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    蛋白質(zhì)組學在肺癌研究中的應(yīng)用進展

    2013-01-22 21:21:41張蕾張福營趙婷凌人叢維濤金利泰
    中國醫(yī)藥生物技術(shù) 2013年1期
    關(guān)鍵詞:組學鱗癌蛋白質(zhì)

    張蕾,張福營,趙婷,凌人,叢維濤,金利泰

    蛋白質(zhì)組學(proteomics)指的是在大規(guī)模水平上研究細胞內(nèi)動態(tài)變化的蛋白質(zhì)的翻譯后修飾、組成與表達水平,探究蛋白質(zhì)之間的相互作用,揭示蛋白質(zhì)功能與細胞活動規(guī)律的學科。蛋白質(zhì)組學技術(shù)主要包括蛋白質(zhì)的分離、質(zhì)譜鑒定及生物信息學等技術(shù)。

    肺癌是臨床最常見的惡性腫瘤,也是全球發(fā)病率和死亡率最高的惡性腫瘤之一。目前肺癌患者總體 5 年生存率只有 15%,但早期診斷出的肺癌患者 5 年生存率可達 85%,因此早期篩查是肺癌防治的關(guān)鍵。由于肺癌早期癥狀不明顯,傳統(tǒng)的臨床診斷方式難以實現(xiàn)早期診斷。應(yīng)用蛋白質(zhì)組學方法分析肺癌細胞株、肺癌組織,或肺癌血清、血漿中表達的全部蛋白質(zhì),通過與正常肺細胞或健康人的蛋白質(zhì)組對比分析,篩選差異蛋白,尋找靈敏度高、特異性強的肺癌標記物,可為肺癌發(fā)病機制研究提供理論依據(jù),為肺癌的預防、早期診斷和治療方法提供新的途徑。本文就近年來肺癌的蛋白質(zhì)組學研究進展進行綜述,并對其前景進行展望。

    1 肺癌細胞的蛋白質(zhì)組學研究

    通過體外實驗,比較肺癌細胞和正常細胞的蛋白質(zhì)組學差異、分析蛋白質(zhì)功能,能夠間接揭示肺細胞癌的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移機制。

    詹顯全等[1]對 A549 和正常細胞系 HBE 進行了蛋白質(zhì)組學研究,鑒定出 18 種差異蛋白,經(jīng)肽質(zhì)指紋分析,發(fā)現(xiàn)這些蛋白與細胞信號轉(zhuǎn)導、細胞代謝、增殖、分化有關(guān)。另外,李麗萍等[2]運用雙向凝膠電泳(2-DE)和基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)法也篩選出 A549 和 HBE 間表達水平顯著差異的 21 個蛋白,并證實在肺腺癌 A549 細胞中高表達熱休克蛋白 27(HSPB1)可能在肺腺癌癌變過程中發(fā)揮重要作用。這些差異蛋白將可能作為肺癌早期診斷的靶向標記物。

    Chang 等[3]也鑒定出 A549 和人正常細胞間的 8 個差異表達蛋白質(zhì),其中過氧化物氧化還原酶 1(peroxiredoxin 1)在肺腫瘤組織中高表達,因此 peroxiredoxin 1 可作為潛在的腫瘤標記物和肺癌藥物治療的靶點。Ying 等[4]對原代細胞 R15H 和經(jīng)238Pu 高能量 α 粒子照射 HPV-18 永生化人支氣管上皮細胞 BEP20 得到早期傳代細胞 R15H20,用蛋白質(zhì)組學技術(shù)分析,發(fā)現(xiàn)兩種細胞中有 43 個差異蛋白質(zhì),R15H20 與 R15H 相比,21 種蛋白表達增加,22 種蛋白表達減少。僅在 R15H 細胞表達的 3 種蛋白中有 2 個是高速泳動族蛋白 1;在 R15H20 細胞中表達量降低的 2 種蛋白是 maspin 的前體。

    Wang 等[5]對非小細胞肺癌細胞進行核質(zhì)蛋白 α2 亞基(KPNA2)基因敲除處理,用定量蛋白質(zhì)組學分析發(fā)現(xiàn) KPNA2 基因所調(diào)控的蛋白的功能包括細胞循環(huán)、DNA 代謝、細胞運動等。此實驗表明了定量蛋白質(zhì)組學的實用性,并為研究非小細胞肺癌中 KPNA2 的作用提供一個平臺。

    肺癌轉(zhuǎn)移嚴重威脅著患者的生命,也是肺癌患者治療 失敗和死亡的主要原因。蔣代鳳等[6]對肺巨細胞癌高、低轉(zhuǎn)移株進行了蛋白質(zhì)組學分析,鑒定與肺癌轉(zhuǎn)移相關(guān) 11 個 蛋白,其中有兩個蛋白尚未見報道,分別是蛋白核氯離子通道蛋白 1(CLI1)和白介素 18(IL-18),有可能成為新的肺癌標記物。高利偉等[7]采用 2-DE 方法分離人高、低轉(zhuǎn)移大細胞肺癌細胞株的總蛋白,通過對 13 個差異明顯的蛋 白質(zhì)點研究發(fā)現(xiàn),這些差異蛋白質(zhì)多與腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移相關(guān),這為肺癌轉(zhuǎn)移的病理機制和相關(guān)的分子標記物研究提供線索。

    蛋白質(zhì)組學也可選擇差異蛋白為研究肺癌細胞耐藥性提供新方法。況鵬等[8]運用蛋白質(zhì)組學研究方法比較人肺癌細胞株 A549 和順鉑(DDP)耐藥細胞株 A549/DDP 中的蛋白表達差異。結(jié)果顯示,A549 和 A549/DDP 細胞中有 8 個蛋白質(zhì)點的表達差異大于 5 倍,這些蛋白與細胞代謝、凋亡等有關(guān)。

    為尋找新型肺癌生物標記物,Planque 等[9]針對非小細胞肺癌(腺癌,H23)、鱗狀細胞癌(H520)、大細胞癌(H460)和小細胞肺癌(H1688)4 種組織學背景差異肺癌細胞株采用 LC-MS 技術(shù)進行蛋白質(zhì)組學分析,成功地確定了內(nèi)部控制蛋白質(zhì),即與激肽釋放酶相關(guān)的肽酶 14 和 11,以及 IGFBP2。同時還發(fā)現(xiàn)了已知的肺癌腫瘤標記物,例如鱗狀細胞癌抗原(SCCA)、癌胚抗原(CEA)、嗜鉻粒蛋白A(CGA)、肌酸激酶腦型同工酶(CK-BB)、前胃液素釋放肽(PRP)、神經(jīng)細胞黏附分子(NCAM)與 Tu M2-PK。并通過關(guān)聯(lián)癌癥進行組織特異性化驗、功能分類、文獻檢索等,初步確認 5 種新型的肺癌候選生物標記物:ADAM-17、骨保護蛋白、pentraxin 3、卵泡抑素(FS)和腫瘤壞死因子(TNF)受體超家族成員 1A。另外,Zeng 等[10]應(yīng)用 LCM 技術(shù)分離純化的正常人支氣管上皮細胞(NBE)、鱗狀上皮化生(SM)、非典型增生(AH)、原位癌(CIS)、浸潤性肺 鱗癌等組織,采用 LC-MS 分析技術(shù)和 iTRAQ 標記方法,首次表明了 3 種差異蛋白 GSTP1、HSPB1 和 CKB 可作為喉鱗狀細胞癌(LSCC)早期診斷的新型潛在標記物。3 種蛋白的聯(lián)合能對 NBE、癌前病變(SM、AH 和 CIS)和浸潤性肺鱗癌這三者完美地加以區(qū)分,并通過永生化人支氣管上皮細胞系 16HBE 得到 GSTP1,再測量其對易致癌物質(zhì)苯并芘誘導 16HBE 細胞轉(zhuǎn)化的敏感性,證明 GSTP1 向下調(diào)節(jié)將直接影響支氣管上皮癌發(fā)生。由此可見,細胞培養(yǎng)蛋白質(zhì)組學方法可用來鑒別不同種細胞差異蛋白,為選擇潛在的早期肺癌標記物提供基礎(chǔ)依據(jù)。

    2 肺癌組織的蛋白質(zhì)組學研究

    在人類疾病蛋白質(zhì)組學研究中,人體樣本是最有價值、最直接和最具說服力的實驗材料,樣本收集是蛋白質(zhì)組學重要的基礎(chǔ)工作。

    為篩選肺癌早期診斷及治療的分子標記物,燕貞等[11]收集 22 例肺鱗癌組織及其 5 cm 外的正常組織,利用 2-DE 方法分離總蛋白,選擇在癌組織中高表達的 10 個差異蛋白質(zhì)點進行質(zhì)譜分析,鑒定為膜聯(lián)蛋白1(annexin-1,Anx-A1)、熱休克蛋白 27 等與細胞周期、信號轉(zhuǎn)導等功能相關(guān)的蛋白。

    張慧珍等[12]收集 8 例肺癌組織及其癌旁組織,用 PDQuest 凝膠圖像分析軟件進行分析發(fā)現(xiàn),有 12 個蛋白質(zhì)只在肺癌組織中有表達,6 個蛋白質(zhì)只在癌旁組織中有表達。鈣粒蛋白 B 等肺癌特異表達的相關(guān)蛋白質(zhì)點的鑒定有助于肺癌蛋白標記物、肺癌發(fā)生和預后的研究。

    Alfonso 等[13]對 12 例肺癌及癌旁組織中提取組織蛋白,對比二維蛋白質(zhì)譜圖,發(fā)現(xiàn)不同類型和不同階段的肺癌組織譜圖大不相同。經(jīng)過質(zhì)譜鑒定,得到 21 種蛋白,這些蛋白與能量代謝、細胞骨架、抗氧化等有關(guān)。

    Chen 等[14]用質(zhì)譜鑒定法在 93 例肺腺癌和 10 例正常組織中對真核起始因子(eIF-5A)的表達進行鑒定,結(jié)果發(fā)現(xiàn) eIF-5A 蛋白在肺癌患者組織中高表達,且 eIF-5A 蛋白的 mRNA 表達水平也明顯高于正常人,這表明 eIF-5A 蛋白有可能作為肺癌早期診斷的腫瘤標記物。

    Kikuchi 等[15]對鱗癌組織、腺癌組織和正常肺組織蛋白進行深入研究,在癌癥組織中發(fā)現(xiàn)的 25 個差異蛋白中包括一些已知的癌癥標記物,如:癌胚抗原、鱗狀細胞癌抗原、神經(jīng)元特異性烯醇化酶等。其中鱗癌組織特有蛋白如降鈣素相關(guān)多肽 α、嗜鉻粒蛋白 B 等和腺癌組織特有蛋白如類視錐蛋白 1、基質(zhì)金屬蛋白酶 10 可為癌癥的治療提供潛在的靶點。

    Tan 等[16]對 12 個肺鱗癌組織及相應(yīng)的正常組織進行 2-DE 和MALDI-TOF/TOF MS 分析,發(fā)現(xiàn)與正常組織相比肺癌組織有 28 個蛋白的表達發(fā)生了顯著性的變化,表達 量上調(diào)的蛋白有異檸檬酸脫氫酶 1(IDH1)、超氧化物歧化酶 2、14-3-3ε 等,表達量下調(diào)的蛋白有過氧化物氧化還原酶 2 等。對非小細胞肺癌(NSCLC)患者血清蛋白進行研 究,發(fā)現(xiàn)在 NSCLC 患者中血清 IDH1 表達量增多,表明 IDH1 可作為 NSCLC 的血清和組織化學生物標記。

    3 肺癌血清的蛋白質(zhì)組學研究

    血清蛋白質(zhì)組學(serum proteomics)是蛋白質(zhì)組學的一個重要分支,血清蛋白與組織、細胞蛋白相比,蛋白數(shù)量最多、蛋白含量差別大。血清樣品易獲得,且產(chǎn)生的創(chuàng)傷小,被廣泛用于比較腫瘤和非腫瘤患者血清的蛋白質(zhì)組學差異及腫瘤候選標記物的檢測[17]。

    沙慧芳等[18]采集健康者、肺部炎癥患者和肺癌患者的血漿各 10 例,應(yīng)用差異凝膠電泳、MALDL-TOF-MS 和生物信息學技術(shù),對這些血漿進行蛋白質(zhì)組學研究,篩選出其中 7 種血漿高表達的腫瘤相關(guān)蛋白,這些蛋白有可能作為肺癌標記物來檢測肺癌。

    聶贛娟等[19]采集 23 例肺癌患者和 14 例健康人的血清,以及 30 例肺鱗癌組織和 20 例癌旁組織,運用蛋白質(zhì)組學比較研究,識別了 10 個差異蛋白質(zhì)點,鑒定了 4 種差異蛋白。結(jié)果顯示,在肺鱗癌血清中結(jié)合珠蛋白 2 的表達量高于健康人;HP-2 在肺鱗癌組織中的表達水平高于癌旁正常支氣管上皮組織。這可以為通過檢測血清蛋白診斷肺鱗癌提供參考價值。

    Choi 等[20]利用 2-DE 和 MALDI-TOF-MS 檢測高脂膳食調(diào)節(jié)對小鼠肺癌血清蛋白的影響,與正常組比較鑒定出 14 個差異蛋白,根據(jù)蛋白功能分為飲食相關(guān)類和腫瘤相關(guān)類兩類。其中有 10 個蛋白與肥胖和癌癥都有關(guān)系,另外 4 個只與癌癥有關(guān),這項研究可為治療肥胖引起的癌癥提供新的方法。

    Rostila 等[21]對石棉導致的肺癌組織、石棉照射的正常組織、肺癌患者和吸煙的健康人的肺組織進行蛋白質(zhì)組學研究,發(fā)現(xiàn) peroxiredoxin 1 是一種新型的肺癌標記物。血清中高表達的原肌球蛋白與石棉輻射相關(guān),PRX1 和 PRX2 的表達量和吸煙量成負相關(guān),高表達的 PRX1 可能導致基因損傷,這項研究為肺癌和與石棉相關(guān)疾病的鑒定提供了新的生物標記物。

    Chatterji 和 Borlak[22]發(fā)現(xiàn),肺泡上皮細胞針對性的過度表達 c-myc 基因可導致肺癌。對荷瘤鼠進一步研究發(fā)現(xiàn),血清類黏蛋白 8、α-2 巨球蛋白、載脂蛋白 A1(apoA1)、載脂蛋白 C3(apoC3)谷胱甘肽過氧化物酶 3、血漿視黃醇結(jié)合蛋白、甲狀腺素運載蛋白的表達受癌癥影響。在癌癥晚期,載脂蛋白 E 的表達減少,并且血清淀粉樣蛋白 p 成分只在癌癥晚期表達。大多數(shù)疾病調(diào)節(jié)蛋白攜帶編碼基因的啟動子 E-box 序列(CACGTG),為其通過 c-myc 進行蛋白調(diào)控提供了相當重要證據(jù)。同時,α-2 巨球蛋白、甲狀腺素運載蛋白、抗胰蛋白酶和裂解素在不同的肺腫瘤模型中均有表達,通過荷瘤鼠 c-myc 與 c-raf 的血清蛋白比較,血清類黏蛋白 8、載脂蛋白 A1、載脂蛋白 C3、載脂蛋白 E、谷胱甘肽過氧化物酶 3、血漿視黃醇結(jié)合蛋白、血清淀粉樣 P 成分在兩者中不同時表達。因此,這些蛋白可推薦為區(qū)分 不典型腺瘤樣增生(AAH)和細支氣管肺泡癌(BAC)或乳頭狀腺癌(PLAC)的候選生物標記物。

    Ueda 等[23]利用所獲得的肺癌患者和健康者血清,采用 SELDI-TOF-MS 技術(shù)和偶合凝集素蛋白質(zhì)芯片陣列技術(shù)結(jié)合進行分析,鑒定出 41 個蛋白質(zhì)峰值水平有顯著性差異 (P < 0.05),并確認癌癥患者在載脂蛋白 C3 上Neu5Ac (α2,6)Gal/GalNAc 結(jié)構(gòu)的缺損。結(jié)果還表明,偶合凝集素的蛋白質(zhì)芯片技術(shù)允許高通量和特定癌變的糖蛋白的識別,暗示了該種蛋白質(zhì)芯片適用其他疾病研究的可能性。

    Zeng 等[24]選擇一組非小細胞肺癌的病例血清(從 54 例患者中選擇腺癌 9 例,鱗狀細胞癌 6 例)和相應(yīng)的對照組。對照組還包括從臨床患者中選擇的良性腫囊 8 例,健康人 8 例。首先用免疫親和法去除最高豐度的血清蛋白,剩下的血清蛋白進行糖蛋白富集,隨后進行 LC-MS 技術(shù)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),22 個差異蛋白中的 38 個高豐度表達的糖基化多肽在病例組和對照組顯著性不同(P < 0.01,t 檢驗)。在層次聚類上,這些高豐度表達的蛋白在病例組和正常組幾乎完全分開。3 種候選的豐度差異蛋白經(jīng) ELISA 驗證,和色譜結(jié)果具有很強的正相關(guān)性。

    Diamandis 等[25]從 203 名肺癌患者(其中 180 例為重度吸煙的高風險誘發(fā)肺癌者)、43 例非肺癌的癌癥患者中選取 422 例樣本,鑒定了 pentraxin-3(PTX3)、激肽釋放酶 11(KLK11)和顆粒蛋白前體蛋白(progranulin)3 個候選的肺癌生物標記物。結(jié)果發(fā)現(xiàn),PTX3 是一種新的肺癌血清生物標記物,其診斷的敏感性和特異性等指標已達到其他類似的應(yīng)用于臨床的肺癌生物標記物水平。

    4 問題和展望

    肺癌的早期診斷一直是臨床醫(yī)學重要的研究課題之一,目前蛋白質(zhì)組學已成為肺癌早期診斷的重要工具,但距離真正大規(guī)模應(yīng)用于臨床尚有很長一段路要走。存在的主要問題包括樣品的制備、蛋白質(zhì)的有效分離與鑒定、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的進一步完善等。另外,肺癌標記物的發(fā)病機制研究只是剛剛起步,我們相信隨著技術(shù)的發(fā)展,蛋白質(zhì)組學研究有望在探索肺癌發(fā)病機制、肺癌早期診斷、尋找有效的肺癌治療靶點和研發(fā)治療肺癌藥物等方面發(fā)揮重大作用,為人類最終戰(zhàn)勝這一疾病作出貢獻。

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