膀胱癌是全球第十大常见癌症,超过90%的膀胱癌是尿路上皮细胞癌。基于病理分期和分级对尿路上皮膀胱癌（UC）患者进行分层对临床决策至关重要。但UC的进展是一个复杂的多步骤过程，其发病机制及其分期进展尚未得到充分的了解和定义。
UC分期主要根据浸润深度区分非肌肉浸润性肿瘤（NMIBCs）和肌肉浸润性肿瘤（MIBCs）。NMIBCs由不同的实体组成，包括乳头状非侵入性肿瘤（Ta）。膀胱乳头状病变包括良性尿路上皮乳头状瘤和恶性乳头状尿路上皮癌（PUC）。研究人员根据组织学和临床观察，识别出两种潜在的侵袭性癌症前体病变：恶性乳头状尿路上皮癌（PUC）和原位癌（CIS）。PUC显示高复发率，而CIS具有高进展率。CIS可能与PUC发生在同一患者，然而，目前尚无临床上有效的标志物可用于鉴别这些患者是源于CIS还是PUC。因此，两个不同分支（PUC和CIS）及其生物标志物的更多具体特征仍有待探索。
近日，复旦大学附属中山医院丁琛团队、侯英勇团队、侯君团队、郭剑明团队联合上海交通大学附属新华医院赵健元团队在Nature Communications发表了题为“Proteogenomics of different urothelial bladder cancer stages reveals distinct molecular features for papillary cancer and carcinoma in situ”的研究文章。研究团队对190名尿路上皮膀胱癌患者的448个样本进行了全外显子组、转录组、蛋白质组、磷酸蛋白质组等多组学分析，涵盖了所有疾病分期和等级，阐明了乳头状瘤、PUC和CIS的分子特征。研究人员还区分了侵袭性肿瘤的起源，与不同的临床预后和分子特征有关；揭示了UC转移的关键染色体事件，并提出了RBPMS基因在转移中的潜在功能。总而言之，该研究的多组学分析使研究人员能够更全面地了解UC进展中两个不同分支（PUC和CIS）的分子特征，从而进一步推进精准医疗。
文章发表于Nature Communications
此前，研究团队对UC患者的综合多组学分析主要针对侵袭性和高级别样本，现已扩展到更大的UC患者系列，有更多的非侵入性和低级别样本。该最新研究总共收集448个样本，并将其分为9种病理组织亚型，涵盖癌前期、良性期和肿瘤期的6个阶段（图1a），进行了蛋白质组分析、磷酸蛋白质组分析、全外显子组测序和转录组测序（图1b）。
为探索蛋白质组和磷酸化蛋白质组之间的关系，研究团队对正常样本、乳头状瘤样本和肿瘤样本的5907个磷酸化蛋白质-蛋白质对进行了基因和样本相关性分析，发现蛋白质组和磷酸化蛋白质组具有独特的特征，当适当整合时，可以为寻找UC进展的驱动机制提供见解。
在基因组水平上，尿路上皮膀胱癌不同的肿瘤分期和病理亚型中检测到不同的突变。良性尿路上皮乳头状瘤的突变基因较少，只有致癌热点突变HRAS（83%）在几乎所有的乳头状瘤病例中检测到，而很少观察到细胞周期基因和染色质修饰基因的改变，表明乳头状瘤主要由RAS途径激活驱动。与NMIBC和良性乳头状瘤相比，MIBC中的TP53突变更频繁（图1e）。此外，研究人员鉴定了四个突变特征（SBS5、SBS1、SBS30、SBS13），SBS1突变特征在早期患者中略为常见（NMIBC，62%），SBS30突变特征在晚期患者中普遍存在（MIBC，71%）（图1f），表明SBS1突变属于疾病早期的特征，SBS30突变属于疾病后期的特征。
图1.尿路上皮性膀胱癌队列的蛋白质基因组学图谱。
APOBEC相关的DNA损伤信号是原位癌进展中的关键信号通路
高达60%的CIS病例会发展为侵袭性UC，蛋白质主成分分析（PCA）表明，在CIS的发展和进展过程中存在异常的蛋白质组谱（图2a）。CIS与侵袭性肿瘤（NOS）具有相似的恶性肿瘤相关蛋白质表达谱，例如更强的细胞增殖和DNA损伤修复（图2c），这与CIS的高风险特征一致。此外，研究人员在CIS和NOS中发现，活性氧（ROS）代谢下调，对DNA损伤的反应上调（图2d）。与预期一致，CIS和NOS显示出高DNA损伤反应（DDR）分数（图2e）。
研究发现，DDR评分与APOBEC突变特征具有最高相关性（图2f）,与APOBEC3s蛋白的表达显著相关（图2g，h）。同时，在CIS和NOS中也观察到较高水平的APOBEC3s蛋白（图2i）。通路分析显示，许多参与DNA修复和嘧啶代谢的蛋白质在CIS和NOS中更丰富，如FEN1、MSH6、PRPS2和GMPS，这些蛋白质与APOBEC3成员呈正相关（图2k）。这些结果表明，与APOBEC信号相关的DNA损伤信号是CIS进展的关键信号通路。
图2.与APOBEC信号相关的DNA损伤信号是CIS进展的关键信号通路
研究人员比较了乳头状瘤和PUC基因组驱动因素的差异。结果表明，乳头状瘤中MPRIP、HRAS和MAP3K1等基因突变率较高，PUC中FGFR3和PPFIBP1等基因突变率较高（图3a）。研究人员还分析了这些突变的蛋白质表达水平，结果显示四种蛋白质（HRAS、ALDH7A1、CBLB和MPRIP）在乳头状瘤和PUC之间的表达不同（图3b）。HRAS突变在尿路上皮乳头状瘤中占主导地位。
接下来，研究人员探索了HRAS的蛋白质丰度与富集途径之间的相关性。研究发现，HRAS的蛋白质丰度与MAPK途径呈正相关（图3e），HRAS的更高表达与MAP3K1、MAPK1和RPS6KA3的更高磷酸化呈正相关（图3f–h），HRAS的表达与mTORC1信号通路呈负相关（图第3e段）。TSC2与mTORC1信号通路呈负相关（图3i；）。以上结果表明，HRAS蛋白可能通过抑制TSC2能力来抑制mTOR1信号通路（图3m）。
图3.癌症乳头状瘤和乳头状尿路上皮的蛋白质组学特征。
根据组织学分级，CIS是一种高级别肿瘤，而PUC可分为高级别和低级别肿瘤（HGPC和LGPC），其分子致癌作用不同。蛋白质组学和磷酸化蛋白质组数据的PCA分析可以将CIS样本与PUC样本分离（图4a），揭示了PUC和CIS之间的分子差异。样本特异性基因集富集分析显示，与糖脂代谢相关的途径在PUC组中富集。相反，上皮-间充质转化（EMT）以及其他免疫和致癌信号通路在CIS组中富集（图4b，c）。此外，转录因子分析中发现，FOXO1和JUN蛋白分别在PUC和CIS中显著过表达（图4d）。许多参与EMT和免疫的蛋白质，即JUN靶基因（TG），在CIS中上调（图4h）。PUC具有较高水平的糖脂代谢相关途径，CIS具有较高的免疫细胞浸润（图4l）。以上结果表明，CIS患者可能从免疫治疗中受益，PUC患者可能从糖酵解抑制剂治疗中受益。
图4.癌症乳头状尿路上皮癌与原位癌的不同代谢和免疫特性。
接下来，为了鉴定转移抑制基因，研究人员在8p12上发现了9个顺式效应基因，包括RBPMS、DCTN6和GSR等。RBPMS是8p12风险基因座的潜在调控靶点，RBPMS通过促进c-Fos/c-Jun复合物的形成来促进UC的发展，从而激活AP-1。表明RBPMS可能是UC肿瘤转移的重要抑制基因。
为了研究RBPMS在UC转移中的作用，研究人员敲低了人类膀胱癌T24和5637细胞系中RBPMS的表达，发现敲低RBPMS的细胞增殖能力增加（图7a），AP-1活性显著增加（图5）。敲除c-Fos消除了RBPMS损失在促进细胞增殖中的作用，证实RBPMS通过靶向c-Fos促进肿瘤发展。以上结果表明，RBPMS通过激活AP-1转录因子促进了UC的进展。
图5.RBPMS通过激活AP-1转录因子促进UC进展。
综上所述，该研究更全面地揭示了UC进展中两个不同分支（PUC和CIS）的分子特征。综合的多组学分析为理解UC的进展提供了见解，并有助于理解其机制和诊断，为潜在的UC治疗方法和个性化药物提供了有用的资源。
参考资料：
Yao, Z., Xu, N., Shang, G. et al. Proteogenomics of different urothelial bladder cancer stages reveals distinct molecular features for papillary cancer and carcinoma in situ. Nat Commun 14, 5670 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41139-3
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