Extensive genomic characterization of human cancers presents the problem of inference from genomic abnormalities to cancer phenotypes. To address this problem, we analysed proteomes of colon and rectal tumours characterized previously by The Cancer Genome Atlas (TCGA) and perform integrated proteogenomic analyses. Somatic variants displayed reduced protein abundance compared to germline variants. Messenger RNA transcript abundance did not reliably predict protein abundance differences between tumours. Proteomics identified five proteomic subtypes in the TCGA cohort, two of which overlapped with the TCGA 'microsatellite instability/CpG island methylation phenotype' transcriptomic subtype, but had distinct mutation, methylation and protein expression patterns associated with different clinical outcomes. Although copy number alterations showed strong cis- and trans-effects on mRNA abundance, relatively few of these extend to the protein level. Thus, proteomics data enabled prioritization of candidate driver genes. The chromosome 20q amplicon was associated with the largest global changes at both mRNA and protein levels; proteomics data highlighted potential 20q candidates, including HNF4A (hepatocyte nuclear factor 4, alpha), TOMM34 (translocase of outer mitochondrial membrane 34) and SRC (SRC proto-oncogene, non-receptor tyrosine kinase). Integrated proteogenomic analysis provides functional context to interpret genomic abnormalities and affords a new paradigm for understanding cancer biology.

Although multiple reaction monitoring (MRM) mass spectrometry holds considerable promise for quantifying candidate protein biomarkers in blood, transferability of MRM assays between laboratories has never been shown. Addona et al. assess the reproducibility, dynamic range and limits of detection and quantification of MRM across multiple sites. Verification of candidate biomarkers relies upon specific, quantitative assays optimized for selective detection of target proteins, and is increasingly viewed as a critical step in the discovery pipeline that bridges unbiased biomarker discovery to preclinical validation. Although individual laboratories have demonstrated that multiple reaction monitoring (MRM) coupled with isotope dilution mass spectrometry can quantify candidate protein biomarkers in plasma, reproducibility and transferability of these assays between laboratories have not been demonstrated. We describe a multilaboratory study to assess reproducibility, recovery, linear dynamic range and limits of detection and quantification of multiplexed, MRM-based assays, conducted by NCI-CPTAC. Using common materials and standardized protocols, we demonstrate that these assays can be highly reproducible within and across laboratories and instrument platforms, and are sensitive to low μg/ml protein concentrations in unfractionated plasma. We provide data and benchmarks against which individual laboratories can compare their performance and evaluate new technologies for biomarker verification in plasma.

Summary

 To provide a detailed analysis of the molecular components and underlying mechanisms associated with ovarian cancer, we performed a comprehensive mass-spectrometry-based proteomic characterization of 174 ovarian tumors previously analyzed by The Cancer Genome Atlas (TCGA), of which 169 were high-grade serous carcinomas (HGSCs). Integrating our proteomic measurements with the genomic data yielded a number of insights into disease, such as how different copy-number alternations influence the proteome, the proteins associated with chromosomal instability, the sets of signaling pathways that diverse genome rearrangements converge on, and the ones most associated with short overall survival. Specific protein acetylations associated with homologous recombination deficiency suggest a potential means for stratifying patients for therapy. In addition to providing a valuable resource, these findings provide a view of how the somatic genome drives the cancer proteome and associations between protein and post-translational modification levels and clinical outcomes in HGSC. 

Video Abstract

Summary

 We performed the first proteogenomic study on a prospectively collected colon cancer cohort. Comparative proteomic and phosphoproteomic analysis of paired tumor and normal adjacent tissues produced a catalog of colon cancer-associated proteins and phosphosites, including known and putative new biomarkers, drug targets, and cancer/testis antigens. Proteogenomic integration not only prioritized genomically inferred targets, such as copy-number drivers and mutation-derived neoantigens, but also yielded novel findings. Phosphoproteomics data associated Rb phosphorylation with increased proliferation and decreased apoptosis in colon cancer, which explains why this classical tumor suppressor is amplified in colon tumors and suggests a rationale for targeting Rb phosphorylation in colon cancer. Proteomics identified an association between decreased CD8 T cell infiltration and increased glycolysis in microsatellite instability-high (MSI-H) tumors, suggesting glycolysis as a potential target to overcome the resistance of MSI-H tumors to immune checkpoint blockade. Proteogenomics presents new avenues for biological discoveries and therapeutic development.

Summary

 To elucidate the deregulated functional modules that drive clear cell renal cell carcinoma (ccRCC), we performed comprehensive genomic, epigenomic, transcriptomic, proteomic, and phosphoproteomic characterization of treatment-naive ccRCC and paired normal adjacent tissue samples. Genomic analyses identified a distinct molecular subgroup associated with genomic instability. Integration of proteogenomic measurements uniquely identified protein dysregulation of cellular mechanisms impacted by genomic alterations, including oxidative phosphorylation-related metabolism, protein translation processes, and phospho-signaling modules. To assess the degree of immune infiltration in individual tumors, we identified microenvironment cell signatures that delineated four immune-based ccRCC subtypes characterized by distinct cellular pathways. This study reports a large-scale proteogenomic analysis of ccRCC to discern the functional impact of genomic alterations and provides evidence for rational treatment selection stemming from ccRCC pathobiology.

We convened an ad hoc International Working Group for Antibody Validation in order to formulate the best approaches for validating antibodies used in common research applications and to provide guidelines that ensure antibody reproducibility. We recommend five conceptual 'pillars' for antibody validation to be used in an application-specific manner.

To explore the biology of lung adenocarcinoma (LUAD) and identify new therapeutic opportunities, we performed comprehensive proteogenomic characterization of 110 tumors and 101 matched normal adjacent tissues (NATs) incorporating genomics, epigenomics, deep-scale proteomics, phosphoproteomics, and acetylproteomics. Multi-omics clustering revealed four subgroups defined by key driver mutations, country, and gender. Proteomic and phosphoproteomic data illuminated biology downstream of copy number aberrations, somatic mutations, and fusions and identified therapeutic vulnerabilities associated with driver events involving KRAS, EGFR, and ALK. Immune subtyping revealed a complex landscape, reinforced the association of STK11 with immune-cold behavior, and underscored a potential immunosuppressive role of neutrophil degranulation. Smoking-associated LUADs showed correlation with other environmental exposure signatures and a field effect in NATs. Matched NATs allowed identification of differentially expressed proteins with potential diagnostic and therapeutic utility. This proteogenomics dataset represents a unique public resource for researchers and clinicians seeking to better understand and treat lung adenocarcinomas.

Glioblastoma (GBM) is the most aggressive nervous system cancer. Understanding its molecular pathogenesis is crucial to improving diagnosis and treatment. Integrated analysis of genomic, proteomic, post-translational modification and metabolomic data on 99 treatment-naive GBMs provides insights to GBM biology. We identify key phosphorylation events (e.g., phosphorylated PTPN11 and PLCG1) as potential switches mediating oncogenic pathway activation, as well as potential targets for EGFR-, TP53-, and RB1-altered tumors. Immune subtypes with distinct immune cell types are discovered using bulk omics methodologies, validated by snRNA-seq, and correlated with specific expression and histone acetylation patterns. Histone H2B acetylation in classical-like and immune-low GBM is driven largely by BRDs, CREBBP, and EP300. Integrated metabolomic and proteomic data identify specific lipid distributions across subtypes and distinct global metabolic changes in IDH-mutated tumors. This work highlights biological relationships that could contribute to stratification of GBM patients for more effective treatment.

We undertook a comprehensive proteogenomic characterization of 95 prospectively collected endometrial carcinomas, comprising 83 endometrioid and 12 serous tumors. This analysis revealed possible new consequences of perturbations to the p53 and Wnt/β-catenin pathways, identified a potential role for circRNAs in the epithelial-mesenchymal transition, and provided new information about proteomic markers of clinical and genomic tumor subgroups, including relationships to known druggable pathways. An extensive genome-wide acetylation survey yielded insights into regulatory mechanisms linking Wnt signaling and histone acetylation. We also characterized aspects of the tumor immune landscape, including immunogenic alterations, neoantigens, common cancer/testis antigens, and the immune microenvironment, all of which can inform immunotherapy decisions. Collectively, our multi-omic analyses provide a valuable resource for researchers and clinicians, identify new molecular associations of potential mechanistic significance in the development of endometrial cancers, and suggest novel approaches for identifying potential therapeutic targets.

The integration of mass spectrometry-based proteomics with next-generation DNA and RNA sequencing profiles tumors more comprehensively. Here this "proteogenomics" approach was applied to 122 treatment-naive primary breast cancers accrued to preserve post-translational modifications, including protein phosphorylation and acetylation. Proteogenomics challenged standard breast cancer diagnoses, provided detailed analysis of the ERBB2 amplicon, defined tumor subsets that could benefit from immune checkpoint therapy, and allowed more accurate assessment of Rb status for prediction of CDK4/6 inhibitor responsiveness. Phosphoproteomics profiles uncovered novel associations between tumor suppressor loss and targetable kinases. Acetylproteome analysis highlighted acetylation on key nuclear proteins involved in the DNA damage response and revealed cross-talk between cytoplasmic and mitochondrial acetylation and metabolism. Our results underscore the potential of proteogenomics for clinical investigation of breast cancer through more accurate annotation of targetable pathways and biological features of this remarkably heterogeneous malignancy.