消化系统肿瘤研究中蛋白质组学的应用
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维普资讯 http://www.cqvip.com 428・ ・Chin J Gastroenterol,2007,Vo1.1 2,No.7 消化系统肿瘤研究中蛋白质组学的应用 彭志红综述房殿春 审校 第三军医大学西南医院全军消化病研究所【400038) 摘要在消化系统肿瘤的研究中,蛋白质组学能直接从分子水平动态定量考察肿瘤发生过程中蛋白质种类、数 量的改变.有助于寻找肿瘤早期诊断和预后的特异性标记物以及有效的治疗靶标。蛋白质组的进一步研究将在肿瘤 发病机制、诊断和治疗方面取得重大突破,为肿瘤研究、诊断和治疗带来新希望。 关键词蛋白质组:蛋白质组学;消化系统肿瘤;早期诊断 Application of Proteomics in Digestive System Tumors PENG Zhihong,FA NG Dianchun.Gastroenterology Research Institute,Southwest Hospital,Third Military Medical University,Chongqing(4ooo38) Abstract Proteomics can directly measure the alteration of protein at molecular level during tumorigenesis on the study of digestive system tumors,which is helr,ful to offer special markers for early diagnosis,prognostic and the targets of effective therapy.Further study on proteome may get great breakthrough in pathogenesis,diagnosis and therapy of tumors, which will bring new hopes for the research of tumors, Key words Proteome;Proteomics;Digestive System Neoplasms;Early Diagnosis 消化道肿瘤是目前发病率最高的恶性肿瘤之一.严重威 胁人类健康。基因组学的不断进展使肿瘤的发病机制、诊断 和治疗研究均取得了重大进展,但对患者的临床处理和预 后仍无实质影响.主要原因是不能进行早期诊断。 蛋白质组学是人类基因组计划完成后.后基因组时代生 命科学的主要研究领域。蛋白质组(proteome)是指一个细 胞、组织或有机体表达的所有蛋白质。蛋白质组学 (proteomics)是以基因组编码的所有蛋白质为研究对象.从 细胞和整体水平研究蛋白质组成和变化的规律.从而深入 认识有机体的各种生理和病理过程。 不同时期表达谱的改变等。( 功能蛋白质组学.研究在不同 生理和病理条件下,细胞中各种蛋白质之间的相互作用关 系及其调控网络以及蛋白质转录后修饰等。③结构蛋白质 组学。阐明生物大分子的三维结构特性。④蛋白质组学技术 支撑平台和生物信息学的研究。 二、蛋白质组学的相关技术 1,分离技术:生物体内蛋白质种类繁多,将样本中蛋白 质组分离是开展蛋白质组学研究的基础。目前最常用的方 法是双向凝胶电泳技术(two dimensional gel electrophoresis. 2.DE),其原理是在相互垂直的两个方向上,应用等电聚焦 电泳和SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳.将复杂的蛋白质分离。该 技术主要用于构建特定组织或细胞蛋白质“二维电泳图 谱”,并分析特定条件下蛋白质的表达情况.进行蛋白质组 差异比较。此外分离技术还包括亲和层析、毛细管等电聚 焦、毛细管区带电泳、反相高效液相色谱等。 2.鉴定技术:对2.DE等技术分离的蛋白质进行鉴定是 在消化系统恶性肿瘤的研究中.蛋白质组学能直接从分 子水平动态定量考察肿瘤发生过程中蛋白质种类、数量的 改变.有助于寻找肿瘤早期诊断和预后的特异性标记物以 及有效的治疗靶标【l】,因此已成为消化系统肿瘤研究的前沿 领域和热点。 一、蛋白质组学概述 尽管基因组数据和转录图谱对鉴定和了解疾病的分子 生物学改变有一定帮助,但即使最完整的基因图谱仍有一 蛋白质组学研究的重要内容。质谱(mass spectrometry.MS) 技术的基本原理是样品分子离子化后.根据质荷比(m/z)差 定局限性.如细胞功能是由蛋白质执行的.而非DNA和 RNA;检测DNA和mRNA并不能预测蛋白质是否发生翻译 后修饰、蛋白质之间是否发生相互作用、这些作用如何发生 以及在不同条件下,蛋白质的定位是否发生变化等。因此, DNA揭示了细胞内理论上发生的改变.mRNA揭示了可能 发生的改变.而蛋白质真正揭示了细胞内究竟发生了什么 异分离并确定蛋白质的分子质量.具有高通量、灵敏、准确、 自动化等特点。MS法已逐步取代传统的Edman降解测序法 和氨基酸组成分析,成为蛋白质鉴定的核心技术。目前MS 技术主要包括基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(matirx. assisted laser desorption ionization time of flight mass spec. tometry)和电喷雾电离串联质谱(rESI MS/MS)。前者通过蛋 白质的肽质量指纹谱,应用适当软件鉴定蛋白质:后者采用 串联质谱方法检测肽段的氨基酸序列。 改变。从总体上看,蛋白质组学研究主要包含:①表达蛋白 质组学,研究细胞或组织中蛋白质表达质和量的变化以及 维普资讯 http://www.cqvip.com 胃肠病学2007年第12卷第7期 3.生物信息学技术:生物信息学是蛋白质组学研究不 可缺少的技术支持平台,主要指综合应用数学、计算机和生 命科学的各种工具,构建和分析2-DE、MS数字化图谱和蛋 白质数据库,并通过互联网进行检索的技术。随着蛋白质组 学研究的不断深入.包括人血清、尿液、脑脊液以及某些肿 瘤组织和正常组织的蛋白质组数据库将逐步建立,某些肿 瘤的蛋白质组信息还可与相应基因组信息整合互补,对肿 瘤诊疗和新药开发具有极其重大的实践意义。 4.新技术:尽管二维电泳和MS技术仍是蛋白质组学研 究的最主要技术,但仍存在许多缺陷:①二维凝胶可显色的 蛋白质数量有限;②二维凝胶图像分析中,定量准确性和动 态范围有限;③难以处理偏碱性和分子质量较大的蛋白质 (如膜蛋白);④重复性差。发展可替代或补充双向凝胶电泳 的新方法已成为蛋白质组学研究技术的最主要目标,近年 出现的新技术包括:①液相色谱与串联质谱联用(LC MS/ MS),该技术发展非常迅猛,将复杂的蛋白质样品酶解消化 后.通过一维或多维色谱预分离,应用串联质谱对多肽混合 物进行鉴定分析。能分离高丰度和低丰度的蛋白质,且具有 自动化程度高、重复性好的优点,应用前景广。②结合应用 同位素亲和标签法或荧光差异显示双向凝胶电泳。③表面 增强激光解吸电离飞行时间质谱(SELDI.TOF.MS)技术,该 技术应用基因芯片的设计理念,将层析、MS等技术合理地 应用于蛋白芯片的检测,能快速、简便地从各种体液和组织 中找出与疾病相关的蛋白质,具有潜在的临床应用前景。④ 蛋白质芯片作为快速筛检复杂蛋白质样品的方法.由于具 有高通量、微型化、自动化等优点.故在蛋白质组学研究中 的应用已越来越广泛。 三、蛋白质组学在消化系统肿瘤研究中的应用 1.食管癌:食管癌是我国第四大恶性肿瘤,死亡率高, 生存率低。主要原因是早期无症状,根据症状诊断时多已处 于晚期,肿瘤侵犯周围组织、器官或广泛转移。为研究其恶 性转化机制和进行早期诊断.应用蛋白质组学分析肿瘤组 织以获取不同演进阶段蛋白质组学的特点。结果显示,不同 分化程度蛋白质的表达亦不同.与邻近正常上皮组织相比. 微管蛋白 .1、烯醇酶等l5种蛋白质表达上调,而原肌球 蛋白(TPM)l等5种蛋白质表达下降。癌前损害中可见鳞状 细胞癌抗原(SCCA)l、TMP4等表达.SCCAI表达随食管鳞 状细胞癌的去分化程度而下降嘲。因此蛋白质组学有助于研 究食管癌癌变、演进和侵袭表型的蛋白质基础。Emmert. Buck等131应用2.DE结合激光捕获显微切割(1aser capture microdissection,LCM)技术,比较食管鳞状上皮癌和正常食 管鳞状上皮中蛋白质表达谱,结果显示肿瘤特异性蛋白质为 lO种,正常上皮为7种,其中正常上皮的特异性蛋白包括细 胞角蛋白(cytokeratin)l和钙依赖磷脂结合蛋白(annexin)l。 夏书华等 应用LCM和2.DE技术分离食管鳞状上皮癌和 癌旁组织标本的冷冻切片。通过MS技术鉴定肿瘤表达异常 的蛋白,结果显示,热休克蛋白(HSP)27和钙依赖磷脂结合 ・429・ 蛋白的表达失调是食管癌发生过程中的频发事件。Zhou等嘲 应用胶内差异性二维凝胶电泳技术结合LCM对食管癌和癌 旁组织进行定量比较分析,结果显示癌组织中58个点表达 升高,107个点表达下调,且肿瘤排斥性抗原gp96表达上 调 应用cDNA微阵列技术结合聚类分析可正确鉴别食管腺 癌与癌前病变(Barrett食管)161。这些新检测方法为肿瘤的早 期诊断提供了新思路。 2.胃癌:尽管原癌基因、抑癌基因、细胞周期调节蛋白、 细胞生长因子等基因水平改变在胃癌发生中的作用已有研 究,但其具体机制尚未阐明。Nishigaki等1"71应用蛋白质组学 研究胃癌诊断的生物标志,发现胃癌中9种蛋白质表达增 高,l3种表达降低,其中变化最为显著的两组蛋白为有丝分 裂稽查点(MADILI、EB1)和有丝分裂相关功能蛋白(CLPP、 COX5A和ECH1)。提示在胃癌发生过程中,有丝分裂功能失 调可能发挥重要作用。此外.HSP27、CYR61等分化相关蛋白 的表达也发生了改变。因此,基于蛋白质组学的方法为研究 胃癌提供了全新的有用途径。有研究I 1应用SELDI.T0F—MS 技术检测胃癌患者和健康人血清标本.Biomarker Pattems Software(BPS)分析蛋白质数据谱,建立血清学检测胃癌潜在 生物标志物的模型。结果显示与其他质谱峰相比,l6个质谱 峰为潜在的生物标志,其中9个在胃癌患者中显著增高。 BPS分析显示两个质谱峰为检测胃癌的模型。其敏感性、特 异性和准确率分别为90.0%、86.7%和88.6%,远优于临床所 应用的癌胚抗原(CEA)、CAI9.9和CA72-4,且能准确判断 I、Ⅱ期患者。Ryu等I9]对ll例胃癌患者癌组织、癌旁组织及 其正常组织标本进行分析鉴定.结果显示HSP27等7种蛋 白质在癌组织中过表达, l抗胰蛋白酶等7种蛋白质在癌 组织中低表达。贾继辉等lI叫比较猴病毒40(SV40)转化的人 胃黏膜上皮细胞GES.1与人胃癌细胞MGC.803的差异蛋 白,MS分析后获得了l7个表达差异的蛋白质.涉及细胞骨 架、细胞调控、细胞凋亡和生物氧化等,差异蛋白分析有助 于深人研究胃癌发生、发展机制,进而为胃癌的早期诊断和 防治提供依据。应用cDNA芯片检测5.氟尿嘧啶(FU)敏感 和不敏感的胃癌细胞株,发现l1个基因在敏感细胞株中表 达上调,2个基因在敏感和不敏感细胞株中表达均下调.提 示这些基因与细胞表型、细胞凋亡、细胞周期和信号转导密 切相关,有助于了解细胞对5-FU的毒理机制…I。为发现胃癌 早期诊断的标志物以及探索胃癌发生的分子机制,应用蛋 白质组学研究胃癌手术标本和癌旁组织蛋白质谱表达情 况,结果显示,与非癌组织相比.细胞骨架蛋白发生了改变. 细胞角蛋白8和TPM异构体表达增高,细胞角蛋白20表 达降低;HSP与糖分解的酶类协同增强,表明细胞在恶性转 化过程中努力实现自我保护的同时能量需求也增加。细胞 增殖和分化相关蛋白,如GMP还原酶2、肌酸激酶B也发 生了变化。同时人胃特异性蛋白胃窦黏膜蛋白(18 kDa) (1 kDa=0.9921 U)明显降低,提示该蛋白在胃癌的发生中可 能具有特殊病理意义。全面分析这些蛋白质谱的改变为发 维普资讯 http://www.cqvip.com ・430・ 现胃癌的生物标志提供了线索,同时也为深入研究胃癌的 发病机制提供了理论依据_I2】。 3.肝癌:肝癌是最常见的恶性肿瘤之一,发病率逐年增 加。许多肝癌患者明确诊断时已处于晚期,因此预后极差,5 年生存率低于5%i・ 。肝癌筛查方法包括肝硬化患者每6个 月复查甲胎蛋白(AFP)和腹部超声检查,以进行早期诊断和 治疗。但AFP的敏感性和特异性较差,超声检查很大程度依 赖于操作者,因此许多肝细胞癌(HCC)分子标志,如glypi— can.3、凝集素反应AFP、胰岛素样生长因子、人肝细胞生长 因子等以及蛋白质组学和基因表达微阵列技术的应用将为 肝癌的早期诊断和治疗提供新思路lI4】。Ding等 时高转移的 MHCC97.H和低转移的MHCC97.L两株HCC细胞株的研 究发现,细胞角蛋白l9在MHCC97.H中过表达.提示血清 细胞角蛋白l9是一种预测肿瘤转移的标志物。为获得HCC 自身抗体作为诊断的标志.应用蛋白质组学和重组cDNA表 达文库血清学分析法(serologic analysis of recombinant cDNA expression libraries,SEREX)分析HCC患者血清中对肿瘤组 织有免疫反应的自身抗体.2-DE分离组织蛋白.LC MS/MS 鉴定阳性蛋白.结果显示HSFr70、Deroxiredoxin和Mn.SOD 抗体免疫反应滴度显著增高,提示这三个抗体为HCC特异 性自身抗体.有望成为潜在的诊断标志物lI6】。 4.胰腺癌:常见的实体瘤中,胰腺癌的生存率最低,早 期诊断是改善预后最行之有效的策略。应用SELDI.TOF.MS 技术比较胰腺癌患者和健康人血浆蛋白质组差异.结果显 示一组质谱峰(8766、17272、28080和14779质荷比)的中位 强度有显著差异,能准确区分胰腺癌患者和健康人.其敏感 性为97.2%,特异性为94.4%,且重复性好.结合检测CA19. 9,能发现全部胰腺癌,包括早期(I期、Ⅱ期)患者。虽仍需 大样本研究验证,但这套生物标志对血清学诊断胰腺癌仍 有适用价值I 。比较正常和恶性胰腺导管上皮细胞中的蛋白 发现,肿瘤细胞中5种蛋白表达增加.4种表达下降.其中一 种上调蛋白被确定为钙结合蛋白,即S100A6pSJ。有研究 时 转化生长因子(TGF).B刺激Smad4敲除的胰腺癌细胞株中 的蛋白变化进行了比较,结果显示5种蛋白表达上调.7种 表达下调,其中l0种蛋白是TGF.B新的靶位点,这些蛋白 在细胞周期、氧化应激等过程中起重要作用,蛋白组学与小 干扰RNA(siRNA)技术联用揭示了一条新的无Smad4参与 的TGF-B信号转导通路。有研究l删应用蛋白质组学鉴别诊断 胰腺癌、慢性胰腺炎与正常胰腺.结果显示,与正常组织相 比.多种蛋白质在慢性胰腺炎中的表达与胰腺癌有差异,如 UHRF1、ATI'7A和乙醛氧化酶l等.这些表达差异的蛋白 将为内镜检查时细针穿刺以及细胞学检查提供辅助诊断 价值。 5.结直肠癌:结直肠癌的发生是一个多阶段过程.涉及 多个基因突变,导致肿瘤抑制基因功能失活以及癌基因的 激活等,但确切机制仍不清楚。Bi等『2】l的研究发现组织代谢 途径的改变在结直肠癌的发生中发挥重要作用,其中以三 Chin J Gastroenterol,2007,Vo1.1 2,No.7 羧酸循环受损和Warburg效应最为关键。Brunagel等㈤根据 核基质蛋白与结肠癌的相关性,应用2-DE技术鉴定患者肝 标本中是否有核基质蛋白,从而判断结肠癌患者是否发生 肝转移,以早期诊断结肠癌肝转移。通过测定55例结直肠 癌患者和92名健康人血清蛋白质,建立人工神经网络预测 模型,结果显示,结直肠癌的检 率为82.6%,排除率为 91.9%。提示蛋白质芯片技术和血清蛋白质质谱法在结直肠 癌的诊断中较传统方法具有更高的检心率和排除率,值得 进一步研究和应用{ 。Madoz.GCtrpide等 对结直肠癌的研究 即实现了从基因到蛋白质的高通量转化,7种蛋白质中,除 外SPP1.其余蛋白在肿瘤组织中均过表达.虽然不能作为早 期诊断的依据.但LCN2和MMP1l在Dukes B、C期组织中 明显过表达。蛋白质组的研究为高通量分析基因组数据提 供了新线索。 四、问题和展望 蛋白质组学技术处于基础研究阶段,仍有很多问题和缺 点亟待解决,如蛋白质的分离是影响蛋白质组学研究的关 键问题,需进一步寻找蛋白质分离的技术突破;图像分析技 术仍有必要改进;有必要去除背景干扰而针对特异细胞群 进行分析,得到与肿瘤相关的特异蛋白质;需进一步发展较 酵母双杂交系统、生物传感芯片质谱和蛋白质复合物纯化 技术等更先进的技术以研究蛋白质的功能模式,即揭示蛋 白质问的相互作用、相互协调关系,并从整体水平上了解 DNA、mRNA和蛋白质二三者问的关系。 总之,蛋白质组的进一步研究将在肿瘤发病机制、诊断 和治疗方面取得重大突破,为肿瘤研究、诊断和治疗带来新 希望 参考文献 Kuramitsu Y.Nakamura K.Proteomic analysis of cancer tissues: shedding light on carcinogenesis and possible biomarkers.Proteomics,2006,6 f201:5650.566 1. 2 Qi Y,Chiu JF,Wang L,et a1.Comparative proteomic analysis of esophageal squamous cell carcinoma。 Proteomics,2005,5 fll1:2960.2971. 3 Emmert—Buck MR,Gillespie JW,Paweletz CP,et al。An approach to proteomic analysis of human tumors. 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