肿瘤基因组图谱及功能系统生物学课件

1、肿瘤基因组图谱及功能系统生物学 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 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DNARNASplice VariantsChIP蛋白/DNA 相互作用转录DNA 复制DNA 修复特定基因的剪接形式

2、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miRNAmicroRNAs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

3、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”TCGA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12345Graphics credit: The Washington Post, December 14, 2005TCGA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

4、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, 2

5、008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

6、 Glioblastoma Genes And Core Pathways,” Nature, 455(23), 1061-1068, 2008ILKPI3KIntegrinsRTKIGFBP2AKTPPTEN P P P P P PPSurvivalGrowthMetabolismMigrationProliferationAkt 细胞信号传导通路Kinase domainRDPH308473Akt1Kinase domainRDPH309474Akt2Kinase domainRDPH305472Akt3Chromosome location14q3219q131q44Homology75

7、-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 Akt1Akt2Akt3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

8、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AKT1NO/AOAKT2NO/AOAKT3NO/AO假说Akt3 作为Akt异构体

9、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 HolmesRCAS/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 N

10、euro-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 CombinationPDGFB 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%

11、 (0/22)AKT1NO/AOAKT2NO/AOAKT3NO/AOPDGFB + Akt3PDGFB + Akt1PDGFB + Akt2Akt3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

12、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 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. Shmulevich I, Dougherty ER, and Zhang W. Gene perturbation and intervention in prob

13、abilistic Boolean network. Bioinformatics 18:1319-1331, 2002. 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

14、管内皮细胞受体结合，促进其的生长GRB2FGF7FSHRPTK7VEGF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.GRB2GNB2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 1c-relGNB2 调控

15、MAP 激酶 1, 后者依次调控c-rel、 NFBIGFBP-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 DataAll gliomas Glioblastomas IGFBP-2 Promotes Motility & InvasionIGFBP2 activates expression of invasion enhancing genes and promotes glioma invasion in vitro

16、(Hua Wang et al., Cancer Res., 2003)MMP2CD10TIMP-1FibronectinIntegrin a 5Integrin a 6VinculinILK-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 2Filamin ABcl-2PUMAp21/WAF1XRCC2TGF beta R侵袭Bradykinin R B2Centaurin IGFBP2Thrombin R存活Hua Wang, PhDM.D.安德森肿瘤中心学员表彰日竞赛一等奖George Wang, M.D., Ph.D.

17、Limei Hu, M.D., M.S.西奈医学中心住院医师IGFBP2 is an OncogeneProc Natl Acad Sci USA104(28):11736-41, 20072007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)+1-561c-Myc AP2 NFBNFBIGFBP2Cazals 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NFBIGFBP2TNFR

18、2ILK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.OCT1p65/p50p50/p50IGFBP2 cloneParental IGFBP2 cloneParental Non-specificILK 在高级别胶质瘤表达升高并提示预后差NH2COOHIGF binding domains5 TCCAGGGAGCCCCCACCATCCGGGGGGACCCCGAGTGTCATCTCTTCT 3R G D 306GAAE 306D306E-IGFBP2 (RGE mutant)Thyroglobulin type-1 motif(TG domain)DXXDmotifRGD domainIGFBP2基因RGE域碱基置换性突变 整合素连接激酶IKKIGFBP2ILKPI3KAktPPHReceptor Tyrosine KinaseNFBIBIBUUUNFBNucleusRGDTarget genesPNFBLigand1Ser 4