糖蛋白组学:临床检测的新领域

在过去的几十年里，基因组和蛋白质组学分析推动了疾病病理学的研究，导致了疾病检测和治疗方面的突破，特别是在癌症治疗方面。然而，尽管取得了惊人的进展，但对大多数癌症患者来说，结果和总体生存率只得到了适度的改善。这一认识促使医生和科学家寻找影响肿瘤行为的其他机制，目的是为早期疾病检测、靶向治疗、监测治疗结果和发现新的药物靶点识别更多信息的生物标志物特征。糖蛋白组学这个新兴领域——研究糖与蛋白质相遇的时间——有可能对所有这些目标做出有意义的贡献。本文描述了这一新兴领域的背景和潜力。

从基因组到糖蛋白组

糖蛋白组学分析了由糖基化产生的蛋白质的无数变体，并添加了聚糖作为影响和受生物过程影响的携带信息分子的强大分化字母表。

与种系DNA的静态特性相反，糖蛋白组学具有反映机体物理化学环境扰动的动态变化的潜力。这种亚分子细节的新水平有望为癌症、糖尿病、动脉粥样硬化和许多其他疾病等公共卫生祸害的机制提供见解。

当我们从基因组转移到糖蛋白组时，是什么解释了信息含量的指数增长?让我们从基因水平开始，简单回顾一下蛋白质是如何产生的。相对静止的DNA双螺旋序列首先被转录成信使RNA (mRNA)分子，然后每个信使RNA都编码氨基酸组装成蛋白质，这个过程被称为翻译。由此产生的“蛋白质组”包含了所有蛋白质的巨大字母表，每个蛋白质都经过进一步的加工，由统称为“翻译后蛋白质修饰”的物理和化学过程起作用。

图1:沿着生物级联的复杂性呈指数增长。

在蛋白质修饰中，重要的是糖基化，即在蛋白质支架上的不同点添加碳水化合物或聚糖，将单个蛋白质区分为不同的糖蛋白。在从DNA到修饰蛋白的每一个阶段，独特分子的绝对数量都呈指数级增长(图1)。糖蛋白组学研究试图理解“生物学第三字母表”中包含的丰富复杂的生物信息。

蛋白质糖基化是翻译后蛋白质修饰最常见的形式。由于其对蛋白质结构和功能的影响，它一直与疾病生物学有关。然而，直到最近，科学家们还缺乏在足够规模上破译糖蛋白的复杂结构和相关性所需的复杂工具。因此，他们的见解是不完整的;虽然早期的假设解释了聚糖作为蛋白质的“保护性”涂层的作用，但它们的生理功能更加多样化和复杂。也许聚糖对生物学影响的最著名的例子来自20世纪中期的研究，当时人们发现覆盖红细胞的聚糖的化学结构与ABO血型的不同有关(图2)。

图2:ABO血型系统，基于红细胞表面不同聚糖的表达。

技术的进步使人们对糖基化如何在细胞和系统水平上影响重要的生物过程有了越来越细致的了解。表征糖蛋白结构所需的关键技术之一质谱法最近与人工智能和神经网络相结合，将数据处理速度提高了几个数量级。

这是第一次，我们现在有办法确定与人类疾病相关的糖蛋白组学关系，这对可操作的临床研究是有用的。这些工具为……打开了大门临床糖蛋白组学的新领域，旨在分析整个聚糖和糖基化蛋白，具有扩展临床诊断的令人兴奋的潜力。

糖蛋白组学在癌症治疗中的应用

聚糖的加入对蛋白质的结构和功能产生了重大影响，改变了生物分子之间的关键相互作用。各种各样的聚糖可以被添加到一个给定的蛋白质中，从而产生一个庞大而多样的亲本蛋白的“糖异构体”家族。个体糖异构体的相对丰度是动态的，很容易对激素、环境、代谢因素和疾病发生等影响作出反应。

具体来说，糖蛋白“谱”或“特征”，本质上是一个糖基异构体家族中相对浓度的快照，被认为可以提供有关癌症发展的实时生物学信息。糖基化模式与肿瘤学研究特别相关，因为它们为细胞如何变成恶性肿瘤以及对治疗的反应提供了线索。

在其他应用中，这些发现为提高癌症免疫治疗的有效性和安全性带来了希望。虽然免疫检查点抑制剂疗法已被证明是对抗某些癌症的有力新工具，但它们并非对所有人都有效，在符合条件的患者中仅达到30-50%的应答率。^1，2然而，预测哪些患者可能对治疗有反应的可靠工具并不存在。由于这些反应，当它们发生时，可能是治愈的，这些药物通常给予所有符合条件的患者。这意味着接受这些可能挽救生命的药物治疗的患者中有50-70%没有获益。相反，他们可能会经历严重的、不必要的副作用，并招致大量的医疗支出。

显然，需要更好的工具来指导这类癌症药物的使用。进入糖蛋白组学:早期对癌症患者的研究表明，糖蛋白谱非常适合通过准确识别免疫检查点抑制剂可能的应答者和无应答者来提供这种指导。

糖蛋白组学生物标志物的特征有可能帮助临床医生确定治疗方案的适当选择，并在治疗期间监测患者的进展。它们可以为研究人员提供药物发现的创新方法。可以想象，这些测试可以与现有的基因组测试结合使用，通过在遗传风险因素引起实际疾病时发出信号。例如，患有致病性BRCA突变的妇女，具有患乳腺癌和卵巢癌的极高风险，将来可能会使用糖蛋白组学测试密切监测恶性肿瘤发展的证据。在癌症的早期阶段，该测试将呈阳性，使该妇女能够避免在年轻时进行创伤性和改变生活的预防性切除乳房和卵巢。糖蛋白组学分析的实际应用目前还处于起步阶段，但这个潜在的保留生育能力的例子说明了许多科学家在这个新兴领域看到的巨大希望。

早期使用案例的目标是患者对癌症免疫治疗的反应

早期的研究表明，糖蛋白组学数据的一些潜在用例可以帮助指导个体患者的治疗:

• 在一项针对转移性恶性黑色素瘤患者的小型回顾性初步研究中，治疗前的外周血糖肽特征显示出很强的相关性，这将对免疫治疗有长期反应的患者与早期治疗失败的患者区分开来。 ^3. 这些发现随后在一项更大规模、更全面的研究中得到了证实。 ⁴
• 血清糖蛋白组学特征也可以预测接受一线免疫治疗的不能手术的晚期非小细胞肺癌(NSCLC)患者的临床结果。⁵虽然需要进一步的研究来验证这些发现及其临床应用，但这项早期工作是非常有希望的。
• 第一个基于糖蛋白组学的血液检测最近在美国获得了临床实验室改进修正案规定的认证。它能高度准确地鉴别盆腔肿瘤的良恶性。

关于糖分子的生物学特性以及它们在癌症和其他疾病中的作用，还有很多未知之处。虽然聚糖被认为具有重要的生物学意义，但由于其结构的异质性和复杂性、存在的不同分子亚段的绝对数量以及表征它们的分析挑战，它们的作用和影响，特别是在翻译和应用研究中，一直难以破译。高分辨率质谱法仍然是分析这些结构的核心，并继续经历重大的技术改进。将其与基于人工智能和神经网络的数据处理引擎相结合，大大提高了效率，从而揭开了迄今为止无处不在且高度相关的生物分子的神秘面纱。

参考文献

1.Man J, Millican J, Mulvey A, Gebski V, Hui R. PD-L1亚组在关键时间点PD-1阻断与化疗的反应率和生存率:转移性NSCLC试验的meta分析。JNCI癌症幽灵．2021; 5(3)。doi:10.1093 / jncics / pkab012．

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5.林德平，陈建军，陈建军，等。免疫检查点阻断治疗晚期非小细胞肺癌(NSCLC)的血糖蛋白特征。J免疫肿瘤。2021; 9 (2): A35-A35。doi:10.1136 / jitc - 2021 sitc2021.030．