周洪晨,劉洪濤,張成,汪穎厚
(錦州醫(yī)科大學(xué)北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院研究生培養(yǎng)基地,遼寧 沈陽(yáng) 110015)
結(jié)直腸癌(CRC)是一種發(fā)生于結(jié)腸或直腸血腦屏障的異質(zhì)性疾?。?]。盡管幾年前CRC 的發(fā)病率相對(duì)較低,但最近的發(fā)病率和死亡率不斷上升[2]。到目前為止,盡管有眾多結(jié)直腸癌早期篩查的方法,其中又以結(jié)腸鏡的敏感性和特異性最佳,但結(jié)腸鏡是一種侵入性質(zhì)的檢查,使其難以廣泛應(yīng)用于早期檢查[3]。因此CRC 的早期診斷依舊是一個(gè)全球性的問(wèn)題[4]。我們迫切需要一種低成本、無(wú)創(chuàng)的方法,包括對(duì)早期診斷有價(jià)值的新型生物標(biāo)志物。研究表明,結(jié)直腸癌發(fā)生率受到營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的強(qiáng)烈影響,不健康的高脂肪/高碳水化合物的飲食顯著促進(jìn)了CRC 病例[5]的增加。結(jié)直腸癌的發(fā)生通常是一個(gè)漫長(zhǎng)和復(fù)雜的過(guò)程,包括從正常上皮細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化成為癌細(xì)胞的幾個(gè)步驟,涉及到大量的基因變化,導(dǎo)致各種表型改變[6]。其中大量因子參與了這個(gè)過(guò)程[7]。而有研究表明,透明質(zhì)酸介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)受體(hyaluronan mediated motility rcecptor,HMMR)基因在許多癌癥的病理中起著重要作用。其中HMMR 蛋白在乳腺腫瘤細(xì)胞破壞周圍基質(zhì)中發(fā)揮著一定作用[8]。此外,有報(bào)道稱HMMR 已被證實(shí)與肺癌患者總生存率降低有關(guān)[9]。
腫瘤的發(fā)生發(fā)展是由細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)及其他細(xì)胞的相互作用完成的。而透明質(zhì)酸是細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的主要組成成分,其在細(xì)胞基本行為中發(fā)揮了重要的作用。HMMR 也稱為CD168,在最初的時(shí)候被認(rèn)為是一種新型透明質(zhì)酸受體[10]。HMMR 與透明質(zhì)酸、鈣調(diào)蛋白、肌動(dòng)蛋白以及細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶信號(hào)通路成分之間相互作用,在細(xì)胞遷移及粘附等過(guò)程中起到了重要的作用。并在透明質(zhì)酸、TGF-β 或PDGF 的作用下,HMMR 可激活多種信號(hào)級(jí)聯(lián)[11]。此外,HMMR 可以調(diào)控MEK1 和ERK1/2,從而保持有絲分裂紡錘體的完整性、調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的進(jìn)展以及控制細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)重組和降解的基因的表達(dá)。在許多腫瘤中,HMMR 的過(guò)表達(dá)均被證實(shí)與疾病進(jìn)展有關(guān)。但關(guān)于HMMR 與CRC 的關(guān)系,及其分子機(jī)制的研究尚報(bào)道較少。因此,本文旨在通過(guò)生物信息分析以及免疫組化驗(yàn)證等方式進(jìn)一步研究HMMR 與CRC 發(fā)生發(fā)展及預(yù)后的關(guān)系。
在本研究中,我們從以O(shè)ncomine 數(shù)據(jù)庫(kù)為主的多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取了HMMR 在結(jié)直腸癌組織及癌旁組織的表達(dá)情況。并通過(guò)Oncomine 數(shù)據(jù)庫(kù)提供的臨床信息,分析了HMMR 表達(dá)與CRC 臨床病理特征及生存預(yù)后之間的關(guān)系。此外還利用了GO富集分析、String 蛋白互作網(wǎng)絡(luò)、KEGG 通路分析等研究與HMMR 調(diào)控機(jī)制可能有關(guān)的通路。以期證明HMMR 是一個(gè)與CRC 診斷及預(yù)后有關(guān)的標(biāo)志物。
先通過(guò)TCGA 數(shù)據(jù)庫(kù)下載基因數(shù)集,再采用“edgeR 包”對(duì)上述基因表達(dá)矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)換與分析[以P<0.05、logFC(fold change)>4 或logFC<-4]為篩選條件,從而得到結(jié)直腸癌中差異基因集(見(jiàn)圖1),并制作火山圖。并從中篩選出差異基因HMMR。
圖1 結(jié)直腸癌中差異基因表達(dá)圖
1.2.1 HMMR 在結(jié)直腸癌與正常結(jié)直腸組織中的差異 使用 Oncomine 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.oncomine.org/)檢索條件:①Cancer Type:Colorectal cancer;②Gene: HMMR;③Analysis Type: Cancer vs.Normal Analysis;④臨界值設(shè)定條件(P value<1E-4,fold change>2),分析結(jié)直腸癌組織與正常組織的基因差異表達(dá)并篩選出目的基因HMMR;證明HMMR 在結(jié)直腸癌中顯著高表達(dá)。利用BioGPS 數(shù)據(jù)庫(kù)(http://biogps.org/#goto=welcome)檢索條件,檢索條件:Gene:HMMR,分析目的基因HMMR 在正常人體各種組織及細(xì)胞中的表達(dá)情況。使用HPA 數(shù)據(jù)庫(kù)(The Human Protein Atlas)檢索條件,檢索條件:Gene:HMMR,下載HMMR 在結(jié)直腸癌及正常結(jié)直腸組織中的免疫組化染色圖片。
1.2.2 臨床病理資料分析 使用Ualcan 數(shù)據(jù)庫(kù)(http://ualcan.path.uab.edu/index.html)檢索條件:Gene: HMMR,Cancer Type: Colorectal cancer,分析HMMR 的表達(dá)與臨床病理資料的相關(guān)性。
1.2.3 患者生存預(yù)后分析 使用GEPIA 數(shù)據(jù)庫(kù)(http://gepia.cancer-pku.cn/)檢索條件:Gene:HMMR,Log2 FC≥1,P<0.01,Cancer Type: Colorectal cancer 以及COX 分析目的基因HMMR 在結(jié)直腸癌及正常組織中的表達(dá)情況以及HMMR 的表達(dá)對(duì)結(jié)直腸癌患者生存預(yù)后的影響。
1.2.4 蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖、GO 富集分析及KEGG通路分析 使用String 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://string-db.org/)檢索條件:Protein Name: HMMR,制作PPI蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖。使用Linkedomics 數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.linkedomics.org/)檢索條件,檢索條件:Gene: HMMR。以及使用DAVID 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://david.ncifcrf.gov/)檢索條件,檢索條件:Gene:HMMR。進(jìn)行GO 功能注釋和KEGG 通路富集分析。
1.2.5 免疫浸潤(rùn)及亞型分析 使用TISIDB 數(shù)據(jù)庫(kù)(http://cis.hku.hk/TISIDB)檢索條件,檢索條件:①"Cancer: Colorectal cancer";②"Gene: HMMR",用于分析HMMR 在CD4+T 細(xì)胞、CD8+T 細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等免疫浸潤(rùn)細(xì)胞中的表達(dá)以及HMMR 在結(jié)直腸癌的不同分子亞型和免疫亞型表達(dá)的差異。
HMMR 表達(dá)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的共有72項(xiàng),其中HMMR 高表達(dá)的研究64 項(xiàng),HMMR 在結(jié)直腸癌中高表達(dá)的研究有9 項(xiàng)(見(jiàn)圖2),研究中低表達(dá)的有8 項(xiàng)。在肺癌、乳腺癌等大部分腫瘤中HMMR 呈現(xiàn)為高表達(dá);而在血液系統(tǒng)腫瘤中呈現(xiàn)為低表達(dá)(見(jiàn)圖3)。
圖2 HMMR 在結(jié)直腸癌中表達(dá)情況
圖3 HMMR mRNA 在不同腫瘤中的表達(dá)情況
Oncomine 數(shù)據(jù)庫(kù)檢索顯示,在涉及的9 個(gè)關(guān)于HMMR 與結(jié)直腸癌關(guān)系的研究中(見(jiàn)圖4),此類研究分別發(fā)表于Mol Cancer Res,PLoS One,TCGA Colorectal。與正常組對(duì)比,HMMR mRNA 在所有差異基因中其中位數(shù)值排名為325.0,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),提示HMMR 在結(jié)直腸癌中顯著高表達(dá)。
圖4 HMMR 在結(jié)直腸癌各個(gè)研究中的結(jié)果分析
通過(guò)GEPIA 數(shù)據(jù)庫(kù)分析后顯示,與正常組織相比,HMMR 在結(jié)直腸癌組織中表達(dá)水平明顯升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見(jiàn)圖5。
圖5 HMMR 在結(jié)直腸癌和正常結(jié)直腸組織中的不同表達(dá)情況
BioGPS 數(shù)據(jù)庫(kù)分析后顯示,HMMR 在結(jié)直腸癌中高表達(dá),在正常結(jié)直腸組織、T 細(xì)胞和B 細(xì)胞中均是低表達(dá),見(jiàn)圖6。
圖6 HMMR 在正常人體組織和細(xì)胞中的表達(dá)圖
先通過(guò)從HPA 數(shù)據(jù)庫(kù)下載HMMR 在結(jié)直腸癌及正常組織的免疫組化染色圖片。得出結(jié)果,結(jié)直腸癌組織中HMMR 染色成陽(yáng)性(見(jiàn)圖7A),配對(duì)癌旁組織中HMMR 表達(dá)呈陰性(見(jiàn)圖7B)。
圖7 HMMR 在結(jié)直腸癌及正常組織的免疫組化染色圖
通過(guò)Ualcan 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行HMMR 基因表達(dá)與臨床病理資料相關(guān)性分析,納入286 例腫瘤樣本、41 例正常組織樣本。分析結(jié)果顯示在stage分期、性別、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等亞組中,HMMR 在結(jié)直腸癌中的表達(dá)均顯著高于正常組織,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),見(jiàn)圖8A-F。其中在結(jié)腸癌中不同stage 分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)見(jiàn)圖8A、8E。而在直腸癌中不同性別中存在組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),見(jiàn)圖8D。
圖8 HMMR 基因表達(dá)與臨床病理資料相關(guān)性分析圖
通過(guò)GEPIA 數(shù)據(jù)庫(kù)OS/RFS 結(jié)果顯示,HMMR mRNA 高表達(dá)組結(jié)直腸癌患者的OS 較低表達(dá)組顯著延長(zhǎng)(=0.55,P<0.01);HMMR mRNA 高表達(dá)組結(jié)直腸癌患者的RFS 較低表達(dá)組,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(=0.84,P>0.05)(見(jiàn)圖9、圖10)。
圖9 HMMR 的表達(dá)和結(jié)直腸癌患者總生存期的關(guān)系
圖10 HMMR 的表達(dá)和結(jié)直腸癌患者無(wú)進(jìn)展生存期的關(guān)系
圖10 HMMR 的表達(dá)和結(jié)直腸癌患者無(wú)進(jìn)展生存期的關(guān)系
Cox 分析顯示HMMR 基因是結(jié)直腸癌患者OS的良好預(yù)后因子,其中為0.436,95%CI為0.254~0.746,P=0.002,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。此外,遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、浸潤(rùn)深度是結(jié)直腸癌患者OS 的危險(xiǎn)因素。見(jiàn)表1。
表1 影響結(jié)直腸癌患者OS 的單因素分析
利用String 數(shù)據(jù)庫(kù)尋找HMMR 相互關(guān)聯(lián)基因18 組,并構(gòu)建HMMR 相關(guān)蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖(見(jiàn)圖11)。其中HMMR 與經(jīng)典癌癥指標(biāo)CD44 具有關(guān)聯(lián)性。
圖11 HMMR 相互關(guān)聯(lián)蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖
先通過(guò)Linkedomics 數(shù)據(jù)庫(kù)中篩出與HMMR共表達(dá)基因有PTTG1/CDC25C/NCAPG/CENPE 等538 種,再根據(jù)正相關(guān)、負(fù)相關(guān)分組并繪制火山圖(見(jiàn)圖12)。再通過(guò)DAVID 數(shù)據(jù)庫(kù)分別進(jìn)行GO 及KEGG 分析。主要涉及的KEGG 信號(hào)通路包括細(xì)胞周期信號(hào)通路、P53 相關(guān)信號(hào)通路、卵母細(xì)胞減數(shù)分裂信號(hào)通路;細(xì)胞組分主要集中在細(xì)胞中心體、微管細(xì)胞骨架、紡錘體、細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞核等10 類;分子功能有蛋白激酶結(jié)合、微管結(jié)合、組蛋白激酶活性、蛋白綁定等5 類;生物學(xué)過(guò)程有有絲分裂核分裂、細(xì)胞分裂、有絲分裂紡錘體組裝以及有絲分裂G2/M 轉(zhuǎn)變等11 類過(guò)程,見(jiàn)表2。
圖12 HMMR 共表達(dá)基因
表2 HMMR 和相關(guān)基因的GO 功能注釋和KEGG 通路富集
通過(guò)TISIDB 數(shù)據(jù)庫(kù)研究發(fā)現(xiàn),HMMR mRNA與NK 細(xì)胞、B 細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、CD4+T 細(xì)胞和肥大細(xì)胞等細(xì)胞在結(jié)直腸癌組織的免疫微環(huán)境中的表達(dá)明顯相關(guān),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01);而與中性粒細(xì)胞、CD8+T 細(xì)胞在結(jié)直腸癌組織免疫微環(huán)境中的表達(dá)無(wú)確切關(guān)系,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)(見(jiàn)圖13)。其中HMMR mRNA 表達(dá)水平與CD4+T、Th2 細(xì)胞呈正相關(guān);而與其余免疫細(xì)胞呈負(fù)相關(guān)(見(jiàn)圖14)。
圖13 HMMR 與各個(gè)腫瘤免疫細(xì)胞間的相關(guān)性
續(xù)圖13 HMMR 與各個(gè)腫瘤免疫細(xì)胞間的相關(guān)性
圖14 HMMR 在結(jié)直腸癌中與腫瘤免疫細(xì)胞間的相關(guān)性
在結(jié)直腸癌的分子亞型中,HMMR 在超突變單核苷酸受體(HM-SNV)表達(dá)最高,在基因組穩(wěn)定性(GS)中表達(dá)最低(見(jiàn)圖15)(P<0.01)。在結(jié)直腸癌的免疫分型中,HMMR 在IFN-γ 為主型表達(dá)最高,在炎癥性表達(dá)最低(見(jiàn)圖16)(P<0.01)。
圖15 HMMR 在結(jié)直腸癌的不同分子亞型中的表達(dá)
圖16 HMMR 在結(jié)直腸癌的不同免疫亞型中的表達(dá)
細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起到了重要作用。正常細(xì)胞的分裂分為G0、G1、S、G2以及M 五個(gè)階段,而在癌細(xì)胞的分裂過(guò)程中常伴有絲分裂相關(guān)因子以及蛋白的表達(dá)異常。在有絲分裂過(guò)程中,著絲點(diǎn)準(zhǔn)確地附著在染色體上,以保證其準(zhǔn)確的分離。有絲分裂紡錘體的形成與細(xì)胞分裂、染色體的分離起到了關(guān)鍵性的作用[12]。HMMR 的表達(dá)受細(xì)胞周期調(diào)節(jié),主要在G2晚期以及有絲分裂早期之間的峰值表達(dá)。HMMR 定位于紡錘體極,通過(guò)與微管的結(jié)合,進(jìn)而使得紡錘體高度穩(wěn)定,并通過(guò)激活紡錘體調(diào)控位點(diǎn),進(jìn)而在整個(gè)細(xì)胞周期過(guò)程中維持了紡錘體的完整性及穩(wěn)定性。在GUO 等[13]報(bào)道,HMMR 的高表達(dá)與組織分級(jí)、病理分期和生存狀態(tài)顯著相關(guān),HMMR在肝癌中表達(dá)為高水平。HMMR 的高表達(dá)可能是肝癌的不利預(yù)測(cè)因素。LI 等[14]研究表明HMMR在肺腺癌組織中處于高水平,同時(shí),HMMR 可能促進(jìn)了肺腺癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲。YE 等[15]報(bào)道,未分化多形性肉瘤(UPS)中含有大量細(xì)胞外基質(zhì)(ECM),包括透明質(zhì)酸(HA)。而透明質(zhì)酸介導(dǎo)的HA 受體(HMMR)的表達(dá)在正常組織中呈現(xiàn)低表達(dá),而在UPS 中表達(dá)上調(diào)。此外,HMMR 的高表達(dá)與較差的臨床結(jié)局相關(guān)。通常來(lái)說(shuō),HMMR 在大多數(shù)正常組織中呈低表達(dá),但在一些增生性組織如脾臟、睪丸、胎盤(pán)和胸腺中表達(dá)升高[16]。另一些癌癥中,低表達(dá)的HMMR 往往提示預(yù)后較差。例如,超過(guò)一半的惡性周圍神經(jīng)鞘腫瘤中HMMR 表達(dá)下調(diào)[17];HMMR 表達(dá)在絕大多數(shù)的精原細(xì)胞瘤中降低[18]。上述研究表明HMMR 基因在不同類型腫瘤中可能發(fā)揮著不同的作用。
目前關(guān)于HMMR 在結(jié)直腸癌中的具體作用機(jī)制研究尚存爭(zhēng)議。因此,本研究旨在通過(guò)生物信息學(xué)深入分析HMMR 基因,并探索HMMR 在結(jié)直腸癌與正常組織中的不同表達(dá)及與免疫細(xì)胞浸潤(rùn)、預(yù)后的關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn),HMMR 在大部分腫瘤中呈高表達(dá),表達(dá)增高的研究64 項(xiàng),表達(dá)降低的研究8 項(xiàng),HMMR 在結(jié)直腸癌中高表達(dá)的研究有9 項(xiàng)。在其他癌中,在肺癌、乳腺癌、肝癌等HMMR 呈現(xiàn)為高表達(dá);而在血液系統(tǒng)腫瘤中呈現(xiàn)為低表達(dá)。這一結(jié)果與他人研究相一致。通過(guò)GEPIA 數(shù)據(jù)庫(kù)分析發(fā)現(xiàn),HMMR 基因的表達(dá)水平對(duì)結(jié)直腸癌患者的OS 存在顯著影響,HMMR mRNA 高表達(dá)組結(jié)直腸癌患者的OS 顯著延長(zhǎng),表明HMMR 高表達(dá)的結(jié)直腸癌患者預(yù)后可能會(huì)更好。繼續(xù)通過(guò)Linkedomics 數(shù)據(jù)庫(kù)挖掘到與HMMR共表達(dá)基因,并對(duì)其進(jìn)行功能注釋和KEGG 通路富集分析,發(fā)現(xiàn)主要涉及的KEGG 信號(hào)通路包括有細(xì)胞周期信號(hào)通路、P53 相關(guān)信號(hào)通路;功能注釋主要涉及微管結(jié)合、有絲分裂紡錘體組裝以及有絲分裂G2/M 轉(zhuǎn)變等。HMMR 在有絲分裂早期與紡錘體的微管特異性結(jié)合,使得紡錘體高度穩(wěn)定,加強(qiáng)了細(xì)胞周期G2/M 期檢測(cè)點(diǎn)對(duì)腫瘤細(xì)胞的監(jiān)控,進(jìn)而促使結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞凋亡并抑制其增殖。通過(guò)TISIDB 數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)現(xiàn),HMMR 與NK 細(xì)胞、B細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、CD4+T 細(xì)胞和肥大細(xì)胞等細(xì)胞在結(jié)直腸癌組織的免疫微環(huán)境中的表達(dá)明顯相關(guān)。推測(cè)是HMMR 參與了多種免疫細(xì)胞的免疫防御功能,減少了腫瘤細(xì)胞對(duì)免疫細(xì)胞的抑制作用,提高了結(jié)直腸癌患者機(jī)體防御力[19-20],從而延長(zhǎng)結(jié)直腸癌患者總體生存期。通過(guò)Ualcan 數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)現(xiàn),在結(jié)直腸癌的不同Stage 分期中,HMMR 在Ⅰ期的表達(dá)顯著高于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ期;在結(jié)直腸癌的不同淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中,HMMR 在N0 組的表達(dá)顯著高于N1、N2 組。這也同樣證實(shí)了,HMMR 促使了結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞凋亡并抑制其增殖。
綜上所述,我們通過(guò)對(duì)結(jié)直腸癌組織中HMMR 相關(guān)基因信息的深入挖掘,進(jìn)一步證明了HMMR 在CRC 患者中確實(shí)為高表達(dá),且與結(jié)直腸癌的預(yù)后及免疫細(xì)胞浸潤(rùn)密切相關(guān)。今后可能作為CRC 患者潛在的分子標(biāo)志物。相較于傳統(tǒng)單一實(shí)驗(yàn)樣本的研究,腫瘤數(shù)據(jù)庫(kù)具有樣本量大、可信度高等優(yōu)點(diǎn),對(duì)疾病的診治與分析提供了強(qiáng)有力的生物學(xué)依據(jù),也為進(jìn)一步探索HMMR 基因與結(jié)直腸癌的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。