肿瘤基因组图谱及功能系统生物学课件.ppt

1、肿瘤基因组图谱及功能系统生物学 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 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 对下游翻译的影响G

2、X 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 基因拷贝数拷贝数拷贝数CH3 甲基化模式 下游转录的影响甲基化甲基化转录因子转录因子mRNA 亚型亚型miRNA microRNAs的显示 敲除分析 与转录数据分析结果的相关性RNA 干扰干扰肿瘤基因组图谱(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

3、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”样本收集样本收集标准规范标准规范 集中管理集中管理 有效使用有效使用确定每个患确定每个患者肿瘤相关者肿瘤相关基因的改变基因的改变临床诊断、临床诊断、治疗和预防治疗和预防的转换研究的转换研究信息挖掘整理信息挖掘整理并指导临床应并指导临床应用用12345Graphics credit:The Washington Post,December 14,2005数据管理，生物信息学和计算分析数据管理，生物信息学和计算分析(GDAC)(GDAC)整合分析数据 科技发展科技发展 改善技术和分析工

4、具 肿瘤基因组鉴定中心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基因组测序中心人类肿瘤样品库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，生物信息学数据管理，生物信息学和计算分析中心和计算分析中心 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

5、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

6、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),1061-1068,2008ILKPI3KIntegrinsRTKIGFBP2AKTPPTEN P P P P P PPSurvivalGrowthMetabolismMigrationProliferationAkt 细胞信号传导通路Kinase domainRDPH308473Akt1

7、Kinase domainRDPH309474Akt2Kinase domainRDPH305472Akt3Chromosome location14q3219q131q44Homology75-84%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 r

8、oles 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 I

9、nvest.2004)少突胶质细胞瘤中Akt2 和 Akt3 表达水平差异AKT1NO/AOAKT2NO/AOAKT3NO/AO假说假说Akt3 作为作为AktAkt异构体的主要类型，异构体的主要类型，优先地促进优先地促进少少突胶质细胞瘤进展突胶质细胞瘤进展AktAkt异构体在促进少突胶质细胞瘤的发生发展中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？是否存在作用程度不同？Kristen HolmesRCAS/tv-a胶质细胞特异性胶质细胞特异性转基因小鼠模型转基因小鼠模型Begemann,M.,Uhrbom,L.,Rajasekhar,V.K.,Fuller,G.N.,and

10、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 少突胶质细胞瘤少突胶质细胞瘤WHO级级正常脑组织正常脑组织间变性少突胶质细间变性少突胶质细胞瘤胞瘤WHO级级少突胶质细胞瘤组织学分级标准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肿瘤细胞表

11、达率 间变性少突胶质细胞瘤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%(0/22)AKT1NO/AOAKT2NO/AOAKT3NO/AOPDGFB+Akt3PDGFB+Akt1PDGFB+Akt2Akt3促进少突胶质细胞瘤进展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是一个新兴的学科，其目的是在整

12、体水平研究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）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。水平进行研究。尽管系统由具体的元素构成，但系统的本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

13、的，而忽略组件间的多样性和（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。者作为一个整体而共存。-H Kitano概率布尔型网络概率布尔型网络 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

14、.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

15、 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表达增高表达增高VEGF蛋白分泌出细胞外并与蛋白分泌出细胞外并与血管内皮细胞受体结合，促进血管内皮细胞受体结合，促进其的生长其的生长成纤维细胞生长因子家成纤维细胞生长因子家族成员族成员卵泡刺激素卵泡刺激素 受体受体酪氨酸激酶酪氨酸激酶 所有所有4个基因的蛋白产物是细胞信号转导通路的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号传递到下游分子 GRB2是

16、已经确定的最关键的连接蛋白之一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，干预肿瘤的靶点，因为它链接到多个因为它链接到多个生长因子信号转导通路生长因子信号转导通路.分子生物学研究表明，活化的酪分子生物学研究表明，活化的酪氨酸激酶受体蛋白氨酸激酶受体蛋白GRB-2GRB-2能激活能激活ras-ras-MAP kinase-NFMAP kinase-NF B B 信号通路，从而完信号通路，从而完成从细胞外到细胞核的信号传递成从细胞外到细胞核的信号传递GNB2GNB2 是是 ras ras 家族成员之一家族成员之一GNB2GNB2 调控调控 MAP MAP 激酶激酶 1 1,后者依

17、次调控后者依次调控c-relc-rel、NFNF B BIGFBP-2 在进展期胶质瘤的研究在进展期胶质瘤的研究在高级别胶质瘤中，在高级别胶质瘤中，IGFBP2IGFBP2基因表达基因表达上调是其中一个最稳定上调是其中一个最稳定和独特的特征和独特的特征(Fuller et al.,1999)IGFBP2IGFBP2是一种预后不良的因素是一种预后不良的因素 Rembrandts Data TCGA DataAll gliomas Glioblastomas IGFBP-2 Promotes Motility&InvasionIGFBP2 activates expression of invas

18、ion enhancing genes and promotes glioma invasion in vitro(Hua Wang et al.,Cancer Res.,2003)MMP2CD10TIMP-1FibronectinIntegrin a 5Integrin a 6VinculinILK-FAK-PI3K-AKT调节基质降解调节基质降解 指导迁徙指导迁徙肌动蛋白应激纤维肌动蛋白应激纤维细胞骨架重组细胞骨架重组迁移和存活迁移和存活Thrombospondin 2Filamin ABcl-2PUMAp21/WAF1XRCC2TGF beta R侵袭侵袭Bradykinin R B2C

19、entaurin IGFBP2Thrombin R存活存活Hua Wang,PhDM.D.M.D.安德森肿瘤中心安德森肿瘤中心学员表彰日学员表彰日竞赛一等竞赛一等奖奖George Wang,M.D.,Ph.D.Limei Hu,M.D.,M.S.西奈医学中心住院医师西奈医学中心住院医师IGFBP2 is an OncogeneProc Natl Acad Sci USA104(28):11736-41,200720072007年年M.D.M.D.安德森肿瘤中心安德森肿瘤中心学员表彰日竞赛一等奖学员表彰日竞赛一等奖美国退伍军人协会会员美国退伍军人协会会员NIH NIH 培训资助培训资助药物信息学

20、会员药物信息学会员 Sarah Dunlap(now Sarah Smith)+1-561c-Myc AP2 NFc-Myc AP2 NF B B Cazals et al.(1999)在一篇综述在一篇综述文献中明确论证了文献中明确论证了在肺泡上皮细胞中在肺泡上皮细胞中NFNF B B 激活了激活了 IGFBP2 IGFBP2 启动子启动子 在在IGFBP2IGFBP2高表达的细高表达的细胞中发现胞中发现NFNF B B高度活化高度活化我们的 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,

21、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.012345parentalc1c4c5c8Relative Luciferase ActivityHigh IGFBP2 expressing Clones have high NFkB activityOCT1p65/p50p50/p50IGFBP2 cloneParental IGFBP2 cloneParental Non-specificILK ILK 在高级别胶质瘤表达升高并在高级别胶质瘤表达升高并提示预后差提示预后差NH2COOHIGF binding domains5 TCCAGGGAGCCCCCACCATCCGG

22、GGGGACCCCGAGTGTCATCTCTTCT 3R G D 306GAAE 306D306E-IGFBP2(RGE mutant)Thyroglobulin type-1 motif(TG domain)DXXDmotifRGD domainIGFBP2IGFBP2基因基因RGE域碱基置换性突变域碱基置换性突变 整合素连接激酶IKKIGFBP2ILKPI3KAktPPHReceptor Tyrosine KinaseNFBIBIBUUUNFBNucleusRGDTarget genesPNFBLigand1Ser 473GSK3PCyclin DProliferationPIP3Inte

23、grinsIGFBP2-介导的介导的进展期进展期肿瘤需与整合素结合肿瘤需与整合素结合n=50n=42n=32n=50GFPPDGFBPDGFB IGFBP2PDGFB IGFBP2(RGE)n=22IGFPB2 通过ILK促进肿瘤进展n=42n=50n=28n=26n=22PDGFBPDGFB ILKPDGFB IGFBP2PDGFB ILK-KDPDGFB ILK-KD IGFBP2IGFBP2-ILK-AKT 信号通路 在肿瘤的发生发展中起关键作用在肿瘤的发生发展中起关键作用 开发新药开发新药 系统的了解肿瘤和肿瘤治疗系统的了解肿瘤和肿瘤治疗 预测药物反应预测药物反应 TCGATCGA对个体化医疗有重大影响对个体化医疗有重大影响 未来肿瘤生物学