提供了不同組織來源的43株KRAS突變腫瘤細胞系的蛋白質組學和磷酸化北京蛋白組學圖譜。通過整合轉錄組學、蛋白質組學和磷酸化蛋白質組學數據，實現了基于多組學的KRAS突變腫瘤的分子分型，并在此基礎上揭示了KRAS突變腫瘤的準確治療新策略。

樣本策略：

AAD、NSCLC、大腸腺癌(CoAD/Read)、乳腺浸潤癌(BRCA)、胃腺癌(STAD)、宮頸鱗癌和宮頸腺癌(CESC)、膀胱尿路上皮癌(BLCA)組織來源的43株KRAS突變腫瘤細胞。

技術策略：

TMT標記蛋白質組學、磷酸化蛋白組學；轉錄組學（公共數據庫中下載的數據）

技術路線

研究結果

01基于多組學的KRAS突變腫瘤細胞的分子分型

該研究收集了不同組織來源的43株KRAS突變腫瘤細胞進行了系統的蛋白質組學和磷酸化蛋白組學分析。所有數據集共檢測到>14500個蛋白質（FDR為百分之1），>5600個磷酸化蛋白質以及>19700個磷酸化肽段(圖1C和1D)。為了多方面了解KRAS突變癌癥的分子異質性，研究人員將蛋白組和磷酸化蛋白組數據與GDSC數據庫（癌癥藥物敏感性基因組學）中公開可用的轉錄數據進行了整合，通過無監督聚類分析將KRAS突變細胞分為三個具有不同生物學特征的亞型（S1、S2和S3）（圖1E）。并且這些亞型可用于對臨床樣本的大型獨立數據集進行分層。

圖 1. 基于多組學的KRAS突變腫瘤細胞的分子分型

02生物信息學揭示KRAS突變亞群的分子特征

為了獲得三種亞型的不同臨床結果的分子特征，研究人員進行了基因集富集分析（GSEA），結果顯示S2亞型表現出比其他兩種亞型更高的致癌信號傳導途徑富集（圖2A和2B）。表明多組學特征可以更好地與KRAS突變癌癥的臨床結果相關聯。進一步研究了每種亞型的相關通路。S1在mRNA水平上在細胞周期相關通路中顯著富集，在mRNA和蛋白水平上也顯示了EMT和MYC通路的顯著富集（圖2A和2B）。S2顯著富集在KRAS和炎癥反應通路（圖2A和2B）。S3的標志性通路較少，這可能與S3亞型患者預后良好相關（圖2A）。

圖2.KRAS突變亞型的通路分析

03磷酸化蛋白質組分析揭示治療KRAS突變癌癥的藥物組合

KRAS突變激活了多條下游通路。先前的研究表明，阻斷個別下游通路幾乎不能達到治療效果。因此，研究人員提出假設，采用兩種藥物可能顯示出更高的協同效應。為了驗證這一假設，通過CPBA（compensatory phosphoprotein biomarker analysis）分析（圖3A），對藥物進行組合評分終得到41種藥物組合。在這些組合中，所有藥物組合均對S2亞型有效，5種藥物組合對S3亞型有效，而沒有組合對S1亞型有效，可能是因為各亞型之間的磷酸化水平不同。并且已有研究報道了MEK和SHP2以及MET和VEGFR的聯合克制劑，在KRAS突變癌癥中顯示出良好的治療效果。接下來測試了5種新的藥物組合的治療潛力，即SHP2和DOT1L、SHP2和ERK、MEK和FNTA、DOT1L和ERK以及DOT1L和AKT。在KRAS突變的PANC-03-27細胞中，所有藥物組合的治療效果都比任何一種單一療法都強得多（圖3B）。這些結果支持了假設，即CPBA可能是預測聯合用藥治療KRAS突變癌癥療效的有用方法。

圖3. 磷酸化蛋白質組學揭示KRAS突變癌癥的藥物組合

04DOT1L和SHP2聯合=克制劑對S2亞型具有特異性治療作用

CPBA分析預測了DOT1L-SHP2藥物組合對S2亞型的治療潛力。為了探索該預測組合治療效果，研究人員在41株KRAS突變腫瘤細胞系中進行了測試（圖4C）。結果表明，S2亞型對該藥物組合更加敏感。值得注意的是，DOT1L-SHP2組合與亞型（p=0.0000046）顯著相關，但與組織來源相關性較弱（p=0.86）。有研究報道了MEK-SHP2組合對KRAS突變腫瘤的治療潛力。因此研究人員通過18株KRAS突變腫瘤細胞系對MEK-SHP2和DOT1L-SHP2組合進行了比較，結果發現DOT1L-SHP2組合在S2亞型具有更顯著的治療效果（p=0.0015），而MEK-SHP2組合未顯示出明顯的亞型特異性（p=0.085）。該發現表明DOT1L-SHP2組合對于KRAS突變腫瘤的S2亞型具有更顯著的優勢。此外，研究人員還通過小鼠模型對DOT1L-SHP2組合的體內治療效果進行了評價，也證實了DOT1L和SHP2聯合治療S2亞型KRAS突變腫瘤的潛力。

圖4. DOT1L和SHP2聯合克制劑對S2亞型的特異性治療作用

總結 

該研究基于蛋白質組-磷酸化蛋白質組-轉錄組學的多組學數據，揭示出KRAS突變腫瘤在蛋白質組和磷酸化蛋白組層面的分子特征，基于組學數據將KRAS突變腫瘤細胞分為三個具有不同生物學特征的亞型，并基于CPBA分析發現了亞型特異性的準確治療新策略?？傊?，該研究為更好的了解KRAS突變腫瘤的異質性和實現準確治療提供了重要資源。

文獻名稱

KRAS突變腫瘤的蛋白質組學和磷酸化蛋白質組學圖譜確定聯合療法

期刊名稱

Molecular Cell

影響因子

15.584

研究對象

KRAS突變腫瘤細胞

技術策略

TMT蛋白組學、磷酸化蛋白組學、轉錄組學（公共數據庫中下載的數據）