Cell专栏 | 重磅:精准肿瘤治疗的下一个地平线——基因蛋白质组学【期刊号:2021年第184卷第7期】

导读

本期Cell发表1篇Perspective、1篇Review和13篇Articles,其中7篇为新冠机制、治疗相关文章。由此可见,新型冠状病毒致病机制、有效预防和治疗仍是学术界关注的主要科学问题。同时,发育、免疫、感染等机制的最新研究为重要的成药靶点提供了最新的理论支持。基因进化、生态等领域机制的新发现丰富了我们对生物进化的认知,为生物的适应性进化规律开辟了新的视角。本期Cell还对未来蛋白基因组学应用于肿瘤精准诊疗进行了展望。基因组学与蛋白质组学的有效融合将提供一种有前景的技术用于癌症患者的个体化诊断,提供更为准确的治疗方案,大大促进了精准医学走入临床应用。

 


一、精准医疗

PAPER 01

本篇为来自OCCPR的Douglas R.Lowy教授发表的Perspective文章。展望精准肿瘤学这一领域,蛋白基因组图谱为精准医疗提供了更为光明的前景。通过对癌症患者的临床分子特征评估,做出更为准确的癌症诊断,最终获得最有可能获益的治疗方案。文章详细描述了癌症基因组图谱(TCGA)和临床蛋白质组肿瘤分析 (CPTAC)对精准肿瘤学所做的重要贡献和深远意义。对精准肿瘤学而言,基因蛋白组学需要充分整合到临床试验和病人的护理工作当中,促使恰当的癌症疗法在适当的时间以正确的剂量带给个性化的患者。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.055)
投资预期:未来基因蛋白质组学技术应用前景明朗
该领域归属精准医疗个体化诊断领域。Cell 杂志 3月的论文中展望精准医学将如何在未来十年,改变医学界的规范以及大众对健康的观念。随着算法的进步与数据的积累,医学界对疾病的分类有了全新的认识。未来测序成本将从当前的500美元降低到2030年的20美元(预期),基因检测将会用于常见病的用药指导。联合蛋白质组学检测疾病相关蛋白质的表达量、翻译后修饰水平的动态变化,以揭示疾病发生发展规律,发现和验证疾病诊断/预后生物标志物、潜在药物治疗靶点。后基因组时代将通过整合基因组学和蛋白质组学等高通量测序技术,依托于不断发展的AI强大算法,为最终实现疾病的精准医疗夯实科学基础。
核心技术痛点:生物大分子蛋白质谱技术和AI算法开发遇到瓶颈
如今,基因组测序技术已经相对成熟,降低全基因组测序的成本并提高测序速度不再是技术难点,Illumina和华大基因等企业表示很快也将实现100美元基因组测序。而蛋白质组学技术受限于蛋白结构和功能的复杂程度,显然没有基因组测序技术那么突飞猛进。该领域技术难点主要集中于复杂的三维结构蛋白如何依托于生物质谱技术实现高通量的精准检测;以及在大数据的平台下如何利用AI算法深度挖掘可利用的海量基因组数据和蛋白组数据,并使之建立可靠联系
国内投资案例:景杰生物完成5.3亿元人民币的B轮融资
2020年11月,国内景杰生物在高性能生物质谱的蛋白质组学分析、高质量抗体开发等多个领域均走在国际前列,完成5.3亿元人民币的B轮融资,由IDG资本领投。景杰生物也将蛋白质组学海量数据与基因组学数据进行人工智能分析相结合,为疾病的精准诊断与精准治疗探索出了一条全新的道路。

二、GPCRs靶点在研药物

PAPER 02

本篇为来自加拿大多伦多大学R. Scott Prosser教授发表的Article文章。该文章揭示G蛋白偶联过程中腺苷A2A受体构象变化的蓝图。G蛋白偶联受体(GPCRs)是一个普遍存在的膜蛋白家族,是重要的药物靶点。GPCRs很少被结构学的方法捕获的一系列构象变化过程造就了复杂的药理学机制,这也就驱动了下游丰富多彩的信号通路。论文中,研究人员使用氟核磁共振波谱(19F NMR)解析了在磷脂膜环境中与异三聚体G蛋白(Gαsβ1γ2)复合的腺苷A2A受体(A2AR)的关键功能状态。研究人员从配体、G蛋白和核苷酸的功能的角度分析了A2AR的状态特征,从中确定了无活性状态、与G蛋白结合的活化中间体以及与部分或完全激动剂驱动的活化相关的独特无核苷酸状态。如19F NMR和生化及计算研究所示,研究人员发现Gβγ亚基在促进配体依赖的变构传递中至关重要。这些研究结果为理解GPCRs中的基础信号传导、功效、预偶联和变构效应提供了一些对机制的基本认知。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.041)
投资预期:GPCRs的关注度在不断提高,适应症也在不停探索,未来这类靶点会持续给我们带来惊喜2010年,全球约只有15个项目针对10个GPCRs靶点在研;到2019超过了170个项目针对76个靶点在研。从中可以看出GPCRs这10年以来的快速发展,关注度不断提高。截止2020年,只有两种GPCRs靶向单克隆抗体获批,分别是靶向CCR4和CGRP1型受体的mogamulizumab(由日本协和发酵麒麟株式会社开发)和erenumab(由Amgen和Novartis合作开发)。此外还有一个目前进展最快的靶向CCR5的Leronlimab(由CytoDyn开发),目前FDA已授予leronlimab治疗HIV感染的快速通道资格。
核心技术痛点:GPCR抗体开发技术平台门槛高
GPCR具有7个跨膜区的结构特点以及天然的低表达率,有限的免疫原性抗原表位、很难分离完整的 GPCR以及GPCR高度异质性等问题造成GPCR抗体药开发技术门槛较高。
国内投资案例:鸿运华宁完成7800万美元C轮融资
2021年3月,国内鸿运华宁(杭州)生物医药有限公司作为一家具有“全球首创”和“同类最优”潜质的GPCR抗体新药研究、开发、生产与销售的国际化企业完成7800万美元C轮融资,由招商局集团领投。公司拥有国际领先的GPCR抗体新药开发技术平台和多特异性药物Bibody开发技术平台以及20余个在研新药的产品管线。(其中,治疗2型糖尿病的抗体型GLP-1受体激动剂GMA102已经启动中国Ⅲ期临床试验;治疗肥胖症的抗体新药GMA105即将进入中国Ⅲ期临床试验;治疗肺动脉高压的抗体新药GMA301有望于2021年下半年启动全球注册性临床试验。治疗糖尿病肾病的单抗新药GMA131的中美联合Ⅱ期临床申报工作已经开始。现有9个处于临床前研究阶段的Bibody项目中,GMA106、GMA202和GMA306均有望于2021年进入临床试验。)

三、新冠研究热点技术

PAPER 03

本篇为来自德国神经退行性疾病中心的C. Aschenbrenner教授发表的Review文章。SARS-CoV-2在人类群体中的传播带来了巨大的医疗和经济危机。先天免疫作为我们免疫系统的第一道防线,在对抗这种病毒的过程中起着核心作用。在这篇综述里面,作者提供了一个人类固有免疫系统与SARS-CoV-2相互作用的概念框架,把临床观察和疫情爆发第一年在实验中的发现联系起来。作者回顾分析了一些证据,证明在不同人群中感染冠状病毒(COVID-19) 具有不同的疾病过程,这主要是因为人群中的先天免疫系统的组成是不同的。更好地了解固有免疫机制在细胞和可溶性介质层面的病理生理机制,是开发针对COVID-19的诊断标志物和治疗策略的先决条件。然而,目前要搞清楚一系列机制的因果关系还需要额外的研究,目前来看这方面的进展仍然是滞后的。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.029)

PAPER 04

本篇为来自华盛顿大学医学院Michael S. Diamond教授发表的Article文章。SARS-CoV-2引发了全球COVID-19大流行。虽然注射抗SARS-CoV-2的中和抗体在临床试验中可能有效,但它们在体内的作用机制尚不完全清楚。在这里,作者阐述了在感染SARS-CoV-2动物身上运用人中和抗体产生保护作用的一些相关性因素,当具有代表性的中和抗体用于预防时,Fc效应功能不是必需的,但用于治疗时为了获得最佳的保护效果,又是必需的。与功能丧失的Fc变异单克隆抗体相比,在感染后给予完整单克隆抗体,在减少小鼠和仓鼠的SARS-CoV-2病毒含量和肺部疾病的发生方面表现得更好。中和抗体的Fc效应参与减轻炎症并改善呼吸机制,转录分析表明这些表型与先天免疫信号减弱和保护组织修复有关。免疫细胞消耗实验证实,中和单克隆抗体需要单核细胞和CD8+T细胞,以取得最佳的临床和病毒学获益。因此,在治疗过程中,有效的中和单克隆抗体会利用Fc效应功能来减轻肺部的感染和疾病进展。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.026)该研究对于治疗和预防COVID-19的药物具有重要的指导意义。为了避免抗体Fc效应的危险,一些开发抗COVID-19抗体药物的公司改变了抗体长臂中的序列来防止它与免疫细胞相互作用。其他公司则采取了相反的策略:加强抗体的效应功能来潜在地提高它们的药效。Michael S. Diamond教授的工作确定了抗体的效应功能在COVID-19治疗中的积极作用。因此,优化抗体的效应功能可能是提高SARS-CoV-2药物药效的关键。

PAPER 05

本篇为来自意大利单克隆抗体发现实验室Rino Rappuoli研究团队发表的Article文章。从COVID-19康复患者中获得了极其高效的人单克隆抗体。通过对来自14名COVID-19幸存者的4277个SARS-CoV-2刺突蛋白特异性记忆B细胞进行单细胞分类,鉴定出453个中和抗体。最有效的中和抗体识别出了刺突蛋白受体结合结构域,然后按结合强度依次识别出了S1结构域、刺突蛋白三聚体和S2亚基的抗体。只有1.4%的中和抗体以1-10 ng/mL的效力中和了病毒。最强效的单克隆抗体可中和真正的野生型病毒和含有D614G、E484K和N501Y取代的新兴变体,经过工程设计后可降低抗体依赖性增强的风险并延长半衰期。在不存在Fc功能的情况下,研究人员分别在0.25和4 mg/kg下观察到仓鼠模型中的预防和治疗功效。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.035)该研究对于COVID-19药物研发具有重要的指导意义。明确了有效的中和抗体识别刺突蛋白受体结合结构域,其次是识别S1结构域、刺突蛋白三聚体和S2亚基的抗体,为单克隆抗体的理性改造提供了最直接有效的证据。

PAPER 06

本篇为来自美国NIH免疫系统生物学实验室John S. Tsang研究团队发表的Article文章。COVID-19表现出广泛的患者间异质性,为了将不同的免疫反应与疾病严重程度和预后联系起来,作者对来自COVID-19患者的单个外周免疫细胞的循环蛋白以及188个表面蛋白标记物、转录组和T细胞受体序列同时进行了纵向评估。独立条件的网络分析揭示了疾病严重程度的主要相关因素,包括浆细胞样树突状细胞凋亡的基因表达特征和CD56dimCD16hiNK细胞中与循环IL-15呈正相关的炎症减轻但脂肪酸代谢增加的情况。CD8+ T细胞活化明显,无衰竭迹象。重症患者在住院早期虽然细胞炎症受到抑制,但在症状出现后的17-23天,细胞炎症水平升高,提示出现了一波迟发的炎症反应。此外,此时的循环蛋白轨迹在恢复和预测致命结果之间存在差异。作者的研究结果强调了COVID-19的分析、临床监测和治疗干预中时机的重要性。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.018)

PAPER 07

本篇为来自来美国宾夕法尼亚大学Scott E. Hensley研究团队发表的Article文章。该研究对431人在COVID-19大流行前采集的血清样本进行检测,定量了SARS-CoV-2的反应抗体和hCoV反应抗体水平。另一个队列的251人经过PCR确认感染了SARS-CoV-2,研究人员定量研究了这些人的血清样本在大流行前的抗体水平以及纵向检测了住院COVID-19患者血清中hCoV和SARS-CoV-2的水平。这些研究显示,在COVID-19大流行发生前,大多数个人体内均有hCoV反应抗体,并且能够确定有超过20%的个人携带有与SARS-CoV-2和核衣壳蛋白具有交叉反应的非中和抗体。保护患者不感染SARS-CoV-2或者住院与这些抗体并没有什么关系,但抗体的表达水平确实是在感染SARS-CoV-2后有所提高。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.010)

PAPER 08

本篇来自清华大学生命科学学院张强锋课题组与协和医学院王健伟课题组以及清华大学医学院丁强课题组共同研究,深入理解RNA病毒及其与宿主蛋白的相互作用有助于改善COVID-19的治疗干预。研究人员利用icSHAPE技术确定了感染后人细胞内SARS-CoV-2的RNA结构,这些RNA有的来自重新折叠的RNAs,有的来自SARS-CoV-2和6种其它的冠状病毒中起调控作用但不转录的区域。研究人员证实了计算预测的几个结构要素,同时发现了细胞内影响病毒亚基因组RNA转录和丰度的多个结构特征。课题组把这些结构数据整合到一个深度学习工具里面,就可以比较好地预测能与SARS-CoV-2 RNA结合的42种宿主蛋白。引人注目的是,靶向结构要素的反义寡核苷酸和FDA批准的抑制SARS-CoV-2 RNA结合蛋白的药物,都显著降低了人的肝和肺肿瘤细胞中SARS-CoV-2感染。研究结果揭示了COVID-19治疗的多种候选疗法,也让我们对冠状病毒有了更多认识。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.008)

PAPER 09

本篇来自于我国十多个省市四十多家医院大学和研究机构发表的Resource文章。2020年5月自发组建了“新冠肺炎单细胞研究中国联盟(Single Cell Consortium for COVID-19 in China (SC4))”,旨在协同建立新冠肺炎单细胞转录组大队列大数据,为揭示新冠肺炎发病机制和免疫学特征发出中国的声音。感染COVID-19的患者一般都存在免疫系统的紊乱,这成了经常受到关注的主题,同时这些问题也影响了患者的症状和死亡率,然而对相关免疫细胞的了解还不够全面。研究人员对196名COVID-19患者和对照组的284份样本进行了单细胞RNA测序,创建了一个包含146万个细胞的免疫景观。庞大的数据集使我们能够确定与不同临床特征相关的多样化的外周免疫亚型的变化,这些临床特征包括年龄、性别、COVID-19的疾病分期和严重程度。在多种上皮细胞和免疫细胞中发现了SARS-CoV-2 RNA,并在病毒阳性细胞中伴有显著的转录组变化。同时,以外周血巨核细胞和单核细胞为主的S100A8/A9系统性上调,证实可能参与了重症患者中常见的细胞因子风暴。该研究为了解COVID-19的发病机制和制定有效的治疗策略提供了丰富的理论依据。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.053)
投资预期:单细胞测序技术和人工智能算法技术将成为临床监测和治疗干预、理性设计候选药物的关键技术平台 未来可期
第三篇到第九篇主要聚焦于新冠病毒致病机制、有效预防和治疗。其中有三篇文章在单细胞水平研究新冠患者免疫细胞的基因表达特征、中和抗体以及免疫全貌图。单细胞测序技术是开展此类研究的关键技术,依托于庞大的数据集使我们能够确定与不同临床特征相关的多样化的外周免疫亚型的变化,这些临床特征包括年龄、性别、COVID-19的疾病分期和严重程度,为临床监测和治疗干预、理性设计候选药物提供有力支撑。但该领域目前受限于实验成本和技术壁垒,还主要应用于科研领域。随着微流控技术和全基因组和全转录组扩增技术的发展,该高端平台将走下神坛,最终像测序技术一样普及。最近相关领域中,国内公司万乘基因完成了数千万元的Pre-A轮融资,由北极光创投独家投资。另外,清华大学生命科学学院张强锋课题组通过人工智能算法找到了多个与病毒RNA相互作用的宿主蛋白,以及潜在抗新冠的重定位药物。说明深度学习方法已成功应用于模型化蛋白质-RNA相互作用并预测RBP结合位点。借助该新技术,合作团队找到了多个的市场上已有的靶向药物。实验表明,经过这些药物处理的细胞感染新冠病毒的能力大大减弱了。这意味着,这些重定位药物可以为治疗新冠肺炎提供新的潜在候选治疗方案。目前该技术仍处于科研阶段,向平台化发展仍需一定时间。

四、其他文章摘要赏析

PAPER 10

本篇来自中国农科院张友军团队发表的Article文章,作为本期Cell封面文章。研究发现烟粉虱是一种世界性的、高度多食性的农业害虫,携带多种严重的植物病原病毒,是研究克服植物防御的分子机制的极好模型。通过比较基因组学和生物信息学分析发现烟粉虱基因组中具有一个植物特有的同源基因——BtPMaT1基因,并通过进化分析和分子生物学方法证实该基因为植物源水平转移基因。研究人员利用异源表达、中肠蛋白酶活鉴定以及烟粉虱蜜露代谢谱分析等手段发现烟粉虱能通过中肠特异性表达的BtPMaT1基因代谢酚糖,干扰烟粉虱BtPMaT1基因后显著增加了酚糖对烟粉虱的毒性,并降低其在番茄寄主上的繁殖力,进一步通过构建转基因番茄发现持续干扰该基因,能够实现对烟粉虱的完全防控,但不会影响非靶标节肢动物。(摘要)(原文链接:http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.014)该文章揭示了从植物解毒基因上 “偷师学艺”,在自身之中形成了类似的解毒基因,用以对抗植物产生的 “毒药”。这一发现说明了昆虫绕过植物的防御获得了令人难以置信的适应能力。基于此,张友军研究团队制定了开发抑制烟粉虱基因的转基因作物控制烟粉虱危害。该论文是我国农业害虫研究领域的首篇Cell文章,理论创新性和应用价值兼备。

PAPER 11

本篇为意大利帕维亚大学Alessandro Achilli、Marco Rosario Capodiferro等研究人员发表的Article文章合作揭示中部美洲考古基因组的独特性。研究人员报道了目前居住在巴拿马的七个群体的十个前西班牙裔(加上两个早期殖民地)基因组和84个全基因组概况。分析表明,前西班牙裔的人口统计学事件促成了该地区目前广泛的遗传结构,其特征还在于其独特的Isthmo-Colombian土著成分。该成分在特定的变异性轴上驱动这些群体,并来源于北美北部起源的不同祖先。这些祖先中有两个与更新世的土著群体有不同关联,后者也进入了南美,留下了异质的遗传足迹。未被采样的Isthmus群体(UPopI)带来了另外的更新世血统,该群体一直局限于Isthmian区域,并在全新世早期局部扩张,直到今天仍保留了基因组踪迹。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.040)

PAPER 12

本篇为来自美国贝勒医学院的Mauro Costa-Mattioli团队发表的Article文章。传统上,许多神经系统性疾病的核心症状被认为是由影响大脑发育和功能的基因变异引起的。然而,肠道微生物群,另一个重要的引起变化的来源,也可以影响特定的行为。因此,搞清楚宿主的基因突变、微生物以及与复杂行为的相互作用等问题就变得非常关键。令人意外的是,研究人员发现在神经发育紊乱的Cntnap2−/−模型中不同的适应不良的行为通过相互依赖的形式由微生物和宿主基因同时调控。宿主基因会造成Cntnap2−/−小鼠的表型处于极度活跃的状态,然而社会行为的表型则是由肠道菌群来介导。有趣的是,特定的微生物干预——给予罗伊氏乳杆菌可以通过上调四氢生物蝶呤合成途径中的代谢产物,改善Cntnap2敲除小鼠的社会行为。目前该靶点参与疾病的生理学机制还在进一步研究中。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.009)

PAPER 13

本篇为来自美国杜克大学医学David M. Tobin发表的Article文章。通过使用斑马鱼-海洋分枝杆菌模型,研究人员确定了肉芽肿巨噬细胞转化的基础。斑马鱼肉芽肿单细胞RNA测序分析和结核分枝杆菌猕猴感染的分析表明,即使存在强大的1型免疫应答,与之相反的2型信号也与巨噬细胞上皮形成相关。研究人员发现上皮化和肉芽肿形成需要通过stat 6介导的2型免疫信号。在混合嵌合体中,stat 6在巨噬细胞中自主发挥功能,这对于上皮样转化以及整合到坏死性肉芽肿中是必需的。这些发现建立了产生分枝杆菌感染标志性结构的信号传导途径。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.046)

PAPER 14

本篇来自斯坦福大学张元豪教授发表的Article文章。长非编码RNA(lncRNA)XIST在早期发育中会在雌性细胞中建立X染色体失活(XCI),此后被认为在很大程度上是必需的。该研究显示成年人类B细胞中不断需要XIST来沉默X连锁免疫基因(例如TLR7)的子集。XIST依赖的基因缺乏启动子DNA甲基化,并需要连续的XIST依赖的组蛋白去乙酰化。XIST RNA导向的蛋白质组学和CRISPRi筛选揭示了独特的体细胞类型特异性XIST复合物,并鉴定了介导Pol II暂停B细胞中X连锁基因启动子的TRIM28。女性患有系统性红斑狼疮或COVID-19感染的女性患者的单细胞转录组数据显示,CD11c +非典型记忆B细胞(ABCs)的XIST失调反映了XIST依赖性基因的逃逸。用TLR7激动剂进行XIST灭活足以促进同种型转换的ABC。这些结果表明lncRNA-蛋白质复合物的细胞类型特异性多样化和功能,并暗示了XIST在生物学和医学上的性别差异中的扩展作用。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.015)

PAPER 15

本篇来自奥地利科学技术研究所的Edouard Hannezo教授发表的Theory文章。胚胎形态发生受组织材料属性的动态变化所影响,这被认为是通过类似于相变(PTs)的过程发生的。作者发现刚性渗透提供了一个简单和稳健的理论框架,可以从局部细胞连接预测胚胎组织的材料/结构PTs。通过使用渗透理论,结合直接监测组织流变学和细胞接触力学的动态变化,作者证明了斑马鱼胚层经历了真正的刚性PT,这是由粘附依赖的细胞连通特性在临界值以下的微小变化引起的。通过定量预测和实验验证PTs的特征,包括幂律指数和相关的宏观可观测的不连续,证明了这种均匀的PT依赖于胚层细胞进行超同步分裂,从而导致随机的、均匀的细胞连接变化。作者的理论和实验发现揭示了一个有机体中物质PTs的结构基础。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.017)