乳腺癌多组学整合研究揭示磷酸化与丙二酰化的分子调控网络及其在肿瘤微环境重塑中的关键作用

本研究针对乳腺癌分子机制的复杂性，通过整合全细胞蛋白质组（WCP）、磷酸化蛋白质组和丙二酰化蛋白质组分析，系统鉴定了2,417个差异表达蛋白（DEPs）、646个差异磷酸化蛋白（DPPs）和107个差异丙二酰化蛋白（DMPs）。研究发现这些蛋白显著富集于细胞外基质（ECM）相互作用和免疫相关通路，并揭示了磷酸化与丙二酰化修饰之间的crosstalk。研究为探索乳腺癌中翻译后修饰（PTM）的交叉调控提供了重要资源，为开发新的生物标志物和靶向治疗策略奠定基础。

　　

乳腺癌作为全球女性发病率最高的恶性肿瘤，其高度异质性的特征使得临床治疗面临巨大挑战。尽管高通量测序技术已经揭示了大量与肿瘤发生发展相关的基因变异，但研究表明mRNA与蛋白质表达的相关性仅为0.4，这意味着仅凭转录组数据难以完全揭示肿瘤的分子机制。更重要的是，蛋白质的功能往往受到翻译后修饰（PTM）的精细调控，这些修饰通过影响蛋白质的活性、稳定性、亚细胞定位和相互作用，在肿瘤的发生、发展和转移过程中扮演着关键角色。

在众多PTM类型中，磷酸化（发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基上）是目前研究最深入的修饰形式，它参与细胞信号传导、细胞周期调控和凋亡等关键过程。而丙二酰化（发生在赖氨酸残基上）作为一种新兴的蛋白质酰化修饰，与能量代谢特别是脂肪酸合成和TCA循环密切相关，但其在乳腺癌中的作用尚未被系统研究。

为了深入解析乳腺癌的分子特征，Chenxu Guo等研究人员在《Scientific Reports》上发表了题为“Integrated proteome, phospho-proteome and malonyl-proteome revealed a molecular alteration of breast cancer”的研究论文。该研究通过对乳腺癌肿瘤组织及癌旁健康组织进行全细胞蛋白质组（WCP）、磷酸化蛋白质组和丙二酰化蛋白质组的整合分析，系统揭示了乳腺癌中蛋白质表达及其修饰的动态变化网络。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先收集了5例乳腺癌患者的配对肿瘤和癌旁组织样本；接着通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术进行蛋白质组学数据采集，采用数据非依赖采集（DIA）模式提高检测重现性；使用免疫亲和富集方法分别分离磷酸化肽段和丙二酰化肽段；通过生物信息学方法包括功能富集分析、蛋白质相互作用（PPI）网络构建和激酶-底物富集分析（KSEA）等对数据进行系统解析。

Overview of multilevel proteomics

研究人员首先通过主成分分析（PCA）和皮尔逊相关系数（PCC）分析证实了肿瘤组织与健康组织在蛋白质表达模式上存在显著差异。特别值得注意的是，约一半的WCP鉴定蛋白不包含PTM位点，而461个蛋白同时包含两种PTM修饰，这表明磷酸化和丙二酰化修饰可能存在交叉调控。

Profiles of DEPs in the whole-cell proteome

在WCP分析中，共鉴定到7,459个蛋白质，其中1,630个在肿瘤组织中显著上调，787个显著下调。上调最显著的蛋白包括S100A8、S100A9、S100P等S100家族蛋白，而下调最显著的包括ZBTB2、OXTR等。亚细胞定位分析显示上调蛋白主要位于细胞质（27.83%）、细胞核（26.47%）和细胞外空间（14.86%），而下调蛋白则主要位于细胞外空间（33.33%）。

Functional enrichment analysis of DEPs

功能富集分析显示DEPs显著富集于免疫调节和细胞粘附相关通路（如糖胺聚糖生物合成-角质硫酸盐、ECM-受体相互作用等）。根据Fold Change（FC）将DEPs分为四组后进一步发现，FC变化较大的蛋白（Q3和Q4组）主要富集于免疫相关通路，如吞噬体、溶酶体和感染通路，表明这些蛋白可能在肿瘤免疫微环境重塑中发挥重要作用。

Profiles of DPPs and motif analysis of phosphorylation sites

在磷酸化蛋白质组中，共鉴定到4,870个磷酸化蛋白（569个上调，787个下调）和18,108个磷酸化位点。基序分析显示丝氨酸磷酸化位点周围富含脯氨酸（P）和谷氨酸（E），而苏氨酸磷酸化位点周围则富含脯氨酸（P）和丝氨酸（S）。亚细胞定位预测显示超过一半的DPPs位于细胞核，表明磷酸化修饰在核内转录调控中可能发挥重要作用。

Profiles of DMPs and motif analysis of Kma sites

在丙二酰化蛋白质组中，共鉴定到107个差异丙二酰化蛋白（DMPs），包含116个上调和110个下调的丙二酰化赖氨酸（Kma）位点。基序分析显示Kma位点周围富含丙氨酸（A）、甘氨酸（G）和缬氨酸（V），而脯氨酸（P）、精氨酸（R）等则较少见。亚细胞定位显示大多数DMPs位于细胞质（上调45.31%，下调53.49%），与丙二酰化主要调控细胞糖脂代谢活动的报道一致。

Functional enrichment analysis of DPPs and DMPs

对DPPs和DMPs的FC分组分析显示，不同FC范围的蛋白富集通路存在明显差异。DPPs中FC较小的组（Q1和Q2）主要富集于糖脂代谢相关通路，而FC较大的组（Q4）则富集于碱基切除修复、NF-κB通路等。DMPs的Q2组富集于半乳糖代谢、糖酵解和甘油酯代谢等代谢通路，而Q4组则富集于碱基切除修复和NF-κB通路。

Network analysis of PTMs

蛋白质相互作用（PPI）网络分析显示，DPP网络包含1006个节点和4683条边，核心蛋白包括ACTB、CTNNB1、EP300、HDAC1等。值得注意的是，乙酰转移酶EP300和去乙酰化酶HDAC1与许多DPPs存在相互作用，提示磷酸化与乙酰化修饰之间存在交叉对话。DMP网络的核心蛋白主要为代谢酶，包括TPI1、LDHA和TKT等。激酶-底物富集分析（KSEA）显示CSNK1D、ROCK1、ROCK2和CDK2等激酶活性显著激活。

研究结论与讨论部分强调，这项工作首次系统揭示了乳腺癌中磷酸化和丙二酰化修饰的全面特征。研究发现S100家族蛋白（S100A8、S100A9、S100P）在肿瘤组织中显著上调，这些蛋白已知在免疫应答中发挥重要作用，可能通过重塑肿瘤免疫微环境促进乳腺癌细胞生长。磷酸化蛋白质组分析揭示了SNPH等蛋白的磷酸化可能通过调节线粒体定位影响肿瘤细胞迁移，而KSEA分析发现CSNK1D激酶活性显著上调，其底物TACC2在S2321和S2512位点的磷酸化水平显著增加，提示这些位点可能作为潜在的治疗靶点。

在丙二酰化修饰方面，研究发现EZR具有多个Kma位点，这可能通过调节细胞形态和迁移影响肿瘤的转移行为。功能富集分析表明磷酸化和丙二酰化修饰主要影响肿瘤细胞的糖脂代谢、ECM相互作用和错配修复等典型肿瘤特征。

该研究的重要意义在于提供了乳腺癌蛋白质组及其修饰的全面图谱，揭示了PTM修饰在肿瘤发生发展中的关键作用，特别是发现了磷酸化与丙二酰化之间存在的交叉调控网络。这些发现不仅为理解乳腺癌的分子机制提供了新视角，也为开发新的诊断生物标志物和靶向治疗策略提供了重要资源。未来研究需要进一步验证这些修饰的功能意义及其作为治疗靶点的潜力。