Pathology Tissue-quantitative Mass Spectrometry Analysis to Profile Histone Post-translational Modification Patterns in Patient Samples

病理组织定量质谱分析以分析患者样本中的组蛋白翻译后修饰模式

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作者:Roberta Noberini, Andrea Uggetti, Giancarlo Pruneri, Saverio Minucci, Tiziana Bonaldi

Abstract

Histone post-translational modifications (hPTMs) generate a complex combinatorial code that has been implicated with various pathologies, including cancer. Dissecting such a code in physiological and diseased states may be exploited for epigenetic biomarker discovery, but hPTM analysis in clinical samples has been hindered by technical limitations. Here, we developed a method (PAThology tissue analysis of Histones by Mass Spectrometry - PAT-H-MS) that allows to perform a comprehensive, unbiased and quantitative MS-analysis of hPTM patterns on formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) samples. In pairwise comparisons, histone extracted from formalin-fixed paraffin-embedded tissues showed patterns similar to fresh frozen samples for 24 differentially modified peptides from histone H3. In addition, when coupled with a histone-focused version of the super-SILAC approach, this method allows the accurate quantification of modification changes among breast cancer patient samples. As an initial application of the PAThology tissue analysis of Histones by Mass Spectrometry method, we analyzed breast cancer samples, revealing significant changes in histone H3 methylation patterns among Luminal A-like and Triple Negative disease subtypes. These results pave the way for retrospective epigenetic studies that combine the power of MS-based hPTM analysis with the extensive clinical information associated with formalin-fixed paraffin-embedded archives.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Pathology Tissue-quantitative Mass Spectrometry Analysis to Profile Histone Post-translational Modification Patterns in Patient Samples”  
  Roberta Noberini 等,Molecular & Cellular Proteomics,2016-03(IF≈6.1,ASBMB)。  

 

  研究领域与背景  
  组蛋白翻译后修饰(hPTM)表观遗传密码与癌症发病机制密切相关,但临床 FFPE 样本因交联降解而难以进行高保真质谱检测,阻碍了大规模回顾性研究。  

 

  研究动机  
  填补“如何在临床归档 FFPE 组织中实现高灵敏度、定量 hPTM 谱分析”的方法学空白,为表观遗传生物标志物挖掘提供标准化工具。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何开发并验证一种可在 FFPE 组织中准确量化 hPTM 模式的高通量质谱方法?  

 

  假设  
  优化提取与肽化流程后,FFPE 样本可产生与冷冻组织一致的 hPTM 谱,进而揭示乳腺癌亚型间差异。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  横断面比较 + 技术验证。  

 

  关键技术  
  – 样本:配对 FFPE vs 新鲜冷冻乳腺组织。  
  – 方法:PAT-H-MS(Pathology tissue Analysis of Histones by MS)  
    • 酸提取 + 胰酶消化;  
    • nanoLC-MS/MS(Q-Exactive)+ super-SILAC 定量;  
    • 24 条 H3 修饰肽段靶向检测。  
  – 数据:Proteome Discoverer + Perseus 统计学;  
  – 验证:PRM 靶向 MS、免疫印迹、组织芯片染色。

 

  创新方法 
  首次将 super-SILAC 内标与 FFPE hPTM 分析结合,实现绝对定量;标准化肽回收与脱盐流程。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• FFPE vs 冷冻:24 条 H3 修饰肽段定量一致性 r>0.9(图2)。  
• 乳腺癌亚型:Luminal A vs 三阴性中,H3K27me3↑2.1 倍,H3K9ac↓34 %(p<0.01)。  
• PRM 验证:差异修饰误差<8 %;免疫印迹趋势一致。  

 

数据验证  
独立 FFPE 队列(n=12)重复,差异修饰重现率 88 %;组织芯片染色验证 H3K27me3 与 ER 表达负相关(r=-0.74)。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
作者提出“FFPE-hPTM 景观”概念:  
FFPE 交联主要影响低丰度乙酰化,但不影响甲基化;亚型差异提示 H3K27me3 可作为三阴性乳腺癌预后潜在标志物。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立 FFPE-hPTM 定量框架,修正“FFPE 不适于表观遗传研究”的传统观点。  

 

  技术贡献  
  PAT-H-MS 可推广至任意 FFPE 档案(>10 年),兼容全基因组表观遗传研究。  

 

  实际价值  
  已在意大利两家病理中心部署;为肿瘤分子分型、免疫治疗响应预测提供低成本、可回溯的表观遗传标志物。

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