Identifikace a charakterizace prometastatických cílů, drah a molekulárních komplexů s využitím proteomických technologií

English version

Authors: Faktor J.dvorakova M.maryas J.struharova I. ^{* 1,* 1,2,* 1,* 1,2}; P. Bouchal ^1,2
Authors‘ workplace: Department of Biochemistry, Faculty of Science, Masaryk University, Brno, Czech Republic ¹; Regional Centre for Applied and Molecular Oncology, Masaryk Memorial Cancer Institute, Brno, Czech Republic ²
Published in: Klin Onkol 2012; 25(Supplementum 2): 70-77

Práce byla podpořena grantem GA ČR P304/10/0868, projektem Velkých infrastruktur MŠMT (BBMRI_CZ LM2010004) a Evropským fondem pro regionální rozvoj a státním rozpočtem České republiky (OP VaVpI – RECAMO, CZ.1.05/2.1.00/03.0101).

Autoři deklarují, že v souvislosti s předmětem studie nemají žádné komerční zájmy.

Redakční rada potvrzuje, že rukopis práce splnil ICMJE kritéria pro publikace zasílané do bi omedicínských časopisů.

Obdrženo: 5. 10. 2012
Přijato: 5. 11. 2012

Overview

Východiska:
Tvorba metastáz je spojena se změnami v signálních drahách, buněčné adhezi, migraci a invazivitě. Moderní proteomické přístupy na bázi hmotnostní spektrometrie umožňují vyhledávat prometastatické proteiny a jejich funkční partnery, uplatňují se při jejich funkční charakterizaci a validaci směrem k vývoji nových diagnostických a terapeutických přístupů.

Cíl:
Cílem článku je detailněji popsat a shrnout současné možnosti proteomických technik v identifikaci a charakterizaci proteinů zapojených do prometastatických procesů. Za regulaci řady prometastatických dějů je odpovědná například NF-κB dráha. Související proteiny lze vyhledávat pomocí necílených proteomických přístupů porovnávajících proteomy s různým metastatickým potenciálem. Paralelní analýzu většího množství nádorových vzorků přitom zjednodušují metody značení se stabilními izotopy. Identifikované prometastatické proteiny lze charakterizovat ve vztahu k buněčné migraci, invazivitě a proliferaci a v jejich zapojení do molekulárních komplexů pomocí protein-proteinových interakcí. Při tom lze využít technik metabolického značení, podobně jako při charakterizaci souvisejících povrchových proteinů buněk zapojených do buněčné adheze, invazivity a mezibuněčné komunikace. Při validaci prometastatických proteinů v rozsáhlých souborech klinických vzorků se uplatňují metodiky cílené proteomiky založené na monitorování vybraných reakcí.

Závěr:
Současné proteomické metody mají klíčový význam při identifikaci prometastatických proteinů, drah a molekulárních komplexů, při jejich funkční charakterizaci a validaci směrem k diagnostickému a terapeutickému využití.

Klíčová slova:
metastázy – proteomika – tumorové markery – buněčná migrace – membránové proteiny – přenos signálů – hmotnostní spektrometrie – izotopové značení

Sources

1. Prasad S, Ravindran J, Aggarwal BB. NF-kappaB and cancer: how intimate is this relationship. Mol Cell Biochem 2010; 336(1–2): 25–37.

2. Brown M, Cohen J, Arun P et al. NF-kappaB in carcinoma therapy and prevention. Expert Opin Ther Targets 2008; 12(9): 1109–1122.

3. Chaturvedi MM, Sung B, Yadav VR et al. NF-kappaB addiction and its role in cancer: ‘one size does not fit all’. Oncogene 2011; 30(14): 1615–1630.

4. Xiao G, Fu J. NF-κB and cancer: a paradigm of Yin-Yang. Am J Cancer Res 2011; 1(2): 192–221.

5. Schneider G, Krämer OH. NFκB/p53 crosstalk-a promising new therapeutic target. Biochim Biophys Acta 2011; 1815(1): 90–103.

6. Jing Y, Han Z, Zhang S et al. Epithelial-Mesenchymal Transition in tumor microenvironment. Cell Biosci 2011; 1: 1–6.

7. Tobar F, Villar V, Santibanez JZ. ROS-NFκB mediates TGF-β1-induced expression of urokinase-type plasminogen activator, matrix metalloproteinase-9 and cell invasion. Mol Cell Biochem 2010; 340(1–2): 195–202.

8. Mankan AK, Lawless MW, Gray SG et al. NF-kappaB regulation: the nuclear response. J Cell Mol Med 2009; 13(4): 631–643.

9. Ross PL, Huang YN, Marchese JN et al. Multiplexed protein quantitation in Saccharomyces cerevisiae using amine-reactive isobaric tagging reagents. Mol Cell Proteomics 2004; 3(12): 1154–1169.

10. Bouchal P, Roumeliotis T, Hrstka R et al. Biomarker discovery in low-grade breast cancer using isobaric stable isotope tags and two-dimensional liquid chromatography-tandem mass spectrometry (iTRAQ-2DLC-MS/MS) based quantitative proteomic analysis. J Proteome Res 2009; 8(1): 362–373.

11. Ho J, Kong JWF, Choong LY et al. Novel breast cancer metastasis-associated proteins. J Proteome Res 2009; 8(2): 583–594.

12. Ghosh D, Yu H, Tan XF et al. Identification of key players for colorectal cancer metastasis by iTRAQ quantitative proteomics profiling of isogenic SW480 and SW620 cell lines. J Proteome Res 2011; 10(10): 4373–4387.

13. Rehman I, Evans CA, Glen A et al. iTRAQ Identification of Candidate Serum Biomarkers Associated with Metastatic Progression of Human Prostate Cancer. PLoS One 2012; 7(2): 1–7.

14. Yang Y, Yixuan Y, Lim SK et al. Cathepsin S mediates gastric cancer cell migration and invasion via a putative network of metastasis-associated proteins. J Proteome Res 2010; 9(9): 4767–4778.

15. Pierce A, Unwin RD, Evans CA et al. Eight-channel iTRAQ enables comparison of the activity of six leukemogenic tyrosine kinases. Mol Cell Proteomics 2008; 7(5): 853–863.

16. Glen A, Evans CA, Gan CS et al. Eight-plex iTRAQ analysis of variant metastatic human prostate cancer cells identifies candidate biomarkers of progression: An exploratory study. Prostate 2010; 70(12): 1313–1332.

17. Ong SE, B. Blagoev B, I. Kratchmarova I et al. Stable isotope labeling by amino acids in cell culture, SILAC, as a simple and accurate approach to expression proteomics. Mol Cell Proteomics 2002; 1(5): 376–386.

18. Olsen JV, Blagoev B, Gnad F et al. Global, in vivo, and site-specific phosphorylation dynamics in signaling networks. Cell 2006; 127(3): 635–648.

19. Geiger T, Cox J, Ostasiewicz P et al. Super-SILAC mix for quantitative proteomics of human tumor tissue. Nat Methods 2010; 7(5): 383–385.

20. Krüger M, Moser M, Ussar S et al. SILAC mouse for quantitative proteomics uncovers kindlin-3 as an essential factor for red blood cell function. Cell 2008; 134(2): 353–364.

21. Sirvent A, Vigy O, Orsetti B et al. Analysis of SRC oncogenic signaling in colorectal cancer by Stable Isotope Labeling with heavy Amino acids in mouse Xenografts. Mol Cell Proteomics. [Epub ahead of print].

22. Friedl P, Wolf K. Tumour-cell invasion and migration: diversity and escape mechanisms. Nat Rev Cancer 2003; 3(5): 362–374.

23. Iiizumi M, Liu W, Pai SK et al. Drug development against metastasis-related genes and their pathways: a rationale for cancer therapy. Biochim Biophys Acta 2008; 1786(2): 87–104.

24. Friedl P, Wolf K. Plasticity of cell migration: a multiscale tuning model. J Cell Biol 2010; 188(1): 11–19.

25. Condeelis J, Segall JE. Intravital imaging of cell movement in tumours. Nat Rev Cancer 2003; 3(12): 921–930.

26. Poujade M, Grasland-Mongrain E, Hertzog A et al. Collective migration of an epithelial monolayer in response to a model wound. Proc Natl Acad Sci U.S.A. 2007; 104(41): 15988–15993.

27. Boyden S. The chemotactic effect of mixtures of antibody and antigen on polymorphonuclear leucocytes. J Exp Med 1962; 115: 453–466.

28. Wolf K, Friedl P. Extracellular matrix determinants of proteolytic and non-proteolytic cell migration. Trends Cell Biol 2011; 21(12): 736–744.

29. Blagoev B, Kratchmarova I, Ong S-E et al. A proteomics strategy to elucidate functional protein-protein interactions applied to EGF signaling. Nat Biotechnol 2003; 21(3): 315–318.

30. Leth-Larsen R, Lund RR, Hansen HV et al. Metastasis-related Plasma Membrane Proteins of Human Breast Cancer Cells Identified by Comparative Quantitative Mass Spectrometry. Mol Cell Proteomics 2009; 8(6): 1436–1449.

31. Leth-Larsen R, Lund RR, Ditzel JH. Plasma Membrane Proteomics and Its Application in Clinical Cancer Biomarker Discovery. Mol Cell Proteomics 2010; 9(7): 1369–1382.

32. Lund RR, Leth-Larsen R, Jensen ON et al. Efcient Isolation and Quantitative Proteomic Analysis of Cancer Cell Plasma Membrane Proteins for Identication of Metastasis-Associated Cell Surface Markers. J Proteome Res 2009; 8(6): 3078–3090.

33. Scheurer SB, Rybak JN, Roesli C et al. Identification and relative quantification of membrane proteins by surface biotinylation and two-dimensional peptide mapping. Proteomics 2005; 5(11): 2718–2727.

34. Scheurer SB, Roesli C, Neri D et al. Comparison of Different Biotinylation Reagents, Tryptic Digestion Procedures, and Mass Spectrometric Techniques for 2-D Peptide Mapping of Membrane Proteins. Cancer Res 2009; 5(12): 5406–5414.

35. Hoang VM, Conrads TP, Veenstra TD et al. Quantitative Proteomics Employing Primary Amine Affinity Tags. J Biomol Tech 2003; 14(3): 216–223.

36. Rybak JN, Scheurer SB, Neri D et al. Purification of Biotinylated Proteins on Streptavidin Resin: A Protocol for Quantitative Elution. Proteomics 2004; 4(8): 2296–2299.

37. Qiu H, Wang Y. Quantitative Analysis of Surface Plasma Membrane Proteins of Primary and Metastatic Melanoma Cells. J Proteome Res 2008; 7(5): 1904–1915.

38. Roesli C, Borgia B, Schliemann C et al. Comparative Analysis of the Membrane Proteome of Closely Related Metastatic and Nonmetastatic Tumor Cells. Cancer Res 2009; 69(13): 5406–5414.

39. Hüttenhain R, Malmström J, Picotti P et al. Perspectives of targeted mass spectrometry for protein biomarker verification. Curr Opin Chem Biol 2009; 13(5–6): 518–525.

40. Lange V, Picotti P, Domon B et al. Selected reaction monitoring for quantitative proteomics: a tutorial. Mol Syst Biol 2008; 4: 1–12.

41. Peterson AC, Russell JD, Bailey DJ et al. Parallel reaction monitoring for high resolution and high mass accuracy quantitative, targeted proteomics. Mol Cell Proteomics. [Epub ahead of print].

42. http://www.absciex.com/Documents/Downloads//Literature/mass-spectrometry-TargetedProteinQuant.pdf [online]. AB Sciex, USA; c2012 updated 11 September 2012; cited 11 September 2012. Available from: http://www.absciex.com.

43. Faktor J, Struhárová I, Fučíková A et al. Kvantifikace proteinových biomarkerů pomocí hmotnostní spektrometrie pracující v režimu monitorování vybraných reakcí. Chemické Listy 2011; 105(11): 846–850.

44. Zhao L, Whiteaker JR, Pope ME. Quantification of Proteins Using Peptide Immunoaffinity Enrichment Coupled with Mass Spectrometry. J Vis Exp 2011; 31(53): 2812.

45. Kitteringham NR, Jenkins RE, Lane CS et al. Multiple Reaction Monitoring for Quantitative Biomarker Analysis in Proteomics and Metabolomics. J Chromatography B 2009; 877(13):1234–1235.

46. Keshishian H, Addona T, Burgess M et al. Quantitative, Multiplexed Assays for Low Abundance Proteins in Plasma by Targeted Mass Spectrometry and Stable Isotope Dilution. Mol Cell Proteomics 2007; 6(12): 2212–2229.

47. Fortin T, Salvador A, Charrier JP et al. Clinical Quantitation of Prostate-Specific Antigen Biomarker in the Low Nanogram/mililiter Range by Conventional Bore Liquid Chromatography-tandem Mass Spectrometry (Multiple Reaction Monitoring) Coupling and Corellation with ELISA Tests. Mol Cell Proteomics 2009; 8(5): 1006–1015.

48. Jenkins RE, Kitteringham NR, Hunter CL. Relative and absolute quantitative expression profiling of cytochromes P450 using isotope-coded afinity tags. Proteomics 2006; 6(6): 1934–1947.

49. Nishimura T, Nomura M, Tojo H et al. Proteomic Analysis of Laser-microdissected Paraffin-embedded tissues: (2) MRM Assay for Stage-related proteins upon Non-metastatic Lung Adenocarcinoma. J Proteomics 2010; 73(6): 1100–1110.

50. Gillet LC, Navarro P, Tate S et al. Targeted Data Extraction of the MS/MS Spectra Generated by Data-independent Acquisition: A New Concept for Consistent and Accurate Proteome Analysis. Mol Cell Proteomics 2012; 11(6): O111.016717.

51. Crotti S, Seraglia R, Traldi P. Some Thoughts on Electrospray Ionization Mechanisms. Eur J Mass Spectrom 2011; 17(2): 85–99.

52. Hager JW, Blanc JCY. Product ion scanning using a Q-q-Qlinear ion trap (Q TRAPTM) mass spectrometer. Rapid Commun Mass Spectrom 2003; 17(10): 1056–1064.