楊鹿笛,王高明,胡仁豪,蔣小華,崔然
1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金臨床醫(yī)學(xué)院,上海200025;2.同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院普外科,上海200120
胰腺癌是一種頑固性惡性腫瘤,惡性程度較高。根據(jù)2018年全球腫瘤流行病統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1],胰腺癌位列常見(jiàn)癌癥排名第11位,2018年有458 918個(gè)新病例,432 242人因胰腺癌死亡(占所有癌癥死亡人數(shù)的4.5%),5年生存率低于5%。在美國(guó),癌癥患者中胰腺癌已成為第三大死亡原因[2]。近年來(lái)發(fā)展中國(guó)家人們生活方式的改變,比如吸煙比例提高、高熱量食物攝入增多、體育鍛煉缺乏等,導(dǎo)致胰腺癌死亡率逐漸上升[3]。
胰腺癌起病隱匿,早期診斷困難,進(jìn)展迅速,大多數(shù)患者在確診時(shí)已喪失治療的最佳時(shí)機(jī);同時(shí),胰腺癌手術(shù)切除率較低,并且對(duì)常規(guī)放射治療和化學(xué)治療不敏感,故預(yù)后極差[1]。胰腺癌具有快速增殖能力和高度侵襲轉(zhuǎn)移傾向,發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,目前尚缺乏有效的系統(tǒng)治療手段。高通量測(cè)序技術(shù)和系統(tǒng)生物學(xué)的不斷發(fā)展,有助于更好地了解胰腺癌潛在的分子機(jī)制,尋找新的分子靶標(biāo)和靶向療法,從而延長(zhǎng)患者的生存時(shí)間。
隨著生命科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅猛發(fā)展,以計(jì)算機(jī)為工具對(duì)生物信息進(jìn)行儲(chǔ)存、檢索和分析的生物信息科學(xué),成為分析基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的一種重要方法。本研究旨在通過(guò)生物信息學(xué)的分析方法,篩選與胰腺癌發(fā)生和發(fā)展相關(guān)的核心基因與通路,探究核心基因?qū)σ认侔┗颊哳A(yù)后的影響,以期為胰腺癌患者的精準(zhǔn)治療提供新的干預(yù)靶點(diǎn)。
利用美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)平 臺(tái) 下 的GEO(Gene Expression Omnibus)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索含有人源胰腺癌及癌旁組織樣本的芯片數(shù)據(jù)集GSE28735。該數(shù)據(jù)集共包含90例組織樣本數(shù)據(jù),其中45例為癌組織,45例為癌旁正常組織。
通過(guò)GEO2R在線分析工具提取癌組織及癌旁組織的基因。為了提高篩選效率,首先利用RStudio軟件,以P值大小為參考標(biāo)準(zhǔn),篩選出差異表達(dá)最顯著的250個(gè)基因;然后通過(guò)RStudio軟件的limma數(shù)據(jù)包進(jìn)一步篩選胰腺癌組織樣本和癌旁正常組織樣本的差異表達(dá)基因(differentially expressed genes,DEGs),篩選標(biāo)準(zhǔn)為P<0.05且|log2FC|>1[FC為差異倍數(shù)(fold change)]。利用pheatmap、ggplot2數(shù)據(jù)包對(duì)其進(jìn)行可視化處理。
在基因功能注釋在線工具DAVID(Database for Annotation,Visualization and Integrated Discovery)中,根據(jù)基因本體(Gene Ontology,GO)數(shù)據(jù)庫(kù)和京都基因與基因組百科全書(shū)(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)差異表達(dá)顯著的基因進(jìn)行生物學(xué)富集分析。在RStudio軟件中,以P<0.05為入選標(biāo)準(zhǔn)對(duì)富集結(jié)果進(jìn)行篩選,利用ggplot2數(shù)據(jù)包對(duì)富集分析的結(jié)果進(jìn)行可視化處理。
通過(guò)交互基因檢索工具STRING(Search Tool for the Retrieval of Interacting Genes)對(duì)差異表達(dá)顯著的基因在線繪制蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(protein-protein interaction,PPI)網(wǎng)絡(luò),以結(jié)合分?jǐn)?shù)>0.4為閾值條件。在Cytoscape軟件中對(duì)PPI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化處理,使用CytoHubba網(wǎng)絡(luò)分析插件篩選PPI網(wǎng)絡(luò)的核心基因。
基因表達(dá)譜分析數(shù)據(jù)庫(kù)GEPIA(Gene Expression Profiling Interactive Analysis)納入了179例胰腺癌患者的臨床和病理信息以及基因表達(dá)數(shù)據(jù),驗(yàn)證5個(gè)核心基因在179例胰腺癌組織和171例正常組織中的表達(dá)差異;利用基因表達(dá)水平中位數(shù)將患者分為基因高表達(dá)組(89例)和基因低表達(dá)組(89例),并繪制Kaplan-Meier生存曲線,采用Log-rank檢驗(yàn)進(jìn)行生存分析,探究核心基因表達(dá)水平的高低與患者總生存期(overall survival,OS)和無(wú)病生存期(disease free survival,DFS)的關(guān)聯(lián);通過(guò)GEPIA在線分析和單因素方差分析對(duì)不同病理階段的基因表達(dá)水平進(jìn)行可視化處理及統(tǒng)計(jì)分析。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
為了提高篩選效率,我們將GEO2R在線分析結(jié)果根據(jù)P值大小升序排列,選取其中的前250個(gè)基因。在R語(yǔ)言limma包中設(shè)置差異基因篩選條件為P<0.05且|log2FC|>1,共得到131個(gè)DEGs,其中與癌旁正常組織相比表達(dá)上調(diào)的基因115個(gè),表達(dá)下調(diào)的基因16個(gè)。利用R的ggplot2和pheatmap數(shù)據(jù)包分別對(duì)前250個(gè)基因和篩選出來(lái)的131個(gè)DEGs進(jìn)行可視化處理,見(jiàn)圖1。
圖1胰腺癌組織及癌旁組織中DEGs的可視化分析Fig 1 Visual analysis of the DEGs in pancreatic cancer and adjacent tissues
對(duì)篩選得到的DEGs進(jìn)行GO功能富集分析和KEGG通路富集分析。結(jié)果表明DEGs主要在細(xì)胞黏附、質(zhì)膜、蛋白質(zhì)結(jié)合中富集;主要富集的通路為磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋 白 激 酶B(protein kinase B,AKT)信號(hào)通路。對(duì)DEGs的富集結(jié)果進(jìn)行可視化處理,見(jiàn)圖2。
圖2 DEGs的GO功能富集和KEGG通路富集分析Fig 2 Enrichment analysis of GO function and KEGG pathway of DEGs
利用STRING在線分析DEGs對(duì)應(yīng)蛋白的PPI網(wǎng)絡(luò),通過(guò)Cytoscape軟件進(jìn)行整合后構(gòu)建PPI的可視化結(jié)果,獲得DEGs對(duì)應(yīng)蛋白的PPI網(wǎng)絡(luò)(圖3)。通過(guò)使用CytoHubba網(wǎng)絡(luò)分析插件篩選PPI中相互作用程度最高的前5個(gè)DEGs的對(duì)應(yīng)蛋白,分別為纖維連接蛋白(fibronectin1,F(xiàn)N1)、間質(zhì)表皮轉(zhuǎn)化因子(mesenchymal to epithelial transition factor,MET)、層 粘 連 蛋 白β3(polyclonal antibody to lamininβ3,LAMB3)、層粘連蛋白α3(laminin subunitα3,LAMA3)、整合素亞單位α3(integrin subunitα3,ITGA3)。其生物學(xué)功能及節(jié)點(diǎn)度值(degree)具體見(jiàn)表1。
圖3 DEGs對(duì)應(yīng)蛋白的PPI網(wǎng)絡(luò)圖Fig 3 PPI network diagram of DEGs corresponding proteins
利用GEPIA在線工具分析5個(gè)DEGs在胰腺癌患者癌組織和癌旁正常組織樣本中的表達(dá)情況,結(jié)果顯示其在癌組織中的表達(dá)水平均高于正常組織,差異均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),見(jiàn)圖4。
5個(gè)DEGs中,MET(P=0.000,HR=2.2)、LAMA3(P=0.000,HR=2.1)、LAMB3(P=0.002,HR=1.9)和ITGA3(P=0.007,HR=1.8)的表達(dá)水平與胰腺癌患者OS有關(guān),且基因低表達(dá)組(n=89)的預(yù)后明顯優(yōu)于基因高表達(dá)組(n=89);而FN1(P=0.160,HR=1.3)的表達(dá)水平與胰腺癌患者的OS無(wú)關(guān)聯(lián)(圖5A-E)。DEGs表達(dá)水平與胰腺癌患者DFS的關(guān)聯(lián)分析顯示,MET(P=0.000,HR=2.2)、LAMB3(P=0.023,HR=1.7)和ITGA3(P=0.000,HR=2.4)的表達(dá)水平與胰腺癌患者DFS有關(guān)(圖5G、I、J),而FN1(P=0.140,HR=1.4)和LAMA3(P=0.067,HR=1.5)的表達(dá)水平對(duì)胰腺癌患者的DFS并無(wú)顯著影響(圖5F、H)。
表1 PPI網(wǎng)絡(luò)中5個(gè)DEGs的生物學(xué)特點(diǎn)Tab 1 Biological characteristics of the five DEGs in PPI network
圖4 5個(gè)DEGs在179例胰腺癌組織和171例正常組織中的表達(dá)Fig 4 Expression of the five DEGs in 179 cases of pancreatic cancer tissues and 171 cases of adjacent normal tissues
進(jìn)一步探究DEGs表達(dá)水平與胰腺癌分期進(jìn)展的關(guān)系,結(jié)果顯示在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ期胰腺癌組織中,F(xiàn)N1(P=0.048)、MET(P=0.010)、LAMA3(P=0.004)和LAMB3(P=0.000)的表達(dá)水平差異均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而ITGA3(P=0.127)在不同分期胰腺癌組織中的表達(dá)水平差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖6)。
胰腺癌是一種遺傳性或獲得性致癌基因突變導(dǎo)致的疾病。由于其具有起病隱匿、早期診斷困難、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移、化學(xué)治療抵抗等特點(diǎn),患者在發(fā)現(xiàn)時(shí)往往已進(jìn)展至晚期或已失去手術(shù)治療的機(jī)會(huì),因此預(yù)后較差[4]。目前,關(guān)于胰腺癌的發(fā)病機(jī)制尚未闡明。因此,深入了解胰腺發(fā)生發(fā)展過(guò)程中失調(diào)的分子是改善胰腺癌患者預(yù)后的重要途徑之一。本研究基于GEO數(shù)據(jù)庫(kù),以生物信息學(xué)的方法對(duì)癌組織和癌旁正常組織的DEGs進(jìn)行分析、篩選、整合,對(duì)胰腺癌進(jìn)展的潛在機(jī)制進(jìn)行挖掘。
圖5 Kaplan-Meier曲線分析評(píng)估5個(gè)DEGs對(duì)胰腺癌患者預(yù)后的意義Fig 5 Prognostic significance of the five DEGs for pancreatic cancer patients assessed via Kaplan-Meier analysis
在GSE28735基因芯片數(shù)據(jù)集中,共篩選出115個(gè)在胰腺癌中表達(dá)上調(diào)的基因和16個(gè)表達(dá)下調(diào)的基因。GO功能富集分析結(jié)果提示DEGs主要在細(xì)胞黏附、質(zhì)膜、蛋白質(zhì)結(jié)合中富集。KEGG通路富集主要表現(xiàn)在PI3K/AKT信號(hào)通路。綜合富集結(jié)果,可以推測(cè)細(xì)胞黏附功能相關(guān)基因的高表達(dá)與胰腺癌的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。細(xì)胞黏附分子參與細(xì)胞的識(shí)別、活化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、增殖與分化、伸展與移動(dòng)過(guò)程,是免疫應(yīng)答、炎癥發(fā)生、凝血、腫瘤轉(zhuǎn)移以及創(chuàng)傷愈合等一系列重要生理和病理過(guò)程的分子基礎(chǔ)[5]。在腫瘤細(xì)胞中經(jīng)常觀察到細(xì)胞黏附狀態(tài)改變直接促進(jìn)了癌癥的發(fā)展[6]。Bergmann等[7]在一項(xiàng)包含胰腺癌前病變、原發(fā)胰腺導(dǎo)管腺癌以及胰腺癌肝轉(zhuǎn)移組織的大樣本隊(duì)列試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),原發(fā)胰腺導(dǎo)管腺癌中L1細(xì)胞黏附分子的免疫組織化學(xué)陽(yáng)性率達(dá)92.7%,淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移率達(dá)80.0%,肝轉(zhuǎn)移率達(dá)100%,提示L1細(xì)胞黏附分子的表達(dá)與胰腺癌的惡性生物學(xué)行為密切相關(guān)。另有研究[8]表明,L1細(xì)胞黏附分子可以通過(guò)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(transforming growth factorβ1,TGF-β1)等途徑在胰腺癌的侵襲轉(zhuǎn)移中起作用。由此可見(jiàn),細(xì)胞黏附分子在胰腺癌組織與正常組織中的表達(dá)水平存在差異,且細(xì)胞黏附分子與胰腺癌的發(fā)生發(fā)展及轉(zhuǎn)移有關(guān)。
PI3K/AKT信號(hào)通路主要調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化、凋亡以及遷移等[9]。該通路活性異常不僅能導(dǎo)致細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化,而且與腫瘤細(xì)胞的遷移、黏附、腫瘤血管生成以及細(xì)胞外基質(zhì)的降解等相關(guān)[10]。已有研究[11]表明,PI3K/AKT信號(hào)通路在胰腺癌發(fā)生發(fā)展中占有重要地位。通過(guò)研究阻斷PI3K/AKT通路產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的分子機(jī)制可以為新型抗腫瘤藥物開(kāi)發(fā)提供新靶點(diǎn)和新思路,進(jìn)而增強(qiáng)化學(xué)治療藥物對(duì)胰腺癌的敏感性,使特異性抗癌新藥的研發(fā)成為可能[12]。本研究KEGG富集結(jié)果發(fā)現(xiàn)PI3K/AKT信號(hào)通路參與胰腺癌的發(fā)生發(fā)展過(guò)程,該結(jié)果為尋找胰腺癌新的治療靶點(diǎn)提供了方向。
圖6 5個(gè)DEGs在不同病理分期胰腺癌中的表達(dá)Fig 6 Expression of the five DEGs in pancreatic carcinoma with different pathological stages
通過(guò)構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò),探究DEGs表達(dá)的蛋白之間的相互作用。運(yùn)用CytoHubba插件篩選出節(jié)點(diǎn)度值最高的5個(gè)DEGs。MET、LAMA3、LAMB3對(duì)患者的OS或DFS有顯著影響并且在不同病理階段的表達(dá)水平差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,推測(cè)MET、LAMA3、LAMB3可能成為胰腺癌預(yù)后評(píng)價(jià)、診斷、靶向治療的潛在靶標(biāo)。
MET是一種原癌基因,編碼肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子的異二聚體跨膜受體酪氨酸激酶,可作為肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子(hepatocyte growth factor,HGF)的受體。HGF與MET蛋白結(jié)合可觸發(fā)PI3K/AKT信號(hào)通路、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號(hào)通路、Wnt/β-catenin信號(hào)通路和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白(signal transducer and activator of transcription,STAT)信號(hào)通路[13]。這些通路的激活可以驅(qū)動(dòng)與癌癥有關(guān)的各種生物學(xué)過(guò)程,例如細(xì)胞增殖、遷移、侵襲、凋亡抑制、上皮向間充質(zhì)轉(zhuǎn)化以及血管生成等[13-14]。據(jù)報(bào)道,在人類幾種惡性腫瘤中均發(fā)現(xiàn)了MET蛋白的失調(diào)和擴(kuò)增,其中包括胃癌[15]、結(jié)直腸癌[16]、乳腺癌[17]和非小細(xì)胞肺癌[18]。已有研究[19]證實(shí)受體酪氨酸激酶c-Met與胰腺癌的發(fā)病機(jī)制之間存在關(guān)聯(lián)。Neuzillet等[20]研究表明,胰腺癌組織中c-Met表達(dá)的增加伴隨著復(fù)發(fā)率的提高和生存時(shí)間的縮短。有文獻(xiàn)[21]表明,MET可通過(guò)激活PI3K/AKT信號(hào)通路來(lái)介導(dǎo)癌癥的發(fā)展。這與我們分析得到的結(jié)果一致。
LAMA3和LAMB3屬于層粘連蛋白家族,是常見(jiàn)的基底膜蛋白家族之一[22]。其廣泛參與許多生物過(guò)程,例如附著、遷移以及與其他細(xì)胞外基質(zhì)成分的相互作用,并且在調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移和機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起著重要作用[22-24]。研究[25]發(fā)現(xiàn),LAMA3的表達(dá)水平與胃癌的發(fā)生有關(guān),其高表達(dá)可以抑制胃癌的發(fā)生。Svoboda等[26]發(fā)現(xiàn)LAMA3基因在肝癌組織中表達(dá)水平較癌旁正常組織上調(diào)。同樣,LAMB3的高表達(dá)在甲狀腺乳頭狀癌、肝細(xì)胞癌的發(fā)生和發(fā)展中起著重要作用[27-29]。也有研究[30]表明LAMB3在胰腺癌中異常過(guò)表達(dá),并且與胰腺癌患者的OS密切相關(guān)。Zhang等[31]還發(fā)現(xiàn),LAMB3可能通過(guò)PI3K/AKT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑介導(dǎo)胰腺導(dǎo)管腺癌的侵襲和遷移。本研究發(fā)現(xiàn)胰腺癌組織中LAMA3、LAMB3的表達(dá)水平與正常胰腺組織相比明顯升高,且LAMA3、LAMB3高表達(dá)組患者預(yù)后較差,其在胰腺癌不同病理階段的表達(dá)水平的差異也存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,提示這2個(gè)基因可能在胰腺癌進(jìn)展中發(fā)揮重要的作用。
綜上所述,本研究利用數(shù)據(jù)庫(kù)分析獲得5個(gè)在胰腺癌組織異常表達(dá)的DEGs,其可能通過(guò)PI3K/AKT信號(hào)通路介導(dǎo)胰腺癌的進(jìn)展。其中MET、LAMA3和LAMB3的表達(dá)升高與患者的不良預(yù)后有關(guān)。然而,目前對(duì)MET、LAMA3、LAMB3的上下游調(diào)控關(guān)系及蛋白之間的相互作用關(guān)系尚不明晰,其作為胰腺癌預(yù)后評(píng)判和分子治療靶標(biāo)的價(jià)值仍有待于進(jìn)一步研究。
參·考·文·獻(xiàn)
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