Integrated proteogenomic characterization of glioblastoma evolution

Kyung-Hee Kim, Simona Migliozzi, Harim Koo, ..., Do-Hyun Nam, Antonio Iavarone, Jong Bae Park

2024, Cancer Cell 42, 358–377

DOI: 10.1016/j.ccell.2023.12.015 

The evolutionary trajectory of glioblastoma (GBM) is a multifaceted biological process that extends beyond genetic alterations alone. Here, we perform an integrative proteogenomic analysis of 123 longitudinal glioblastoma pairs and identify a highly proliferative cellular state at diagnosis and replacement by activation of neuronal transition and synaptogenic pathways in recurrent tumors. Proteomic and phosphoproteomic analyses reveal that the molecular transition to neuronal state at recurrence is marked by post-translational activation of the wingless-related integration site (WNT)/ planar cell polarity (PCP) signaling pathway and BRAF protein kinase. Consistently, multi-omic analysis of patient-derived xenograft (PDX) models mirror similar patterns of evolutionary trajectory. Inhibition of B-raf proto-oncogene (BRAF) kinase impairs both neuronal transition and migration capability of recurrent tumor cells, phenotypic hallmarks of post-therapy progression. Combinatorial treatment of temozolomide (TMZ) with BRAF inhibitor, vemurafenib, significantly extends the survival of PDX models. This study provides comprehensive insights into the biological mechanisms of glioblastoma evolution and treatment resistance, highlighting promising therapeutic strategies for clinical intervention

교모세포종(Glioblastoma, GBM)의 진화 경로는 단순한 유전적 변화만으로 설명되지 않는 다면적인 생물학적 과정입니다. 본 연구에서는 123쌍의 장기 추적 GBM 시료에 대해 통합적인 프로테오유전체(proteogenomic) 분석을 수행하였으며, 진단 시에는 세포 증식 활성이 매우 높으나, 재발 시에는 신경세포 전환(neuronal transition) 및 시냅스 형성 경로(synaptogenic pathway)가 활성화되는 양상을 확인했습니다.

단백질체 및 인산화 단백질체 분석 결과, 재발 시 나타나는 신경세포 상태로의 분자적 전환은 WNT/planar cell polarity(PCP) 신호 경로와 BRAF 단백질 키나아제의 번역 후(post-translational) 활성화로 특징지어졌습니다. 환자 유래 이식(PDX) 모델의 다중 오믹스 분석에서도 유사한 진화 경로 패턴이 관찰되었습니다.

또한, BRAF 억제는 재발 종양세포의 신경세포 전환과 이동 능력(post-therapy 진행의 표현형적 특징)을 모두 저해하였습니다. 테모졸로마이드(Temozolomide, TMZ) 와 BRAF 억제제(베무라페닙, vemurafenib) 를 병용 투여하면 PDX 모델의 생존 기간이 유의하게 연장되었습니다.

이 연구는 GBM의 생물학적 진화 및 치료 저항성에 대한 포괄적인 통찰을 제공하며, 임상적 개입을 위한 유망한 치료 전략을 제시합니다.

연구 목적

• 재발 GBM의 치료 저항성 기전을 유전학적 분석만이 아닌 단백질·인산화 단백질 수준까지 통합적으로 규명

• 치료 과정에서 GBM이 어떠한 분자 경로 전환을 거치는지 확인

• 재발 시 새로운 치료 타겟을 발굴

방법

1. 대상: 5개 병원에서 수집한 123쌍의 진단(primary)·재발(recurrent) GBM 환자 조직

2. 분석:

   • 전장 엑솜 시퀀싱(WES)

   • 전장 전사체 시퀀싱(WTS)

   • 질량분석 기반 프로테오믹스·포스포프로테오믹스

3. 검증:

   • 환자유래 종양세포(PDC)

   • 환자유래 이종이식(PDX) 마우스 모델

   • Single cell RNA-seq

4. 기능 실험: BRAF 억제제(vemurafenib, dabrafenib) 단독·병용 투여

주요 결과

• EGFR 신호 소실: 재발 시 EGFR 단백질 및 인산화 수준 저하, 유전자 변이 유지 여부와 무관.

• Neuronal transition: 재발 종양에서 신경세포 구조·기능 관련 단백질, 시냅스 형성, 축삭 신장 경로 활성 증가.

• 신호 경로 전환: EGFR 의존 → BRAF-MAPK 및 WNT/PCP(DAAM1/2) 의존성으로 변화.

• BRAF 억제 효과: 재발 종양세포의 축삭·시냅스 구조 붕괴, 이동성 감소, PDX 생존 연장.

<EGFR 활성/BRAF 활성>

1. Primary GBM: EGFR 활성 → 세포 주기/증식 경로

2. Recurrent GBM: EGFR 불활성 → BRAF/WNT 활성 → neuronal transition & synapse formation

3. BRAF 억제제: neuronal transition 차단 → 종양 침습성 억제

결론

• 재발 GBM은 유전자 수준 변화보다 단백질·인산화 수준 변화가 핵심

• EGFR은 초기 종양 유지에 필요하지만, 재발 시에는 역할 상실

• BRAF-MAPK 및 WNT/PCP 경로가 재발의 주요 드라이버

• BRAF 억제제 병용 치료가 재발 GBM에서 새로운 전략이 될 수 있음

재발 교모세포종은 EGFR 의존성을 버리고 BRAF/WNT 의존성의 신경세포 전환으로 치료 저항성을 획득하며, BRAF 억제가 이를 차단할 수 있다.