急性髓系白血病的整合蛋白质基因组学与代谢组学谱系解析：用于识别分子亚型及其相关治疗靶点

《Nature Cancer》：Integrated proteogenomic and metabolomic profiling of acute myeloid leukemias to identify molecular subtypes and associated therapy targets

　　

急性髓系白血病（acute myeloid leukemia，AML）是一种在遗传和表型层面均高度异质性的血液系统恶性肿瘤。为更精准界定这一临床负担沉重且转化研究困难的恶性肿瘤，研究人员采用由13种模态组成的多组学（multiomics）策略，对173例初治AML个体进行分析。通过整合这些组学层，研究识别出不同的AML亚型、基因型–表型关联、生物标志物以及病理生物学机制。在原始型与定向分化型AML的连续谱中，研究发现由不同MYC和mTOR活性驱动的广泛代谢组学（metabolomics）和脂质组学（lipidomics）重编程。研究进一步将代谢变化与CEBPA突变型AML中线粒体蛋白显著高乙酰化联系起来。以蛋白质为中心的分型揭示了一个独特的NPM1突变亚群，其特征为FOXC1和HOXB8/9的离群表达。为在各亚型中筛选治疗靶点，研究构建了多组学机器学习（machine learning）方法，并验证MTA1是泛比诺司他（panobinostat）耐药的促成因素。总体而言，该研究结果强调了AML的复杂本质，并提供了一个兼具临床与转化意义的统一视角，揭示了跨多组学层面的趋同表型。

该研究发表于《Nature Cancer》，围绕急性髓系白血病（acute myeloid leukemia，AML）的高度异质性展开系统解析。AML长期以来虽已有基于细胞遗传学、基因突变、形态学以及部分转录特征的分类体系，但单一分类框架仍难以完整涵盖其临床表现、生物学状态与治疗反应之间的复杂差异。既往研究已提示AML在蛋白质组、翻译后修饰（post-translational modifications，PTMs）、代谢组和脂质组层面存在重要变化，并且部分分子状态与药物敏感性密切相关，但缺乏一个能够将遗传驱动因素、细胞分化层级、代谢状态和潜在治疗脆弱性统一起来的多组学框架。因此，开展本研究的核心目的，是在初治AML中建立一个覆盖多个分子层面的整合图谱，以更准确地识别分子亚型、解释其病理生物学基础，并为精准治疗提供依据。

研究人员对173例未经治疗的AML患者样本进行了系统性多组学分析，建立了涵盖基因组、甲基组、转录组、蛋白质组、翻译后修饰组、代谢组和脂质组的综合图谱，并据此提出8个以蛋白质为中心的AML亚型（AML-8）。研究表明，AML异质性可由两条关键主轴组织：一是特定遗传事件，尤其是NPM1、CEBPA和RUNX1–RUNX1T1等驱动改变；二是细胞分化状态，即原始型（primitive）与定向分化型（committed）之间的连续变化。进一步地，研究揭示了MYC与mTOR活性在AML分化层级中的显著拮抗关系，并发现这一关系贯穿蛋白质组、转录组与代谢组层面。研究还鉴定出多个具有潜在转化价值的标志物和治疗靶点，包括原始型AML的通用蛋白标志物MAP1A、泛比诺司他耐药相关因子MTA1，以及在特定亚型中具有治疗潜力的mTOR和ATP1B3等。这些结果的重要意义在于，研究不仅补充了传统遗传分类无法解释的生物学差异，也为AML的整合分层和靶向干预提供了更加具体的分子依据。

在技术方法上，研究主要整合了全基因组测序（WGS）、全外显子测序（WES）、RNA测序（RNA-seq）、miRNA测序、DNA甲基化分析、定量蛋白质组学、磷酸化组、乙酰化组、糖基化组、非靶向代谢组学和脂质组学等13种模态，样本来自173例初治AML患者，并包含匹配正常DNA对照。研究采用相似网络融合（similarity network fusion，SNF）进行整合分型，应用多组学因子分析（MOFA）与独立成分分析（ICA）解析潜在分子轴，利用单细胞参考转录组进行去卷积以估算细胞分化状态，并结合外部BeatAML蛋白质组队列、DepMap依赖性数据、CRISPR–Cas9功能实验及体外药物敏感性实验验证候选耐药机制与治疗靶点。

在“A comprehensive proteogenomic and metabolomic compendium of AML”部分，研究人员首先构建了AML综合多组学资源。通过对173例初治AML进行测序和质谱分析，研究检测到111,993个分子特征，且数据具有良好的技术重复性。研究整合全基因组、全外显子和转录组信息，系统识别突变、拷贝数改变、结构变异和融合事件，并结合WHO、ELN和FAB等临床框架进行标注。该部分结论是，研究队列能够较好覆盖AML主要遗传和表型异质性，为后续跨组学整合分析提供了可靠基础。

在“Distinct proteomic and post-translational impacts of class-defining AML alterations”部分，研究比较了复发性遗传异常对蛋白质组和翻译后修饰组的影响。结果显示，NPM1突变不仅导致NPM1蛋白下调，还影响数百种蛋白表达，且这种影响在校正遗传混杂因素后仍然显著。与之不同，WHO定义的融合事件更多影响乙酰化和磷酸化等翻译后修饰层面。研究还在复杂核型AML中提出UCHL1作为蛋白标志物及预后相关因子。该部分说明，不同遗传驱动事件在蛋白和翻译后修饰层面的作用方式并不相同，提示AML遗传类别内部仍存在显著表型异质性。

在“Antagonism of MYC and mTOR activity across the cellular hierarchy of AML”部分，研究利用单细胞参考转录组对bulk RNA-seq进行去卷积，推断各样本中CD14⁺单核样、GMP样和干细胞样细胞比例。结果发现，MYC和mTOR两条通路虽同属合成代谢调控核心，却在AML分化层级中呈现鲜明拮抗：单核样成熟AML表现为高mTOR、低MYC，而原始型AML则相反。该结论在蛋白和RNA层面均获得验证，提示分化状态是驱动AML核心代谢与信号差异的重要结构因素。

在“Integrative delineation of protein-centric AML subtypes”部分，研究通过SNF整合转录组与全蛋白质组，定义了8个蛋白质中心型亚型AML-8。C1–C3富集NPM1突变，C4富集CEBPA突变，C8富集RUNX1–RUNX1T1 t(8;21)融合，而C5–C7则富集与骨髓增生异常综合征（myelodysplastic syndrome，MDS）相关的继发性AML异常。研究显示，这些亚型同时反映基因型和分化状态两个维度，其中C1、C6偏成熟，C2、C7偏原始，C8偏GMP样。该部分结论是，AML-8较好整合了遗传驱动与细胞分化层级，较单纯遗传或单纯表型分类更能反映AML整体生物学结构。

在“Comparison of AML-8 to existing clinical and phenotypic AML subtypes”部分，研究将AML-8与既有临床和分子分型体系进行比较。结果显示，AML-8与ELN风险分层、WHO类别及单细胞来源的13种AML分化状态存在清晰对应关系，同时与既往部分转录组或蛋白质组分型既有重叠也有区别。研究据此说明，AML-8在整合遗传和分化两方面具有较强解释力。

在“A distinct HOXB8/9⁺ and CD99⁺ NPM1-mutant AML subtype”部分，研究进一步解析NPM1突变AML内部异质性，识别出3个亚型。C1为成熟单核样AML，C2为原始型三突变（NPM1、FLT3-ITD、DNMT3A）AML，对应既往Mito-AML；C3则为一个独特亚型，较少伴随DNMT3A和FLT3-ITD突变，却富集IDH1/2和GATA2突变。C3的突出特征是HOXB8/9、FOXC1、SOX4和POU2F1等转录因子表达或活性异常升高，并伴CIITA启动子高甲基化及主要组织相容性复合体Ⅱ类抑制。该部分表明，NPM1突变AML并非单一实体，C3代表了一个具有独特转录调控特征的新亚群。

在“Identification of MAP1A as a universal marker of primitive AML”部分，研究比较了NPM1突变相关和MDS相关AML中的原始型与成熟型特征，发现两类原始型亚群在蛋白层面共享共同程序。通过交叉比较，研究筛得MAP1A、TCF12和GATA2等原始型共同标志物，其中MAP1A在原始型AML中尤其突出。单细胞骨髓图谱分析显示，MAP1A在多淋巴祖细胞和浆细胞样树突细胞中较高，而在正常造血干细胞及成熟谱系细胞中缺失。外部队列进一步表明，MAP1A表达与维奈克拉（venetoclax）反应相关。该部分结论是，MAP1A可作为原始型AML的稳健蛋白标志物，并与药物敏感性存在关联。

在“Landscape of metabolic reprogramming in AML”部分，研究通过非靶向代谢组学分析91例样本，并以ICA提取8个代谢因子。结果显示，F1与mTOR相关，F4与MYC相关，从代谢层面支持两条通路的对立关系。原始型与成熟型AML之间存在显著代谢转变：成熟型AML上调糖磷酸类代谢物并下调ATP等核苷酸磷酸，伴随糖酵解关键酶HK1、HK2、HK3、FBP1和FBP2升高；而原始型AML则表现出更高的线粒体蛋白丰度、线粒体DNA覆盖度、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）相关特征及ATP产生。该部分说明，AML分化状态与核心能量代谢程序密切耦联。

在“Catabolic activity results in amino acids and dipeptide accumulation in GMP”部分，研究发现GMP样AML，尤其是C8，特异性富集氨基酸和二肽，并伴随半胰蛋白酶肽增加，提示蛋白降解活跃。进一步分析表明，该状态与多种蛋白酶上调以及EIF4E缺失、eIF4F依赖蛋白翻译下降有关。该部分结论是，GMP样AML具有以蛋白水解增强和翻译减弱为特征的分解代谢状态。

在“Lipidome remodeling across the AML cellular differentiation hierarchy”部分，研究分析了96例样本的脂质组学数据。结果显示，脂质谱差异主要与细胞分化程度而非特定基因突变相关。成熟型AML富集磷脂酰丝氨酸（PS）和鞘磷脂（SM），原始型AML富集磷脂酰胆碱（PC），而GMP样AML则富集己糖基神经酰胺（HexCer）和二己糖基神经酰胺（Hex2Cer）。研究进一步指出，原始型AML表现为PS耗竭、PC-1积累及caspase活性降低，提示抗凋亡特征；成熟型AML则伴随更高caspase活性、焦亡（pyroptosis）标志升高，以及22:6多不饱和脂肪酸相关醚磷脂和铁死亡（ferroptosis）特征增强；GMP样AML则呈现HexCer上升和SM下降，反映鞘脂代谢重塑。该部分表明，不同分化层级AML具有不同的细胞死亡相关脂质特征及潜在治疗窗口。

在“Genetic and metabolic control of protein acetylation and epigenetic remodeling”部分，研究聚焦蛋白乙酰化变化。分析发现，C4亚型出现显著高乙酰化，而C8亚型则呈现广泛低乙酰化。进一步按细胞区室分层后发现，C4的高乙酰化几乎局限于线粒体蛋白，并富集于三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）、丙酮酸循环和OXPHOS等通路。该部分说明，乙酰化失衡是AML亚型的重要分子特征之一。

在“Nonenzymatic hyperacetylation of mitochondrial proteins in CEBPA-mutant AML (C4)”部分，研究从代谢途径角度解释C4高乙酰化。结果显示，C4中脂肪酸β氧化、赖氨酸降解以及缬氨酸/亮氨酸/异亮氨酸降解增强，而丙酮酸代谢无显著变化；同时TCA循环和多种线粒体基因上调，SUCLG2例外。结合亮氨酸和赖氨酸丰度下降，研究认为C4中乙酰辅酶A（acetyl-CoA）积累可能驱动线粒体蛋白非酶促高乙酰化。该部分建立了代谢重编程与CEBPA突变AML线粒体高乙酰化之间的联系。

在“Global hypoacetylation and PTM dysregulation of acetyl writers and erasers in GMP-like AML (C8)”部分，研究表明C8的低乙酰化并不限于线粒体，而是跨多个细胞区室。尽管组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）和组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase，HAT）总蛋白水平稳定，但其磷酸化和乙酰化位点出现明显异常，包括EP300 K1794、EP300 K1180和CREBBP K1216等关键位点。该部分提示，C8中的低乙酰化更可能源于乙酰化“写入者”和“擦除者”在翻译后修饰层面的调控失衡。

在“Functional network analysis prioritizes MTA1 as a mediator of HDAC inhibitor resistance”部分，研究围绕泛比诺司他敏感性构建功能网络。通过FunMap及图论聚类，研究鉴定出多个与原始型AML和不良生存相关的功能团，其中C38团簇包含HDAC1、HDAC2及NuRD、Sin3相关复合体成分。该团簇多个蛋白与泛比诺司他耐药负相关，其中MTA1相关性最强。随后，CRISPR–Cas9敲除MTA1可恢复MOLM-14和MONO-MAC-6细胞对泛比诺司他的敏感性，而在耐药细胞中过表达MTA1可增强耐药。该部分结论是，MTA1是HDAC抑制剂泛比诺司他耐药的重要介导因子。

在“Proteogenomic identification of therapeutic vulnerabilities in AML”部分，研究结合BeatAML蛋白质组学药敏数据和DepMap依赖性数据，利用XGBoost分类器将外部样本映射到AML-8亚型，并系统筛选潜在药物靶点。结果显示，部分FDA批准药物，尤其是激酶抑制剂，在不同亚型间反应不同。mTOR在C1和C8中得到多组学与依赖性数据支持，并通过雷帕霉素（rapamycin）反应得到验证；ATP1B3也被提出为C1和C8的潜在靶点。研究还发现，BCL-2在原始型AML中更高，而单核样分化与维奈克拉耐药相关；FGR及其他Src家族激酶与单核样分化正相关。在BeatAML中，达沙替尼（dasatinib）联合维奈克拉在耐维奈克拉的成熟型AML中显示出更优反应，且FGR升高与联合获益相关。该部分说明，多组学整合可用于识别AML亚型特异性治疗脆弱性及联合用药标志物。

讨论部分指出，本研究以AML-8离散亚型和MYC/mTOR连续拮抗两大框架组织AML异质性，强调遗传驱动与细胞分化共同塑造其多组学生物学面貌。研究不仅细化了既往Mito-AML概念，还识别出具有FOXC1、HOXB8等异常活化特征的新型NPM1突变亚群，并提出MAP1A作为原始型AML稳健标志物。与此同时，研究揭示了CEBPA突变相关线粒体高乙酰化和GMP样AML广泛低乙酰化等翻译后修饰特征，进一步说明代谢重编程与表观遗传调控存在紧密耦联。治疗层面，研究通过功能网络和机器学习方法提出并验证了MTA1、ATP1B3等靶点，同时支持在特定分化状态下考虑mTOR抑制或维奈克拉联合达沙替尼等策略。作者同时指出，研究仍存在回顾性设计、队列地域构成有限、部分AML亚型覆盖不足、质谱检测局限以及bulk profiling无法完全区分细胞组成变化与细胞内调控变化等限制，相关转化关联仍需独立队列与机制研究进一步验证。

研究结论部分可概括为：AML是一种在遗传、表型和临床层面均高度复杂的疾病。本研究通过对初治AML进行大规模整合多组学分析，建立了一个统一的分子图谱，揭示了由基因型与细胞分化共同决定的8个蛋白质中心型亚型，以及贯穿多组学层面的MYC与mTOR拮抗轴。研究识别了原始型AML的通用标志物MAP1A、CEBPA突变AML的线粒体高乙酰化特征、GMP样AML的广泛低乙酰化状态，并确定MTA1是泛比诺司他耐药的重要介导因素。总体而言，这一资源为AML的高级分层、病理生物学理解和靶向治疗开发提供了具有临床与转化意义的综合框架。