医学课件肿瘤基因组图谱及功能系统生物学

肿瘤基因组图谱及功能系统 生物学 张微, 博士 教授 M. D. 安德森肿瘤中心 肿瘤基因中心实验室 病理科 主任 The 6th Chinese Conference on Oncology May 21-23, 2010, Shanghai, China 肿瘤的复杂性肿瘤的复杂性 肿瘤的发病有很大的异质性，每个患者的 起病原因各不相同 肿瘤有遗传异质性缺陷 肿瘤是多种遗传和分子遗传学改变的综合 结果 个性化用药 靶向治疗 人类基因组的复杂性人类基因组的复杂性 30-40,000 基因 1-10百万计的单核苷酸多态性(SNPs) 10-20百万计的蛋白质 单个基因 不同的mRNA剪接 不同的蛋白质 不同形式的蛋白质修饰 基因组学和蛋白质组学 高通量和大范围地检测基因拷贝数、基因表 达、基因甲基化和蛋白的表达 进行信号处理及数据分析后发现其生物学意 义 DNARNA Splice Variants ChIP 蛋白/DNA 相 互作用 转录 DNA 复制 DNA 修复 特定基因的 剪接形式 对下游翻译 的影响 GX 转录的高灵 敏度测量 与基因组相 关数据分析 结果的相关 性 mRNA 安捷伦科技生物芯片组合 CGH 染色体畸变 基因拷贝数 拷贝数 CH3 甲基化模式 下游转录的 影响 甲基化转录因子mRNA 亚型 miRNA microRNAs的 显示 敲除分析 与转录数据分 析结果的相关 性 RNA 干扰 什么是什么是TCGA?TCGA? 肿瘤基因组图谱 (TCGA)计划. 第一阶段为期三年, 由美国国家 癌症和肿瘤研究所（NCI）和国家人类基因组研究所（NHGRI）联 合进行，预计耗资1亿美元，已经确定将先研究胶质母细胞瘤和 卵巢癌的基因组图谱。 第二阶段将包括另外25种人类好发的癌 症类型 TCGA 使命:提高人们对癌症发病分子基础的科学认识及提高我们 诊断、治疗和预防癌症的能力 TCGA 目标:完成一套完整的与所有癌症基因组改变相关的“图谱 ” TCGATCGA实施分段示意图实施分段示意图 样本收集 标准规范 集中管理 有效使用 确定每个患 者肿瘤相关 基因的改变 临床诊断、 治疗和预防 的转换研究 信息挖掘整理 并指导临床应 用 12345 Graphics credit: The Washington Post, December 14, 2005 TCGATCGA功能功能 数据管理，生物信息学和计算分析(GDAC) 整合分析数据 科技发展 改善技术和分析工具 肿瘤基因组鉴定中心 确定与肿瘤有关的基因 鉴定相关癌基因 基因组测序中心 人类肿瘤样品库 样品集中、编辑及分发到各个研 究部门 数据管理，生物信息学 和计算分析中心 肿瘤调控系统分析中心 主任: Ilya Shmulevich (系统生物学研究所); 张微 (M.D. 安德森肿瘤中心) M.D. 安德森肿瘤中心生物信息学研究员: Da Yang, Yuexin Liu 主要研究肿瘤的预后指标、系统整合和功能验证 拷贝数 甲基化 mRNA 表达 生物标记 系统网络 基因芯片预测分析 高评分成对算法 拷贝数改变的共显示 贝叶斯网络 肿瘤亚型 不同剂量药物敏感的表 达模式 拷贝数改变区域的确定 生存分型 3 年生存期 3 年生存期 Top 200 pairs 胶质母细胞瘤基因组图谱 The Cancer Genome Atlas Research Network, Nature, 2008 通过基因突变的统计学分析表明原发性胶质母细胞瘤检测到8个 基因发生突变，其中P53基因突变最常见 TCGA., “Comprehensive Genomic Characterization Defines Human Glioblastoma Genes And Core Pathways,” Nature, 455(23), 1061- 1068, 2008 通过基因组和转录异常的分析发现新的可重复的局部改变，如 涉及NF1 、PARK2基因的纯合性缺失和AKT3基因的扩增 TCGA., “Comprehensive Genomic Characterization Defines Human Glioblastoma Genes And Core Pathways,” Nature, 455(23), 1061- 1068, 2008 ILK PI3K IntegrinsRTK IGFBP2 AKT P PTEN P P P P P P P Survival Growth Metabolism Migration Proliferation Akt 细胞信号传导通路 Kinase domainRDPH 308473 Akt1 Kinase domainRDPH 309474 Akt2 Kinase domainRDPH 305472 Akt3 Chromosome location 14q32 19q13 1q44 Homology75-84%90-95%73-79% Akt 异构体 Adapted from Cheng GZ et al. 2008. Akt1/2/3在机体发育中的作用 Akt1Akt2 Akt3 神经发育 葡萄糖代谢平 衡 细胞生长 血管形成 出生后存活 胚胎发育和存活体重和身高 Adapted from Gonzalez and McGraw. Cell Cycle. 2009. Akt 异构体对肿瘤发生的不同作用 Differential roles of Akt1 and Akt2 in breast cancer (Hutchinson et al. Can Res. 2004; Arboleda et al. Can Res. 2003) Akt2 predominant in ovarian cancer (Noske et al. Cancer Letters. 2007) Akt3 important in melanoma (Robertson. Can and Met Rev. 2005) Akt activation in glioma correlates with higher tumor grade (Wang et al. Lab Invest. 2004) 少突胶质细胞瘤中 Akt2 和 Akt3 表达水平差异 AKT1 NO/AO AKT2 NO/AO AKT3 NO/AO 假说 Akt3 作为Akt异构体的主要类型，优先地促进少 突胶质细胞瘤进展 Akt异构体在促进少突胶质细胞瘤的发生发展中 是否存在作用程度不同？ Kristen Holmes RCAS/tv-a胶质细胞特异性转基因小鼠模型 Begemann, M., Uhrbom, L., Rajasekhar, V.K., Fuller, G.N., and E.C. Holland. 2004 Dissecting Gliomagenesis Using Glial-Specific Transgenic Mouse Models. In Zhang, W. and G.N. Fuller (Ed.) Genomic and Molecular Neuro-Oncology. Sudbury: Jones and Bartlett. p233-278 少突胶质细胞瘤 WHO级 正常脑组织 间变性少突胶质细 胞瘤WHO级 少突胶质细胞瘤组织学分级标准 Akt3 促进少突胶质细胞瘤进展 肿瘤细胞表达率 间变性少突胶质细胞瘤 Gene Combination PDGFB 81% (35/43) 11% (4/35) PDGFB / Akt1 77% (42/57) 16% (7/42) PDGFB / Akt2 39% (11/28) 9% (1/11) PDGFB / Akt3 100% (35/35) 100% (35/35) GFP 0% (0/22) 0% (0/22) AKT1 NO/AO AKT2 NO/AO AKT3 NO/AO PDGFB + Akt3PDGFB + Akt1PDGFB + Akt2 Akt3促进少突胶质细胞瘤进展 挑战 我们如何更好地理解肿瘤系统? 系统生物学 系统生物学系统生物学 系统生物学是一个新兴的学科，其目的是在整体水平研究 生物系统 不像分子生物学注重在分子水平（例如核苷酸和蛋白序列 ）进行研究，系统生物学是在由多个分子成份组成的整体 水平进行研究。尽管系统由具体的元素构成，但系统的本 质是各元素间相互作用的，不能描述成其功能仅仅是列举 系统组件而已。另一方面，它易被误导为系统的组成结构 （如网络拓扑结构）是重要的，而忽略组件间的多样性和 功能性。系统的结构和组件都是系统不可或缺的元素，两 者作为一个整体而共存。 - H Kitano 概率布尔型网络 1. Shmulevich I, Dougherty ER, Kim S, and Zhang W. Probabilistic Boolean network: a rule-based uncertainty model for gene regulatory networks. Bioinformatics 18:261-274, 2002. 2. Shmulevich I, Dougherty ER, and Zhang W. Gene perturbation and intervention in probabilistic Boolean network. Bioinformatics 18:1319-1331, 2002. 3. Shmulevich I, Lahdesmaki H, Dougherty ER, Astola J, Zhang W. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100 (16) 2003. US Patent # 7,257,563 (Shmulevich, Dougherty, and Zhang) 这种关系还应当通过实验来验证 从我们的模型中建立的网络应提供有价 值的理论去指导实验 肿瘤组织需要更多营养 胶质瘤血管丰富 VEGF表达增高 VEGF蛋白分泌出细胞外并与 血管内皮细胞受体结合，促进 其的生长 GRB2GRB2 FGF7FGF7 FSHRFSHR PTK7PTK7 VEGFVEGF成纤维细胞生长因子家 族成员 卵泡刺激素 受体 酪氨酸激酶 所有4个基因的蛋白产物是细胞信号转导通路的 一部分，涉及酪氨酸激酶表面受体 这些受体被激活后，通过一系列转换蛋白的信 号传递到下游分子 GRB2是已经确定的最关键的连接蛋白之一 GRB2也是干预肿瘤的靶点，因为它链接到多个 生长因子信号转导通路. GRB2GRB2 GNB2GNB2 分子生物学研究表明，活化的酪 氨酸激酶受体蛋白GRB-2能激活ras- MAP kinase-NFB 信号通路，从而完 成从细胞外到细胞核的信号传递 GNB2 是 ras 家族成员之一 MAP kinase 1MAP kinase 1 c-relc-rel GNB2 调控 MAP 激酶 1, 后者依次调控c-rel、 NFB IGFBP-2 在进展期胶质瘤的研究 在高级别胶质瘤中，IGFBP2基因表达上调是其中一个最稳定 和独特的特征 (Fuller et al., 1999) IGFBP2是一种预后不良的因素 Rembrandts Data TCGA Data All gliomas Glioblastomas IGFBP-2 Promotes Motility & Invasion IGFBP2 activates expression of invasion enhancing genes and promotes glioma invasion in vitro (Hua Wang et al., Cancer Res., 2003) MMP2 CD10 TIMP-1 Fibronectin Integrin a 5 Integrin a 6 Vinculin ILK-FAK-PI3K-AKT 调节基质降解 指导迁徙 肌动蛋白应激纤维 细胞骨架重组 迁移和存活 Thrombospondin 2 Filamin ABcl-2 PUMA p21/WAF1 XRCC2 TGF beta R 侵袭Bradykinin R B2 Centaurin IGFBP2 Thrombin R 存活 Hua Wang, PhD M.D.安德森肿瘤中心 学员表彰日竞赛一等 奖 George Wang, M.D., Ph.D. Limei Hu, M.D., M.S. 西奈医学中心住院医师 IGFBP2 is an Oncogene Proc Natl Acad Sci USA 104(28):11736-41, 2007 2007年M.D.安德森肿瘤中心 学员表彰日竞赛一等奖 美国退伍军人协会会员 NIH 培训资助 药物信息学会员 Sarah Dunlap (now Sarah Smith) +1 -561 c-Myc AP2 NFB NFNF BB IGFBP2IGFBP2 Cazals et al. (1999)在一篇综述 文献中明确论证了 在肺泡上皮细胞中 NFB 激活了 IGFBP2 启动子 在IGFBP2高表达的细 胞中发现NFB高度活化 NFNF BB IGFBP2IGFBP2 TNFR2TNFR2 ILKILK我们的 real- time PCR 数据显 示在稳定的 IGFBP2高表达细 胞株中, IGFBP2 确实能提高ILK 的 表达 另外, IGFBP2 包含一个 RGD 域, 提示它能与整合素 分子相互作用 ILK 存在于整合 素信号传导通路中. OCT1 p65/p50 p50/p50 IGFBP2 clone Parental IGFBP2 clone Parental Non-specific ILK 在高级别胶质瘤表达升高并 提示预后差 NH2COOH IGF binding domains 5 TCCAGGGAGCCCCCACCATCCGGGGGGACCCCGAGTGTCATCTCTTCT 3 R G D 306 GAA E 306 D306E-IGFBP2 (RGE mutant) Thyroglobulin type-1 motif (TG domain) DXXD motif RGD domain IGFBP2基因RGE域碱基置换性突变 整合素连接激酶 IKK IGFBP2 ILK PI3K Akt P PH Receptor Tyrosine Kinase NFB IB IB U U U NFB Nucleus R G D Target genes P NFB Ligand 1 Ser 473 GSK3 P Cyclin D Proliferation PIP3 Integrins IGFBP2-介导的进展期肿瘤需与整合素结合 n=50 n=42n=32n=50 GFP PDGFB PDGFB IGFBP2 PDGFB IGFBP2(RGE) n=22 IGFPB2 通过ILK促进肿瘤进展 n=42n=50 n=28n=26n=22 PDGFB PDGFB ILK PDGFB IGFBP2 PDGFB ILK-KD PDGFB ILK-KD IGFBP2 IGFBP2-ILK-AKT 信号通路 在肿瘤的发生发展中起关键作用 开发新药 系统的了解肿瘤和肿瘤治疗 预测药物反应 TCGA对个体化医疗有重大影响 未来肿瘤生物学 Acknowledgment NIH/NCI GDAC Center grant (Shmulevich/Zhang) NIH/NCI RO1 CA098503 (Zhang/Fuller) NIH/NCI NIH R01 CA1414