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隨著組學(xué)新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，加快了組學(xué)研究向定量化，高通量的方向發(fā)展，通過(guò)對(duì)多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析，已成為科學(xué)家探索生命機(jī)制的新方向。今天給大家分享一篇今年7月發(fā)表在Theranostics（IF:11.6）的文章。這篇文章整合了基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)的數(shù)據(jù)探究KRAS突變?cè)诮Y(jié)直腸癌（CRC）中的分子機(jī)制和臨床意義。
Integrated multi-omics characterization of KRAS mutant colorectal cancer
KRAS突變型結(jié)腸直腸癌的綜合多組學(xué)特征分析
背景
KRAS是CRC中最常見(jiàn)的突變的致癌基因之一，約40%的CRC患者存在KRAS激活錯(cuò)義突變。KRAS基因編碼一種GTP/GDP結(jié)合蛋白，屬于鳥苷三磷酸酶（GTPase）RAS家族，并觸發(fā)多種磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)。一旦KRAS突變發(fā)生，GTP的水解被破壞，或核苷酸交換增強(qiáng)，導(dǎo)致KRAS在活性狀態(tài)下的積累，并促進(jìn)下游信號(hào)通路的構(gòu)成性刺激，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖和存活。越來(lái)越明顯的是，致癌的KRAS突變介導(dǎo)了腫瘤微環(huán)境（TME），特別是通過(guò)促進(jìn)炎癥和抑制免疫反應(yīng)，并最終導(dǎo)致免疫逃避和腫瘤進(jìn)展。然而，在具有KRAS突變的CRC中，TME的細(xì)胞異質(zhì)性仍有待研究。信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和多個(gè)KRAS突變等位基因的異質(zhì)性特征導(dǎo)致了開(kāi)發(fā)針對(duì)KRAS突變體腫瘤的分子靶向治療的困難。
先前對(duì)KRAS突變型癌癥的大規(guī)模組學(xué)研究極大地提高了對(duì)KRAS驅(qū)動(dòng)的癌癥的分子多樣性的理解。到目前為止，主要的研究都是基于基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)。值得注意的是，最近的研究已經(jīng)證明了蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)特征在推進(jìn)對(duì)腫瘤異質(zhì)性的理解方面的重要性。
在這篇文章中，作者報(bào)道了KRAS突變的CRC腫瘤可以根據(jù)整合的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)，分為兩種不同的分子亞型。這兩種亞型具有不同的臨床特征、生物學(xué)途徑、拷貝數(shù)改變和與KRAS信號(hào)激活相關(guān)的磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)。激酶網(wǎng)絡(luò)分析和藥物敏感性預(yù)測(cè)也揭示了潛在的治療藥物，可能有助于治療特定的亞型。
結(jié)果
KRAS突變型與野生型CRC的分子比較
KRAS激活信號(hào)通路及各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)抑制劑總結(jié)如圖1A。對(duì)CRC患者的預(yù)后生存分析顯示，KRAS突變組相較于野生型的結(jié)果更差（圖1B），在校正了年齡、性別、臨床分期和MSI狀態(tài)后，在多種變量回歸模型中，這種相關(guān)性仍然顯著（圖1C）。基于GSEA分析顯示KRAS突變型（Mut）和野生型（WT）具有不同的通路富集（圖1D）。接下來(lái)，基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)，比較了KRAS-Mut和KRAS-WT CRC的差異。其中KRAS-Mut組腫瘤遷移和PI3K/AKT激活顯著上調(diào)，而KRAS-WT組免疫調(diào)節(jié)和細(xì)胞代謝顯著上調(diào)（圖1E）。基于基因組學(xué)，比較了KRAS-Mut和KRAS-WT樣本中的體細(xì)胞拷貝數(shù)改變和非整倍體評(píng)分，KRAS-Mut組均表現(xiàn)出較低水平的改變（圖1F，G）。KRAS突變與CRC中25個(gè)最常見(jiàn)的突變基因之間的關(guān)系如圖1H所示，CRC中RID1A和ACVR2A突變與KRAS突變相互排斥，進(jìn)一步提示CRC中存在遺傳畸變。
KRAS-Mut的CRC單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組景觀分析
基于bulk RNA-seq數(shù)據(jù)來(lái)量化基質(zhì)和免疫細(xì)胞浸潤(rùn)，大部分細(xì)胞亞群在KRAS-Mut和KRAS-WT腫瘤之間的顯著差異（圖2A）。從16個(gè)KRAS-WT和13個(gè)KRAS-Mut的CRC中共獲得55539個(gè)單細(xì)胞屬于6種主要的細(xì)胞類型（圖2B），并分別展示4種細(xì)胞類型中KRAS-Mut和KRAS-WT的差異（圖2C，D）。
KRAS-Mut組的分子亞型的鑒定
進(jìn)一步整合轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)，KRAS-Mut CRC被分為兩個(gè)亞型（KM1和KM2；圖3A，B）。同時(shí)作者也分別在三個(gè)組學(xué)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行了無(wú)監(jiān)督聚類分析，但結(jié)果顯示整合三種組學(xué)數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確地對(duì)KRAS-Mut CRC進(jìn)行分類（圖3C）。為了識(shí)別KM1和KM2亞型之間最具鑒別性的分子特征，使用隨機(jī)森林方法分別在mRNA、蛋白和磷酸化蛋白水平上篩選出5個(gè)mRNA、10個(gè)蛋白和19個(gè)磷酸化蛋白作為分型特征因子（圖3D）。作者進(jìn)一步比較了KRAS中的突變殘基，KM1和KM2亞組之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖3E，F(xiàn)）。KM1與KM2亞組相比，患者有更好預(yù)后（圖3G，H）。
KRAS-Mut CRC的腫瘤基因組變異
作者進(jìn)一步分析了KRAS-Mut CRC患者的基因組景觀。結(jié)果顯示ARID1A和BRAF在KRAS-WT組中的突變率高于KRAS-Mut組（圖4A）。CRC腫瘤中KM1、KM2和KRAS-WT中單核苷酸變異存在差異（圖4B），提示在KRAS突變的異質(zhì)性中存在特定的突變過(guò)程。隨后，作者從基因組數(shù)據(jù)中提取了5個(gè)突變特征（圖4C），突變計(jì)數(shù)和CNA的基因組改變?cè)贙M1、KM2和KRAS-WT亞型腫瘤中具有顯著差異（圖4D，E）。
KRAS突變模式具有特定的臨床特征和分子過(guò)程
作者探究了不同亞型間的臨床特征差異。發(fā)現(xiàn)所有的MSI陽(yáng)性腫瘤都聚集在KRAS-WT亞組中，并導(dǎo)致了高突變表型、MSI和免疫相關(guān)的CMS1轉(zhuǎn)錄組亞型的聚集和BRAF、ARID1A突變。KM2與腫瘤晚期、間充質(zhì)表型、CMS4轉(zhuǎn)錄組亞、ProS-C蛋白質(zhì)組亞型和免疫亞型2相關(guān)，提示間質(zhì)浸潤(rùn)、血管生成和預(yù)后較差。KM1亞型主要表現(xiàn)為腫瘤早期、CIN表型、上皮細(xì)胞和代謝相關(guān)的CMS3轉(zhuǎn)錄組亞型、ProS-E蛋白質(zhì)組亞型和免疫亞型1（圖5A-C）。亞型間富集的生物過(guò)程和免疫浸潤(rùn)也具有顯著差異（圖5D，E）。
不同KRAS突變模式功能富集差異分析
作者對(duì)KM1和KM2腫瘤亞型在RNA，蛋白質(zhì)和磷蛋白水平上進(jìn)行了功能富集差異分析，以進(jìn)一步闡明KRAS突變亞型的生物學(xué)意義（圖6）。
分子特征和藥物敏感性分析揭示了KRAS-Mut CRC的亞群特異性治療
作者進(jìn)一步探討了KRAS-Mut亞型在CRC中的潛在脆弱性。41個(gè)KRAS突變的CRC細(xì)胞系被篩選并分類為KM1或KM2亞群。在KM1和KM2子集之間鑒定了31個(gè)具有顯著不同的依賴性得分的基因（圖7A），并確定了13個(gè)基因作為亞群特異性的癌癥依賴基因（圖7B）。其中，KM2亞型包括PI3K/AKT信號(hào)相關(guān)的ZFP36L1和VEGF信號(hào)相關(guān)的COL5A1和TLN1；KM1亞型具有細(xì)胞周期/有絲分裂依賴的CCNB3、RAD21和核心Wnt信號(hào)分子CTNNB1。
為了進(jìn)一步鑒定KRAS-Mut CRC亞型的亞群特異性治療藥物，作者在三個(gè)藥物反應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中來(lái)研究KM1和KM2細(xì)胞亞群的潛在的治療藥物（圖7C，D）。最后，作者畫了一張總結(jié)圖來(lái)展示KRAS-Mut亞型信號(hào)通路，以概述在KRAS-Mut CRC中的發(fā)現(xiàn)（圖7E）。
小結(jié)
KRAS在CRC中經(jīng)常發(fā)生突變，并參與了CRC的發(fā)生、進(jìn)展、免疫逃避和治療耐藥性。由于KRAS突變的廣泛異質(zhì)性，KRAS突變的CRC患者需要更精確和個(gè)性化的治療。本研究利用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析來(lái)探討KRAS-Mut CRC腫瘤的臨床病理和分子特征。該研究揭示了在KRAS-Mut CRC中靶向信號(hào)蛋白、磷酸化位點(diǎn)和基因組改變的新的分子亞型和治療機(jī)會(huì)，對(duì)分子表型和突變譜的描述可能會(huì)在揭示KRAS-Mut CRC的分子異質(zhì)性方面取得重大進(jìn)展。從多組學(xué)的角度作為切入點(diǎn)，當(dāng)然也可以結(jié)合熱點(diǎn)或者關(guān)注的研究方向，在多個(gè)層面探究腫瘤的異質(zhì)性、分子特征等，相信文章會(huì)更好發(fā)，感興趣的小伙伴不要錯(cuò)過(guò)。
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