随着组学新技术的不断涌现，加快了组学研究向定量化，高通量的方向发展，通过对多组学数据的整合分析，已成为科学家探索生命机制的新方向。今天给大家分享一篇今年7月发表在Theranostics（IF:11.6）的文章。这篇文章整合了基因组学、转录组学、蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学等多组学的数据探究KRAS突变在结直肠癌（CRC）中的分子机制和临床意义。

Integrated multi-omics characterization of KRAS mutant colorectal cancer

KRAS突变型结肠直肠癌的综合多组学特征分析

背景

KRAS是CRC中最常见的突变的致癌基因之一，约40%的CRC患者存在KRAS激活错义突变。KRAS基因编码一种GTP/GDP结合蛋白，属于鸟苷三磷酸酶（GTPase）RAS家族，并触发多种磷酸化级联反应。一旦KRAS突变发生，GTP的水解被破坏，或核苷酸交换增强，导致KRAS在活性状态下的积累，并促进下游信号通路的构成性刺激，从而促进肿瘤细胞的增殖和存活。越来越明显的是，致癌的KRAS突变介导了肿瘤微环境（TME），特别是通过促进炎症和抑制免疫反应，并最终导致免疫逃避和肿瘤进展。然而，在具有KRAS突变的CRC中，TME的细胞异质性仍有待研究。信号网络的复杂性和多个KRAS突变等位基因的异质性特征导致了开发针对KRAS突变体肿瘤的分子靶向治疗的困难。

先前对KRAS突变型癌症的大规模组学研究极大地提高了对KRAS驱动的癌症的分子多样性的理解。到目前为止，主要的研究都是基于基因组学和转录组学。值得注意的是，最近的研究已经证明了蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学特征在推进对肿瘤异质性的理解方面的重要性。

在这篇文章中，作者报道了KRAS突变的CRC肿瘤可以根据整合的转录组学、蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学，分为两种不同的分子亚型。这两种亚型具有不同的临床特征、生物学途径、拷贝数改变和与KRAS信号激活相关的磷酸化级联反应。激酶网络分析和药物敏感性预测也揭示了潜在的治疗药物，可能有助于治疗特定的亚型。

结果

KRAS突变型与野生型CRC的分子比较

KRAS激活信号通路及各节点的相关抑制剂总结如A。对CRC患者的预后生存分析显示，KRAS突变组相较于野生型的结果更差（B），在校正了年龄、性别、临床分期和MSI状态后，在多种变量回归模型中，这种相关性仍然显著（C）。基于GSEA分析显示KRAS突变型（Mut）和野生型（WT）具有不同的通路富集（D）。接下来，基于转录组学、蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学数据，比较了KRAS-Mut和KRAS-WT CRC的差异。其中KRAS-Mut组肿瘤迁移和PI3K/AKT激活显著上调，而KRAS-WT组免疫调节和细胞代谢显著上调（E）。基于基因组学，比较了KRAS-Mut和KRAS-WT样本中的体细胞拷贝数改变和非整倍体评分，KRAS-Mut组均表现出较低水平的改变（F，G）。KRAS突变与CRC中25个最常见的突变基因之间的关系如H所示，CRC中RID1A和ACVR2A突变与KRAS突变相互排斥，进一步提示CRC中存在遗传畸变。

KRAS-Mut的CRC单细胞转录组景观分析

基于bulk RNA-seq数据来量化基质和免疫细胞浸润，大部分细胞亚群在KRAS-Mut和KRAS-WT肿瘤之间的显著差异（A）。从16个KRAS-WT和13个KRAS-Mut的CRC中共获得55539个单细胞属于6种主要的细胞类型（B），并分别展示4种细胞类型中KRAS-Mut和KRAS-WT的差异（C，D）。

KRAS-Mut组的分子亚型的鉴定

进一步整合转录组学、蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学数据，KRAS-Mut CRC被分为两个亚型（KM1和KM2；A，B）。同时作者也分别在三个组学的数据集进行了无监督聚类分析，但结果显示整合三种组学数据可以更准确地对KRAS-Mut CRC进行分类（C）。为了识别KM1和KM2亚型之间最具鉴别性的分子特征，使用随机森林方法分别在mRNA、蛋白和磷酸化蛋白水平上筛选出5个mRNA、10个蛋白和19个磷酸化蛋白作为分型特征因子（D）。作者进一步比较了KRAS中的突变残基，KM1和KM2亚组之间的差异无统计学意义（E，F）。KM1与KM2亚组相比，患者有更好预后（G，H）。

KRAS-Mut CRC的肿瘤基因组变异

作者进一步分析了KRAS-Mut CRC患者的基因组景观。结果显示ARID1A和BRAF在KRAS-WT组中的突变率高于KRAS-Mut组（A）。CRC肿瘤中KM1、KM2和KRAS-WT中单核苷酸变异存在差异（B），提示在KRAS突变的异质性中存在特定的突变过程。随后，作者从基因组数据中提取了5个突变特征（C），突变计数和CNA的基因组改变在KM1、KM2和KRAS-WT亚型肿瘤中具有显著差异（D，E）。

KRAS突变模式具有特定的临床特征和分子过程

作者探究了不同亚型间的临床特征差异。发现所有的MSI阳性肿瘤都聚集在KRAS-WT亚组中，并导致了高突变表型、MSI和免疫相关的CMS1转录组亚型的聚集和BRAF、ARID1A突变。KM2与肿瘤晚期、间充质表型、CMS4转录组亚、ProS-C蛋白质组亚型和免疫亚型2相关，提示间质浸润、血管生成和预后较差。KM1亚型主要表现为肿瘤早期、CIN表型、上皮细胞和代谢相关的CMS3转录组亚型、ProS-E蛋白质组亚型和免疫亚型1（A-C）。亚型间富集的生物过程和免疫浸润也具有显著差异（D，E）。

不同KRAS突变模式功能富集差异分析

作者对KM1和KM2肿瘤亚型在RNA，蛋白质和磷蛋白水平上进行了功能富集差异分析，以进一步阐明KRAS突变亚型的生物学意义（）。

分子特征和药物敏感性分析揭示了KRAS-Mut CRC的亚群特异性治疗

作者进一步探讨了KRAS-Mut亚型在CRC中的潜在脆弱性。41个KRAS突变的CRC细胞系被筛选并分类为KM1或KM2亚群。在KM1和KM2子集之间鉴定了31个具有显著不同的依赖性得分的基因（A），并确定了13个基因作为亚群特异性的癌症依赖基因（B）。其中，KM2亚型包括PI3K/AKT信号相关的ZFP36L1和VEGF信号相关的COL5A1和TLN1；KM1亚型具有细胞周期/有丝分裂依赖的CCNB3、RAD21和核心Wnt信号分子CTNNB1。

为了进一步鉴定KRAS-Mut CRC亚型的亚群特异性治疗药物，作者在三个药物反应数据库中来研究KM1和KM2细胞亚群的潜在的治疗药物（C，D）。最后，作者画了一张总结图来展示KRAS-Mut亚型信号通路，以概述在KRAS-Mut CRC中的发现（E）。

小结

KRAS在CRC中经常发生突变，并参与了CRC的发生、进展、免疫逃避和治疗耐药性。由于KRAS突变的广泛异质性，KRAS突变的CRC患者需要更精确和个性化的治疗。本研究利用基因组学、转录组学、蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学分析来探讨KRAS-Mut CRC肿瘤的临床病理和分子特征。该研究揭示了在KRAS-Mut CRC中靶向信号蛋白、磷酸化位点和基因组改变的新的分子亚型和治疗机会，对分子表型和突变谱的描述可能会在揭示KRAS-Mut CRC的分子异质性方面取得重大进展。从多组学的角度作为切入点，当然也可以结合热点或者关注的研究方向，在多个层面探究肿瘤的异质性、分子特征等，相信文章会更好发，感兴趣的小伙伴不要错过。

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