蛋白質(zhì)組學(xué)在胃癌生物學(xué)標(biāo)記物研究中的應(yīng)用

蘭慶芝 馬靜靜 董衛(wèi)國(guó)

武漢大學(xué)人民醫(yī)院消化內(nèi)科(430060)

蛋白質(zhì)組學(xué)在胃癌生物學(xué)標(biāo)記物研究中的應(yīng)用

蘭慶芝*馬靜靜 董衛(wèi)國(guó)#

武漢大學(xué)人民醫(yī)院消化內(nèi)科(430060)

胃癌是消化道常見(jiàn)惡性腫瘤，早期診斷和早期治療是改善患者預(yù)后的關(guān)鍵。近年來(lái)，應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，通過(guò)分析、比較胃癌中異常表達(dá)的蛋白質(zhì)，已發(fā)現(xiàn)一系列與胃癌發(fā)生、發(fā)展相關(guān)的蛋白，這些蛋白有潛力成為胃癌早期診斷和患者預(yù)后預(yù)測(cè)的生物學(xué)標(biāo)記物。本文對(duì)近年來(lái)胃癌相關(guān)蛋白質(zhì)組學(xué)生物學(xué)標(biāo)記物的研究進(jìn)展作一綜述。

胃腫瘤； 蛋白質(zhì)組學(xué)； 生物學(xué)標(biāo)記； 診斷； 預(yù)后

胃癌是消化道常見(jiàn)惡性腫瘤，由于早期胃癌缺乏典型癥狀，多數(shù)患者確診時(shí)已處于中晚期，這也是盡管近幾十年來(lái)胃癌的治療手段有了革命性的進(jìn)展，但患者預(yù)后仍不理想的主要原因。早期診斷和早期治療是改善胃癌患者預(yù)后的關(guān)鍵。內(nèi)鏡活檢病理檢查是目前胃癌早期診斷的主要方法，但內(nèi)鏡檢查具有侵入性，對(duì)診斷技術(shù)的要求亦較高。因此，尋找可應(yīng)用于臨床的血清生物學(xué)標(biāo)記物對(duì)于提高胃癌早期診斷率，進(jìn)而改善患者預(yù)后具有重要意義。

蛋白質(zhì)組(proteome)的概念最早由Marc Wilkins提出，是指由一個(gè)基因組或一個(gè)細(xì)胞、組織表達(dá)的所有蛋白質(zhì)[1]。近20年來(lái)，作為一種高通量、高靈敏度的技術(shù)，蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)已被廣泛應(yīng)用于各種惡性腫瘤的臨床研究。應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，通過(guò)分析、比較胃癌中異常表達(dá)的蛋白質(zhì)，已發(fā)現(xiàn)一系列與胃癌發(fā)生、發(fā)展相關(guān)的蛋白，這些蛋白有望經(jīng)進(jìn)一步研究成為胃癌早期診斷和患者預(yù)后預(yù)測(cè)的生物學(xué)標(biāo)記物。本文對(duì)常用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)以及近年來(lái)胃癌相關(guān)蛋白質(zhì)組學(xué)生物學(xué)標(biāo)記物的研究進(jìn)展作一綜述。

一、蛋白質(zhì)組學(xué)主要研究技術(shù)

1. 雙向凝膠電泳(two-dimensional gel electrophoresis, 2-DE)：2-DE技術(shù)問(wèn)世至今已有30余年，其原理是將蛋白質(zhì)按不同等電點(diǎn)和相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)行分離，電泳后根據(jù)蛋白質(zhì)上樣量對(duì)膠進(jìn)行考馬斯亮藍(lán)染色、銀染色或熒光染色，然后使用相關(guān)軟件對(duì)電泳圖像進(jìn)行分析。較之問(wèn)世之初，目前2-DE的分辨率、靈敏度和可重復(fù)性都有了很大的改善。然而該技術(shù)仍存在下述問(wèn)題亟待解決：①微量蛋白的鑒定；②極酸或極堿蛋白的分離；③極大蛋白(>200 kDa, 1 Da=0.992 1 u)或極小蛋白(< 10 kDa)的分離；④難溶蛋白的檢測(cè)。此外，2-DE尚有不能完全自動(dòng)化、操作耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

2. 雙向差異凝膠電泳(two-dimensional difference gel electrophoresis, 2D-DIGE)：2D-DIGE是一項(xiàng)在2-DE基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的新技術(shù)，與經(jīng)典2-DE相比具有更高的動(dòng)力學(xué)范圍和靈敏度。該技術(shù)可將3種以不同熒光染料標(biāo)記的蛋白樣品在同一塊凝膠上進(jìn)行雙向電泳，通過(guò)測(cè)定激發(fā)不同熒光染料所得到的熒光強(qiáng)度，比較蛋白表達(dá)水平的差異。由于是同時(shí)在同一塊膠上進(jìn)行3種蛋白樣品分析，減少了跑膠次數(shù)以及不同膠上蛋白點(diǎn)陣的變異，使檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，既節(jié)省時(shí)間，又提高了可重復(fù)性，有取代傳統(tǒng)2-DE的趨勢(shì)。2D-DIGE的缺點(diǎn)主要在于分析通量低。

3. 表面增強(qiáng)激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(surface enhanced laser desorption/ionization time-of-flight mass spec-trometry, SELDI-TOF-MS)：SELDI-TOF-MS是新近興起的一項(xiàng)全新的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，包括蛋白質(zhì)芯片、飛行時(shí)間質(zhì)譜和智能分析軟件三部分。該技術(shù)的工作原理是基于蛋白質(zhì)芯片的特異性吸附作用，利用激光脈沖輻射使被結(jié)合的蛋白質(zhì)解析形成帶電離子，離子在真空?qǐng)鲋酗w行的時(shí)間因質(zhì)荷比不同而異，以此為基礎(chǔ)繪制質(zhì)譜圖，最后經(jīng)軟件分析即可得到蛋白質(zhì)相關(guān)信息。SELDI-TOF-MS具有簡(jiǎn)單、快速、高通量、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)樣品中的蛋白質(zhì)進(jìn)行全景式分析，已被廣泛應(yīng)用于腫瘤標(biāo)記物的篩查等研究。

二、胃癌相關(guān)蛋白質(zhì)組學(xué)生物學(xué)標(biāo)記物

1. 電壓依賴性陰離子通道1(voltage-dependent anion channel 1, VDAC1)：Schein等[2]于 1976年率先將源自草履蟲(chóng)線粒體的具有電壓依賴性和陰離子選擇性的蛋白嵌入脂質(zhì)雙層膜，并將該蛋白命名為VDAC。VDAC是相對(duì)分子質(zhì)量為31 kDa的孔道蛋白， 存在于所有真核生物的線粒體外膜上，是線粒體與胞質(zhì)間分子交換的通道，并參與調(diào)控線粒體途徑的細(xì)胞凋亡[3]。VDAC有3種亞型，分別為VDAC1、VDAC2和VDAC3，三者氨基酸序列高度相似。VDAC各亞型在大部分組織中均能檢測(cè)到，只是數(shù)量上存在差異。

Gao等[4]于2015年首次報(bào)導(dǎo)了VDAC1與胃癌的關(guān)系。該研究聯(lián)合應(yīng)用串聯(lián)質(zhì)譜標(biāo)簽(tandem mass tag)和質(zhì)譜分析定量比較非癌與胃癌組織線粒體蛋白的豐度差異，結(jié)果顯示VDAC1在胃癌組織線粒體中的表達(dá)量是毗鄰非癌組織的1.77倍，同時(shí)證實(shí)臨床胃癌組織中亦存在VDAC1表達(dá)異常，指出VDAC1是一個(gè)有應(yīng)用前景的胃癌生物學(xué)標(biāo)記物。

2. 血清淀粉樣蛋白A(serum amyloid A, SAA)：SAA是一種主要由肝臟合成、分泌的急性時(shí)相蛋白，正常情況下在機(jī)體內(nèi)表達(dá)水平不高，在創(chuàng)傷、炎癥、腫瘤狀態(tài)下則可明顯升高[5]。蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)SAA可能作為腎癌[6]、神經(jīng)母細(xì)胞瘤[7]等惡性腫瘤的血清生物學(xué)標(biāo)記物。

Chan等[8]采用2-DE和質(zhì)譜分析比較了96例胃癌患者根治性胃切除術(shù)前后以及32例胃潰瘍患者和52例健康體檢者的SAA水平，發(fā)現(xiàn)胃癌患者SAA水平顯著高于健康體檢者和胃潰瘍患者，并與腫瘤分期和部位相關(guān)。多變量分析顯示SAA水平與腫瘤部位和有無(wú)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移相關(guān)。術(shù)后隨訪中，胃癌復(fù)發(fā)者的SAA水平顯著升高，未復(fù)發(fā)者則無(wú)明顯變化。生存分析顯示，SAA>97 mg/L的患者死亡風(fēng)險(xiǎn)增加4倍。上述發(fā)現(xiàn)提示SAA可用于胃癌患者的預(yù)后預(yù)測(cè)和術(shù)后隨訪中腫瘤復(fù)發(fā)的監(jiān)測(cè)。我國(guó)學(xué)者采用免疫分析方法對(duì)SAA在胃癌患者中的臨床意義進(jìn)行了探討，亦發(fā)現(xiàn)胃癌患者SAA水平顯著升高，并與腫瘤大小、浸潤(rùn)深度、TNM分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等臨床病理特征和術(shù)后復(fù)發(fā)相關(guān)，可作為胃癌侵襲、轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)和預(yù)后評(píng)估的生物學(xué)標(biāo)記物[9-10]。

Wang等[11]對(duì)中國(guó)216例胃腺癌患者和333例健康志愿者的血清標(biāo)本行液相蛋白芯片多重檢測(cè)，結(jié)果顯示胃癌患者SAA水平較健康志愿者高3.7倍，進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)有遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的胃癌患者SAA水平顯著高于未發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移者，未轉(zhuǎn)移者與健康志愿者之間則無(wú)明顯差異。ROC曲線分析顯示，SAA水平診斷轉(zhuǎn)移性胃腺癌具有較高的準(zhǔn)確性(AUC=0.834)。

3. 葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose-regulated protein 78, GRP78)：GRP78是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的一種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶，參與蛋白質(zhì)的折疊和組裝，同時(shí)也是一種應(yīng)激蛋白，在低氧、低鈣等應(yīng)激狀態(tài)下大量表達(dá)以維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。已有大量研究表明，GRP78在某些腫瘤細(xì)胞中過(guò)表達(dá)，并與這些腫瘤的發(fā)生、發(fā)展以及化療敏感性有關(guān)。

Wu等[12]的研究納入胃癌患者的手術(shù)標(biāo)本，采用2D-DIGE分析胃癌組織及其配對(duì)正常組織間的差異表達(dá)蛋白，并以蛋白質(zhì)印跡法和免疫組化法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，包括GRP78在內(nèi)的5個(gè)蛋白有望成為胃癌相關(guān)生物學(xué)標(biāo)記物。蛋白質(zhì)印跡法檢測(cè)證實(shí)GRP78在胃癌組織中表達(dá)顯著上調(diào)，并與腫瘤分期有相關(guān)趨勢(shì)。免疫組化法檢測(cè)則顯示GRP78僅表達(dá)于胃腺癌細(xì)胞，正常組織中未見(jiàn)其表達(dá)。楊磊等[13]關(guān)于GRP78在胃癌中表達(dá)及其臨床意義的免疫組化研究亦表明，GRP78在胃癌組織中的陽(yáng)性表達(dá)率與腫瘤浸潤(rùn)深度、組織學(xué)分級(jí)、TNM分期和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移顯著相關(guān)，其高表達(dá)與胃癌細(xì)胞化療耐藥有關(guān)，多因素分析顯示GRP78表達(dá)是胃癌患者無(wú)病生存期的獨(dú)立影響因素，由此認(rèn)為GRP78可作為評(píng)估胃癌惡性程度和化療敏感性的分子標(biāo)記物，用于指導(dǎo)化療和判斷預(yù)后。蛋白質(zhì)間相互作用分析顯示，KIAA1324可與GRP78結(jié)合，通過(guò)抑制GRP78與caspase-7的相互作用以及GRP78介導(dǎo)的AKT活化而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而阻斷GRP78的致癌活性[14]。

4. α-烯醇化酶(α-enolase, ENO1)：ENO1屬于烯醇化酶家族成員，其功能為在糖酵解中催化2-磷酸甘油酸向磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)化，是糖酵解過(guò)程中的限速酶。ENO1在某些惡性腫瘤中高表達(dá)可加速糖酵解過(guò)程，為腫瘤細(xì)胞提供快速增殖所需的能量，從而參與促進(jìn)腫瘤發(fā)生、發(fā)展。

蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，ENO1在cagA陽(yáng)性幽門螺桿菌(Hp)感染的胃上皮細(xì)胞中的表達(dá)較cagA基因敲除Hp感染細(xì)胞明顯上調(diào)；進(jìn)一步的分析顯示CagA蛋白系通過(guò)激活Src和MEK/ERK信號(hào)通路上調(diào)ENO1表達(dá)[15]。上述發(fā)現(xiàn)為Hp相關(guān)胃癌發(fā)病機(jī)制的研究提供了新線索，亦表明ENO1可能作為cagA陽(yáng)性Hp相關(guān)胃癌的分子標(biāo)記物。關(guān)于胃癌患者ENO1表達(dá)及其臨床意義的免疫組化研究[16]顯示，胃癌組織中的ENO1陽(yáng)性表達(dá)率顯著高于胃潰瘍組織(67.3%對(duì)30.4%)，并與腫瘤分化程度、浸潤(rùn)深度、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和TNM分期相關(guān)，是胃癌患者預(yù)后判斷和治療監(jiān)測(cè)的潛在生物學(xué)標(biāo)記物。胃癌細(xì)胞轉(zhuǎn)染攜帶ENO1基因的真核表達(dá)載體后，增殖活力、克隆形成能力和遷移能力均顯著增強(qiáng)，亦表明ENO1可作為胃癌發(fā)生、發(fā)展的生物學(xué)標(biāo)記物[17]。

5. 絲氨酸蛋白酶抑制劑A1(Serpin peptidase inhibitor clade A member 1, SERPINA1)：SERPINA1又名α1-抗胰蛋白酶(alpha-1-antitrypsin)，該蛋白分布廣泛，在人體組織和血液中有較高的含量和較強(qiáng)的穩(wěn)定性，眾多研究顯示其可能與多種腫瘤的發(fā)病有關(guān)。

Yang等[18]的研究選取70例胃癌患者和72例健康志愿者，采用磁珠純化聯(lián)合基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry, MALDI-TOF-MS)技術(shù)篩選可能的胃癌血清學(xué)標(biāo)記物，發(fā)現(xiàn)SERPINA1和ENOSF1在胃癌患者中呈特異性高表達(dá)。Kwon等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，SERPINA1過(guò)表達(dá)可促進(jìn)胃癌細(xì)胞侵襲和遷移，其在胃癌組織中表達(dá)增強(qiáng)與腫瘤大小、浸潤(rùn)深度、神經(jīng)和淋巴血管侵襲、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移以及預(yù)后不良呈顯著正相關(guān)，可能作為預(yù)測(cè)胃癌患者預(yù)后的生物學(xué)標(biāo)記物。

三、結(jié)語(yǔ)與展望

蛋白質(zhì)組學(xué)在發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)腫瘤生物學(xué)標(biāo)記物方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，有望成為胃鏡活檢之外早期發(fā)現(xiàn)胃癌的輔助手段，然而目前臨床實(shí)踐中仍缺乏敏感性和特異性均較理想的胃癌生物學(xué)標(biāo)記物。盡管已有一些研究表明某些蛋白與胃癌的發(fā)生、發(fā)展和預(yù)后顯著相關(guān)，但仍需開(kāi)展多中心大樣本臨床試驗(yàn)加以驗(yàn)證，方可廣泛應(yīng)用于臨床。

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(2016-06-02收稿；2016-08-25修回)

Application of Proteomics in Research of Biomarkers for Gastric Cancer

LANQingzhi,MAJingjing,DONGWeiguo.

DepartmentofGastroenterology,RenminHospitalofWuhanUniversity,Wuhan(430060)

DONG Weiguo, Email: dwg@whu.edu.cn

Gastric cancer is one of the most commonly seen malignant tumors in digestive tract. Early diagnosis and treatment is crucial for the improvement of patients’ survival. By analyzing the proteins aberrantly expressed in gastric cancer using proteomics technologies, a series of proteins that are strongly related to the occurrence and development of gastric cancer have been identified, which are promising to be applied for the early diagnosis and prediction of patients’ prognosis. This article reviewed the recent advances in research on proteomic biomarkers for gastric cancer.

Stomach Neoplasms; Proteomics; Biological Markers; Diagnosis; Prognosis

10.3969/j.issn.1008-7125.2017.02.015

*Email: 2011302180143@whu.edu.cn

#本文通信作者，Email: dwg@whu.edu.cn