食管癌症（EC）是一种发生在食管上皮细胞的恶性胃肠道癌，是全球第七大常见癌症和第六大癌症相关死亡原因。根据肿瘤细胞的组织学亚型，EC可分为食管腺癌（EAC）和食管鳞状细胞癌（ESCC），EAC在西方国家更为普遍，ESCC则主要发生在东亚。我国是EC高发国家，也是世界上EC新发病例最多的国家，中国ESCC发病率约占所有EC的88.8％。
各国不同的生活方式（尤其是饮食习惯）是EC的主要病因，其他病因包括性别、年龄以及饮酒/吸烟习惯等。但迄今为止，人们对EC发展过程中突变或关键事件的首次出现时间及其相关影响知之甚少。因此，对早期EC的分子机制和生物学特征进行深入研究，可获得每个阶段的癌症驱动途径和分子，对EC的诊断和治疗具有重要的临床意义。
近日，复旦大学附属中山医院丁琛、侯英勇、赵健元及周平红团队合作在Nature Communications发表了题为“Integrative proteogenomic characterization of early esophageal cancer”的文章。研究团队对来自786名ESCC患者的154个痕量肿瘤样本进行了全面的多组学分析，涵盖9个组织病理学阶段和3个疾病分期。通过蛋白质基因组学阐明了ESCC进展中的癌症驱动波，并揭示了饮酒习惯相关特征的分子特性，确定了ESCC致癌过程中的6条主要轨迹及其分子特征。
文章发表在Nature Communications
研究团队从154名既往未经历过化疗或放疗的ESCC患者中，收集了786份微量样本进行了基于多组学的分析，涵盖9个组织病理学阶段和22个亚阶段（图1）；从49例早期ESCC患者中收集了另外256个样本作为独立验证队列。研究团队对所有786个样本进行质谱（MS）分析；对145个样本进行磷酸蛋白质组分析；对主要队列中的102个样本进行全外显子组测序（WES）；对验证队列进行蛋白质组分析。
结果显示，共发现9,547个突变，排名靠前的突变是TP53、MUC16、FAT3、SYNE1、AKAP9、FAT4等，突变的数量随ESCC癌变过程逐渐累积。为探索ESCC进展中的关键突变事件及相应影响，研究团队将九个病理阶段被分为三个阶段：NT期（非肿瘤期）、IEN期（上皮内瘤变期）、A-ESCC期（晚期ESCC期）。与IEN期和A-ESCC期相比，NT期肿瘤突变负荷（TMB）最低，其中检测到TP53突变和DNA修复特征。
图1. ESCC进展中的多组学图谱。
饮酒是ESCC的关键危险因素之一，研究发现SBS16是与饮酒相关的重要特征，其与ESCC患者的总生存期呈负相关。值得注意的是，GO富集分析显示，在具有SBS16特征的ESCC患者中，DNA复制这一过程有所富集。OLFM4是与SBS16特征显著相关的突变之一，研究团队发现OLFM4突变上调了相应的蛋白质表达，其蛋白质参与细胞增殖过程，包括DNA复制、细胞分裂等。上述结果表明，对于有饮酒习惯的ESCC患者，SBS16特征是NT期向IEN期转变的关键事件，其中OLFM4突变对DNA复制有积极影响。
APOBEC是非吸烟/饮酒的ESCC患者的主要特征，其在ESCC进展中较为突出，早在IEN阶段就可以被特异性检测到（图2f）。体细胞突变分析显示，CENPE、EPS8和DCTN2的突变与APOBEC特征呈正相关。进一步分析发现，DCTN2突变上调了其相应的蛋白质表达，其对APOBEC特征患者具有潜在影响。
图2. ESCC进展中与危险因素相关的突变特征。
为了探索关键事件的影响，研究团队依据WES数据进行了基于全外显子的体细胞拷贝数变化（SCNA）分析，研究了ESCC进展过程中23,109个SCNA对102个样本蛋白质表达的调节作用（图3）。数据显示，染色体3q（chr3q）增益是排名最高的事件，特别地，近35%处于chr3q增益的基因与Ca2+信号呈正相关。上述结果表明，chr3q增益是NT期向IEN期传递过程中的驱动事件，其导致了Ca2+信号激活和IEN期细胞增殖。
图3. 早期ESCC样本的综合组学分析。
基于主成分分析（PCA），研究团队对蛋白质的丰度进行可视化，绘制了22个亚阶段的蛋白质组图谱（图4）。结果显示，各亚阶段之间存在明显多样性，其分子特征与病变侵袭层有关。
此外，基于基因组畸变、蛋白质组改变和磷蛋白组作用之间的一致性，该研究揭示了ESCC进展中具有八个动态波段的致癌途径：代谢-DNA损伤-细胞增殖-病变侵袭-细胞周期-细胞分化-肿瘤转移-食管癌发生。
图4. ESCC进展中的时间驱动通路波动。
通过共识聚类法，研究团队确定了与ESCC进展的三个阶段相关的两个主要蛋白质组学簇（C1和C2）（图5），C1的后期样本（尤其是IEN期样本）在年轻ESCC患者中表现突出。
AKAP9是A-激酶锚定蛋白（AKAP）之一，研究团队发现AKAP9突变与ESCC患者的不良预后相关。AKAP9的C2（相对恶性簇）显著突变上调了AKAP9的表达水平，从而激活了PKA，促进了ATP向ADP的转移，增强了A-ESCC期的糖酵解。
图5. 蛋白质组簇和AKAP9突变对ESCC进展的影响。
由于ESCC的多样性和肿瘤异质性，使得医生为具有不同癌变轨迹的ESCC患者制定精确的临床策略仍具有挑战。为此，研究团队使用轨迹推断方法对队列中早期ESCC患者的致癌谱系进行追踪，观察到与临床特征密切相关的六条主要的癌变轨迹，其分子特征分别为：生物材料合成、ECM信号、细胞周期、DNA修复、葡萄糖代谢以及免疫反应。上述结果表明，该研究揭示了六个主要的致癌轨迹，并发现轨迹特异性突变对ESCC的致癌谱系有积极影响。
图6. 早期ESCC的六个主要癌变轨迹。
综上所述，通过对早期EC患者的多组学分析，研究团队绘制了ESCC进展中的全面基因组、蛋白质组学和磷酸蛋白质组学图谱，发现了一些新的生物标志物，以及疾病变化过程中的关键事件。该研究为理解ESCC分子机制和开发治疗靶点提供了新的见解，对早期EC的诊断和治疗具有重要的临床意义。
参考文献：
Li, L., Jiang, D., Zhang, Q. et al. Integrative proteogenomic characterization of early esophageal cancer. Nat Commun 14, 1666 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37440-w
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