癌症中泛素-蛋白酶体系统的全景研究

《CELL DEATH AND DIFFERENTIATION》：The landscape of the ubiquitin-proteasome system in cancer

　　

泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-Proteasome System, UPS）的发现与阐明跨越了漫长的时期。它始于发现泛素（Ubiquitin, Ub）与目标底物结合的酶级联反应及其随后被蛋白酶体的降解过程。随后发展到针对该系统开发药物，并在近期通过靶向蛋白降解（Targeted Protein Degradation, TPD）技术的开发而得到进一步拓展。一直以来，UPS被发现与癌症的发病机制和治疗密切相关。正如本期两篇研究文章所述，González-Robles等人描述了癌症中UPS的临床蛋白质基因组学全景。三十五年前的研究表明，癌蛋白是由UPS降解的。随后人们认识到，“降解决定子”（degrons），即存在于某些原癌蛋白和其他短寿命蛋白质中的氨基酸残基或序列，介导了它们被E3泛素连接酶的识别，并且这些序列在癌症中经常发生突变。接着，Scheffner等人鉴定出E6-AP是第一个与癌症相关的E3连接酶。E6-AP催化p53在HPV感染细胞中的泛素化及随后的蛋白酶体降解。值得注意的是，这种降解是由病毒编码的E6蛋白介导的，该蛋白充当了“天然”的蛋白水解靶向嵌合体（Proteolysis-Targeting Chimera, PROTAC），一种类似PROTAC的化合物，将TP53物理连接至E6-AP。同样，MDM2被鉴定为调节TP53稳态的E3连接酶。然而，在多种癌症中，当MDM2过量时，它通过介导p53不受控制的降解而成为致癌蛋白。 多年来，大量的实验研究证实，癌症的发展涉及肿瘤抑制因子的降解或癌蛋白的稳定。后者是通过沉默其降解机制或主动的泛素依赖性稳定来介导的。此外，泛素（Ub）和类泛素（Ubiquitin-like, UbLs）相关酶被证明可以调节与癌症“经典”特征相关的多种非蛋白水解功能，包括致癌信号传导、基因组不稳定性、基因表达的表观遗传调控和核组织。然而，目前尚缺乏关于癌症中泛素/类泛素通路的全面临床全景。患者来源的临床蛋白质基因组学资源的出现，使研究人员能够全面分析癌症中的通路，从而为发现用于癌症诊断、治疗和TPD的相关靶点开辟了新途径。 为此，González-Robles等人使用了来自临床蛋白质组学肿瘤分析联盟（Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium, CPTAC）的数据，这是一个由美国国家癌症研究所（NCI）协调的合作项目，旨在通过大规模临床蛋白质组和基因组分析来理解癌症的分子基础，其中还包括临床记录。首先，在多达十一种肿瘤实体和二十种组织中，使用癌旁非肿瘤组织作为对照，分析了CPTAC队列的mRNA和蛋白质丰度配对比较。对于胶质母细胞瘤（Glioblastoma, GBM），由于显而易见的原因无法获得非致瘤性癌旁样本。这些比较鉴定出1025个显著失调的UPS基因（562个独特基因）和503个显著失调的E3连接酶（295个独特基因）。值得注意的是，虽然一些UPS基因的mRNA和蛋白质丰度表现出一致性，但大量转录因子、信号分子和UPS基因并未显示蛋白质丰度与mRNA水平之间的相关性，在某些情况下甚至表现出相反的关系。这表明这些蛋白质在多种癌症中是受翻译后调控的。总体而言，这些分析确定了多种癌症中（“泛癌”）以及特定癌症类型中（“谱系特异性”）多个UPS基因的失调。数学算法和统计检验强烈表明，这种失调是有选择性的，而非随机的。通过将蛋白质基因组学数据与患者的生存记录相关联，评估了这些发现的临床相关性。结果揭示了153个E3连接酶，其蛋白质水平与患者的总生存期显著相关。例如FBXL18和FBXL3分别预测了较差或较好的泛癌生存率。许多E3连接酶以肿瘤特异性的方式表现出预后价值，这种方式对某种癌症类型是独特的。在某些情况下，观察到相同的E3连接酶对生存的相互影响取决于肿瘤实体（例如TRIM28）。 此前，在Burkitt淋巴瘤的背景下，c-Myc重塑UPS的能力已得到优雅的证明。二十多年后，通过采取全局方法，筛选UPS蛋白质数量性状位点（protein quantitative trait loci, pQTLs）揭示了广泛的突变相关蛋白质组重构，影响了患者样本中所有级别的UPS。研究人员详细研究了癌症驱动突变重塑UPS的能力，对象为携带p53点突变的肿瘤。除了TP53靶基因如FBXO22的低表达外，研究人员观察到应对基因组不稳定性所需的E3连接酶增加（例如CDT2和CDC20）。此外，在多个肿瘤实体中，成熟的肿瘤抑制因子E3连接酶如VHL和FBXW7发生了复发性突变。该分析还强调了不太为人所知的E3连接酶在癌症中的潜在重要性。例如，RNF213是一种非典型的RING E3连接酶，最近在一个全面的E3-omics（E3-ome）汇编中被确定定位于中心体，并且是突变和扩增最多的泛素连接酶之一。它在Moyamoya病（一种罕见的进行性脑血管病变）中也会发生突变。 作者通过将CPTAC数据与四个额外资源进行比较扩展了他们的研究：（i）UPS共调控和（ii）全蛋白质组通路富集，（iii）谱系特异性基因编辑共依赖性（DepMap）和（iv）药物敏感性分析（PRISM）。一个引人注目的观察例子是在七种癌症实体中HECT型E3连接酶UBR5的上调与不良预后相关。“高UBR5”肿瘤的通路分析显示，这些癌症的基因特征富含DNA损伤应答（DNA Damage Response, DDR）和AKT驱动的通路，这表明UBR5使癌细胞能够应对可能在TP53突变肿瘤中加速的基因组不稳定性。事实上，DepMap分析证明了UBR5对DNA损伤、染色质和泛素相关调节因子的共依赖性。相应地，药物敏感性分析（PRISM）显示，这些肿瘤对靶向DDR的化合物高度敏感，例如ATR和ChK1抑制剂。因此，UBR5是TP53突变驱动的肿瘤影响多种癌症蛋白质稳态网络的一个例证。 使用类似的方法，TRIM28被证明以一种环境/谱系特异性的方式塑造蛋白质组，且独立于肿瘤驱动突变。“高TRIM28”肿瘤表现出c-Myc和E2F依赖性基因的高表达。此外，环境特异性通路分析指出线粒体基因特征的上调以及上皮间质转化（Epithelial-Mesenchymal Transition, EMT）程序的下调，这在头颈部鳞状细胞癌（Head and Neck Squamous Cell Carcinoma, HNSCCHigh TRIM28）中选择性地发生，但在脑肿瘤胶质母细胞瘤（Glioblastoma Multiforme, GBMHigh TRIM28）中没有。在每种肿瘤中，TRIM28具有不同的共依赖性，例如与KRAB-锌指转录因子、RNA调节蛋白的共依赖，以及对HNSCC特有的特定化合物的敏感性增加。“高TRIM28”肿瘤的预后也具有环境依赖性：在HNSCC中较差，但在GBM中较好。 靶向蛋白降解（TPD）是一个不断扩展的研究领域，无论是通过“分子胶”还是蛋白水解靶向嵌合体（PROTACs），目前已有多种化合物在临床使用中，还有更多处于临床试验阶段。在TPD中，目标蛋白（Protein of Interest, POI）的蛋白酶体降解是由一种小分子强制进行的，该小分子将其与存在于相关细胞中且具有活性的E3“招募剂”带到分子邻近位置，导致POI的泛素化及随后的降解。迄今为止，E3“招募剂”的数量仍然很少。扩大具有癌症和组织特异性的潜在E3招募剂的种类和增加其肿瘤特异性是当前面临的挑战。此外，致癌E3连接酶可以成为诊断和抑制癌症的绝佳靶点。作为识别此类E3连接酶的第一步，第二篇文章汇编了用于UPS分析的多重数据集。为了构建协调的数据集，使用了其他资源：（i）PRIDE——正常组织的尸检数据库；（ii）TPCPA——正常和健康组织肿瘤及转移灶的汇编；以及（iii）CCLE——永生化癌症患者来源的细胞系资源。这一探索识别出多个在癌变组织中富集但在相似正常组织中不富集的潜在相关E3连接酶。一个例子是FBXL18，它在脑部和头颈部肿瘤中富集。抗凋亡E3连接酶XIAP在血液肿瘤、软组织、皮肤和肺癌以及不同转移灶中富集，但在癌旁组织或正常组织中不富集。同样，KHLH7特异性地在女性生殖系统肿瘤中富集。它还识别出与环境特异性不良预后癌症相关的E3连接酶，例如肺腺癌（Lung Adenocarcinoma, LUAD）中的连接酶LTN1。这项以E3为重点的分析是对最近一项描绘E3-ome全景研究的补充，该研究整合了基于AlphaFold的结构比较、细胞内定位以及与人类疾病的联系。最后，为了使科学界能够探索UPS，González-Robles等人开发了UbiDash，该平台向公众开放，支持癌症中的蛋白质基因组学可视化。 总而言之，这两篇论文描绘了癌症中UPS和类泛素通路的蛋白质基因组学全景。它们将作为实验基础和转化研究中探究这些通路的资源，从而可能引领发现癌症中泛素生物学的基本方面及其后续的转化应用。虽然该资源主要关注蛋白质稳态，但通过泛素和类泛素通路的修饰调节着多种非降解过程以及非蛋白质底物的修饰。因此，拥有这份蛋白质基因组学路线图对于理解癌症中的这些过程也将具有巨大价值。

论文解读：《癌症中泛素-蛋白酶体系统的全景研究》

引言与研究背景

泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-Proteasome System, UPS）的发现与机制阐明历经数十年。从早期泛素与目标底物的酶级联反应及蛋白酶体降解机制的揭示，到近年来靶向蛋白降解（Targeted Protein Degradation, TPD）技术的突破性进展，UPS始终与癌症的发生发展及临床治疗紧密相连。尽管既往研究已证实UPS组分（如E3泛素连接酶、降解决定子）在肿瘤中的关键作用，但癌症中泛素及类泛素通路的系统性临床全景图谱一直缺失。随着临床蛋白质基因组学资源的积累，研究人员得以在全尺度上解析UPS在癌症中的异常模式，为挖掘新型诊断标志物、治疗靶点及TPD技术所需的E3连接酶资源提供了全新契机。本文基于发表于《Cell Death and Differentiation》的两项关联研究，对该领域的全景式探索进行深度解读。

关键技术方法

研究人员主要依托临床蛋白质组学肿瘤分析联盟（CPTAC）的大规模患者来源样本数据，结合多组学整合分析手段开展研究。具体技术路径包括：对多达11种肿瘤实体及20种组织的配对mRNA与蛋白质丰度进行分析，并以癌旁非肿瘤组织为参照；采用数学算法与统计学方法验证UPS基因失调的选择性；通过蛋白质数量性状位点（pQTLs）筛查解析癌症驱动突变对UPS的重塑效应；整合多维度外部数据库资源，涵盖基因编辑共依赖性图谱（DepMap）、药物敏感性分析（PRISM）、正常组织尸检数据库（PRIDE）、肿瘤与转移灶蛋白质组图谱（TPCPA）以及癌细胞系百科全书（CCLE），以此构建跨平台的协调分析体系。

研究结果

泛癌与谱系特异性UPS失调及其生存关联

通过对CPTAC队列的深度分析，研究人员鉴定出1025个显著失调的UPS基因及503个E3连接酶。研究发现，大量转录因子与信号分子的蛋白质丰度与其mRNA水平并不相关，甚至呈负相关，这有力证实了翻译后修饰在癌症UPS调控中的核心地位。生存分析进一步锁定了153个与患者总生存期密切相关的E3连接酶。这些连接酶表现出高度的上下文依赖性：例如FBXL18和FBXL3分别在泛癌水平上预示较差和较好的预后；而TRIM28等连接酶的作用则完全取决于具体的肿瘤类型。

癌症驱动突变对UPS的重塑作用

研究揭示了癌症驱动基因深刻重塑UPS网络的能力。以携带TP53点突变的肿瘤为例，除抑癌靶基因下调外，应对基因组不稳定的E3连接酶（如CDT2和CDC20）显著上调。此外，研究还关注了曾被忽视的E3连接酶，如定位于中心体且在多种肿瘤中高频突变和扩增的非典型RING连接酶RNF213，为理解罕见遗传病与癌症的关联提供了线索。

基于共调控与药物敏感性的功能解析

通过整合DepMap与PRISM数据，研究人员对关键E3连接酶进行了功能注释。以HECT型连接酶UBR5为例，其在七种癌症中的高表达与不良预后相关，且高表达肿瘤富集DNA损伤应答（DDR）与AKT通路特征。功能依赖性分析显示UBR5与DDR及染色质调节因子存在强共依赖，且此类肿瘤对ATR和ChK1抑制剂表现出极高敏感性。另一连接酶TRIM28则表现出强烈的谱系特异性：在头颈部鳞状细胞癌（HNSCC）中，高表达伴随线粒体基因上调与上皮间质转化（EMT）下调，并与特定转录因子共依赖；而在胶质母细胞瘤（GBM）中则呈现截然不同的调控模式与预后价值。

协调图谱构建与UbiDash平台开发

为拓展靶向蛋白降解的应用边界，研究人员整合多源数据构建了统一的UPS分析图谱。该图谱成功筛选出在肿瘤组织中特异性富集的E3连接酶，如脑瘤中的FBXL18、血液瘤中的XIAP及妇科肿瘤中的KHLH7。为方便学界访问，研究人员开发了开源交互平台UbiDash，实现了癌症UPS数据的可视化检索与分析。

讨论与结论

综上所述，这两项连贯性研究首次系统描绘了癌症中UPS与类泛素通路的蛋白质基因组学全景。该成果不仅为基础研究人员探索泛素生物学在癌症中的复杂机制提供了详实的数据资源，也为转化医学研究指明了方向。通过揭示大量具有预后价值的E3连接酶及其在药物敏感性中的作用，该图谱为开发下一代具有高肿瘤特异性的靶向蛋白降解疗法奠定了坚实基础。