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的突破，特别是在癌症护理方面。然而，尽管取得了惊人的进展，大多数癌症患者的预后和总体生存期仅略有改善。这种认识促使医生和科学家寻找影响肿瘤行为的其他机制，目标是为早期疾病检测、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。新兴的糖蛋白组学领域——研究糖与蛋白质何时相遇——有潜力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

糖蛋白组学分析由糖基化产生的蛋白质的无数变体，将聚糖作为影响生物过程和受生物过程影响的携带信息的分子的强大分化字母表。

与种系DNA的静态性质相反，糖蛋白组学有可能反映身体物理化学环境扰动的动态变化。这种亚分子细节的新水平有望为研究癌症、糖尿病、动脉粥样硬化和许多其他疾病等公共卫生灾难的机制提供深刻见解。

当我们从基因组转移到糖蛋白组时，是什么导致了信息含量的指数级增长?让我们从基因水平开始，简单地回顾一下蛋白质是如何产生的。DNA双螺旋结构中相对静态的字母首先转录为信使RNA (mRNA)分子，然后每个信使RNA分子编码氨基酸组装成蛋白质，这个过程称为翻译。由此产生的“蛋白质组”包含了所有蛋白质的庞大字母表，每一种蛋白质都经过进一步的加工，并受到统称为“翻译后蛋白质修饰”的物理和化学过程的作用。

图1:生物级联的复杂性呈指数级增长。

在蛋白质修饰中，重要的是糖基化，即在蛋白质支架的不同位置添加碳水化合物或聚糖，将单个蛋白质分化为不同的糖蛋白。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包含在“生物学第三字母表”中的丰富复杂的生物信息。

蛋白质糖基化是蛋白质翻译后修饰最常见的形式。由于它对蛋白质结构和功能的影响，它长期以来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，但它们的生理功能要复杂得多。聚糖对生物学影响的最著名的例子可能来自20世纪中期的工作，当时人们发现包裹红细胞的聚糖的化学结构是不同ABO血型的原因(图2)。

图2:ABO血型系统，基于不同聚糖在红细胞表面的表达。

技术的进步使人们能够越来越细粒度地了解糖基化如何在细胞和系统水平上影响重要的生物过程。质谱是表征糖蛋白结构所需的关键技术之一，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。

这是我们第一次有方法在一定范围内确定与人类疾病相关的糖蛋白组关系，这对可操作的临床研究是有用的。这些工具打开了一扇门临床糖蛋白组学的新领域，其目的是分析聚糖和糖化蛋白的整体，具有扩大临床诊断的令人兴奋的潜力。

糖蛋白组在癌症治疗中的应用

多糖的加入对蛋白质的结构和功能有重大影响，改变了生物分子之间的关键相互作用。多种聚糖可以添加到给定的蛋白质中，从而产生母体蛋白质的一个庞大而多样的“糖异构体”家族。个体糖异构体的相对丰度是动态的，容易对激素、环境、代谢因素和疾病的发生等影响作出反应。

具体来说，糖蛋白“谱”或“特征”，本质上是一个糖异构体家族内相对浓度的快照，被识别为提供关于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，因为它们提供了细胞如何恶性化以及对治疗的反应的线索。

在其他应用中，这些发现增加了提高癌症免疫治疗有效性和安全性的希望。虽然免疫检查点抑制剂疗法已被证明是对抗某些癌症的强大新工具，但它们并不是对所有人都有效，在符合条件的患者中只有30-50%的有效率。^1，2然而，目前还不存在预测哪些患者可能对治疗有反应的可靠工具。由于反应发生时，可以治愈，这些药物通常给予所有符合条件的患者。这意味着50-70%接受这些可能挽救生命的药物的患者没有受益。相反，他们可能会经历严重的、不必要的副作用，并招致巨额医疗支出。

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:对癌症患者的早期研究表明，糖蛋白谱是唯一适合通过准确识别可能对免疫检查点抑制剂有反应和无反应来提供这种指导的。

糖蛋白组生物标志物特征具有帮助临床医生确定适当的治疗方案选择和监测患者治疗期间的进展的潜力。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导致实际疾病时发出信号。例如，一名具有致病性BRCA突变的女性，具有非常高的乳腺癌和卵巢癌风险，可能在未来使用糖蛋白组学测试密切监测恶性肿瘤发展的证据。这种检测在癌症的早期阶段就会呈阳性，使女性能够避免在年轻时接受创伤性和改变一生的乳房和卵巢预防性切除手术。糖蛋白组分析的实际应用目前还处于起步阶段，但这个潜在的生育保护例子说明了许多科学家在这个新兴领域看到的巨大前景。

早期使用案例针对患者对癌症免疫治疗的反应

早期研究表明，糖蛋白组数据有一些潜在的应用案例，可以帮助指导个别患者的治疗:

• 在一项针对转移性恶性黑色素瘤患者的小型回顾性试点研究中，治疗前的外周血糖肽特征显示出强相关性，这将免疫治疗长期缓解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、更全面的研究中得到了证实。 ⁴
• 血清糖蛋白组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虽然还需要进一步的研究来验证这些发现及其临床应用，但这项早期工作非常有前途。
• 第一个基于糖蛋白组的血液检测最近在美国获得了临床实验室改进修正案法规的认证。它能高度准确地区分良性和恶性盆腔肿瘤。

关于糖分子的生物学以及它们在癌症和其他疾病中的作用，还有很多未知的地方。虽然聚糖在生物学上被认为是重要的，但它们的作用和影响，特别是在翻译和应用研究中，由于它们的结构异质性和复杂性，存在的不同分子亚基的绝对数量，以及表征它们的分析挑战，一直难以破译。高分辨率质谱分析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，在效率方面提供了关键的提升，这不亚于揭开迄今为止无法接近的无处不在且高度相关的生物分子层。

参考文献

1.Man J, Millican J, Mulvey A, Gebski V, Hui R. PD-L1亚组在关键时间点的缓解率和生存率:转移性NSCLC试验的meta分析。JNCI癌症光谱．2021; 5(3)。doi:10.1093 / jncics / pkab012．

2.Wolchok JD, Kluger H, Callahan MK，等。Nivolumab和ipilimumab治疗晚期黑色素瘤。N英语J医学。369(2): 122 - 2013; 33。doiI:10.1056 / NEJMoa1302369．

3.徐刚，Rice R，黄华，等。糖蛋白组学作为一种基于液体活检的检查点抑制剂治疗反应的强大预测因子。癌症研究。2021; 81 (13 _supplement): 387 - 387。doi:1538 - 7445. - 10.1158 / am2021 - 387．

4.林paintner K, Mitchell A, Pickering C，等。糖蛋白组学作为一种强有力的基于液体活检的检查点抑制剂治疗转移性恶性黑色素瘤的预后预测指标。J clinin Oncol。2022;40:补充16:abstr 9545。doi:10.1200 / JCO.2022.40.16_suppl.9545．

5.林paintner K, Cheng M, Prendergast J，等。晚期非小细胞肺癌(NSCLC)接受一线免疫检查点阻断的30个血糖蛋白特征。免疫癌症。2021; 9 (2): A35-A35。doi:10.1136 / jitc - 2021 sitc2021.030．