李飛飛，王韻，顧冀海,2，張玉明,2，柳峰松,2，倪志華,2

研究報告

E2F家族轉錄因子在腫瘤發(fā)生中的作用

李飛飛1，王韻1，顧冀海1,2，張玉明1,2，柳峰松1,2，倪志華1,2

1. 河北大學生命科學學院，保定 071002 2. 河北省動物系統(tǒng)學與應用重點實驗室，保定 071002

腫瘤嚴重威脅人類健康，轉錄因子是腫瘤治療的潛在靶點。作為重要的轉錄因子家族，E2F在細胞增殖與調(diào)控進程中發(fā)揮重要作用。然而，E2F家族轉錄因子在腫瘤發(fā)生進程中的表達規(guī)律、基因功能和分子互作等關鍵信息尚不清晰。基于此，本研究對TCGA數(shù)據(jù)庫中我國10種高發(fā)腫瘤的轉錄組測序數(shù)據(jù)、突變數(shù)據(jù)和蛋白質互作數(shù)據(jù)進行整合分析，探究E2F家族轉錄因子的表達、結構、功能、突變和系統(tǒng)發(fā)生特征。結果顯示，E2F家族轉錄因子中的和基因在多種腫瘤樣本中規(guī)律性上調(diào)表達，參與調(diào)控細胞周期、細胞衰老等信號通路；其中，E2F1作為重要的調(diào)控因子與其他蛋白的相互作用最多。值得指出的是，E2F家族轉錄因子的基因突變類型在腫瘤類型和患者性別中均存在差異，基因擴增占比最大。系統(tǒng)發(fā)生分析顯示，E2F家族轉錄因子的結構在包括果蠅、線蟲和人類在內(nèi)41個物種中保守，并且它們在物種演化過程中表現(xiàn)出基因擴張傾向。綜上所述，本研究闡明了E2F家族轉錄因子在我國高發(fā)腫瘤中的表達規(guī)律、突變特征和演化規(guī)律，提示E2F家族轉錄因子是相關腫瘤疾病的新型分子診斷標志物，為抗腫瘤靶向藥物研發(fā)提供理論依據(jù)。

E2F1；E2F7；基因家族；結構

全球癌癥統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，世界范圍內(nèi)每年新增癌癥病例1930萬以上，占全球人口總數(shù)的2.5%[1,2]。在中國新發(fā)癌癥病例中，發(fā)病人數(shù)位居前10的腫瘤類型是肺腺癌(lung adenocarcinoma，LUAD)、肺鱗癌(lung squamous cell carcinoma，LUSC)、乳腺癌(breast invasive carcinoma，BRCA)、結腸腺癌(colon adenocarcinoma，COAD)、肝細胞癌(liver hepatoce-llular carcinoma，LIHC)、胃腺癌(stomach adenocar-cinoma, STAD)、膽管癌(cholangiocarcinoma，CHOL)、食管癌(esophageal carcinoma, ESCA)、直腸腺癌(rectum adenocarcinoma, READ)和甲狀腺癌(thy-roid carcinoma, THCA)[1]。現(xiàn)有研究已發(fā)現(xiàn)了一批與癌癥發(fā)病相關的重要基因[3～9]，如[3,4]、[5,10]、[6]等。由于腫瘤的種類多、發(fā)病機制復雜，疾病相關的生物學機制一直是基礎醫(yī)學領域的研究熱點[10～16]。關注癌癥的相關基因和代謝通路，有助于發(fā)現(xiàn)更多分子診斷標志物和治療靶點。

轉錄因子通過調(diào)控基因轉錄和表達，參與細胞增殖、分化、發(fā)育、凋亡和遷移等多項重要的生物學過程，是公認的癌癥發(fā)生參與者[17,18]。作為腫瘤治療的潛在靶點，轉錄因子已經(jīng)受到廣泛關注[19～25]。例如，與乳腺癌、肺癌等相關的轉錄因子SOX2和KRAS已經(jīng)引起學者重視[26～30]。作為人類基因組中65個轉錄因子家族[29]之一，E2F家族轉錄因子(E2F family transcription factors，E2Fs)共有11個成員，被命名為E2F1～E2F8和TFDP1～TFDP3，在細胞增殖和細胞周期進程調(diào)節(jié)中發(fā)揮關鍵作用[31～33]。不同E2Fs在轉錄調(diào)控中的作用不同：E2F1和E2F2常作為轉錄激活劑(transcription activators)，E2F4和E2F5作為轉錄阻遏物(transcriptionrepressors)，E2F6～ E2F8則是作為轉錄抑制劑(transcriptional inhibi-tors)[34]。E2F1在肺癌等惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中起著重要的作用[35]。Wang等[36]報道E2F1通過激活基因的轉錄，可增強非小細胞肺癌的細胞遷移、生存能力和侵襲能力，并影響非小細胞肺癌的腫瘤進程和轉移。在黑色素瘤中，過表達的E2F1可誘導抗凋亡蛋白Mcl-1的降解和ASK1/JNK和p38通路的激活，進而觸發(fā)凋亡[37]。E2F7不僅作為轉錄抑制因子參與細胞周期調(diào)控[38]，還參與了腫瘤的細胞增殖和轉移，沉默基因的表達會誘發(fā)細胞凋亡[39]。Toolabi等[40]發(fā)現(xiàn)E2F1和E2F7在結腸癌中作為最重要的轉錄因子，與大量蛋白發(fā)生相互作用。此外，E2F7還可能參與介導了免疫細胞浸潤[34,41]。雖有文獻報道E2F1和E2F7在肺癌[34,42]、結直腸癌[43]和胃癌[44]等個別腫瘤中出現(xiàn)表達上調(diào)，但均是基于單一腫瘤類型的研究結論，未有系統(tǒng)的橫向比較、分析和歸納。在我國，肺腺癌等高發(fā)腫瘤患者人數(shù)占我國癌癥患者總數(shù)的60.5%以上[1]。E2Fs在高發(fā)癌癥發(fā)生中的表達模式還有待探討，相關研究亟待開展。

目前，E2Fs相關信息可在數(shù)據(jù)庫AnimalTFDB[45]中開放獲取。大規(guī)模測序已經(jīng)為癌癥發(fā)病相關的重要轉錄因子篩選和分析提供了可能。本研究通過分析E2Fs在我國10種高發(fā)腫瘤中的表達、突變情況，闡述該家族的基因結構、保守結構域和基因的擴增趨勢，旨在揭示E2Fs在癌癥發(fā)生進程中的功能，為腫瘤的分子診斷提供數(shù)據(jù)參考，也為抗腫瘤藥物的研發(fā)提供新的潛在藥物靶點。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取我國高發(fā)的10種腫瘤類型，使用TCGAbiolinks (version 2.25.3)下載TCGA數(shù)據(jù)庫(https://portal.gdc.cancer.gov/)包括乳腺癌(BRCA)、結腸腺癌(COAD)、肝細胞癌(LIHC)、胃腺癌(STAD)、肺腺癌(LUAD)、肺鱗癌(LUSC)、膽管癌(CHOL)、食管癌(ESCA)、直腸腺癌(READ)和甲狀腺癌(THCA)腫瘤樣本及其對照樣本的轉錄組測序數(shù)據(jù)(表1)。E2Fs信息來自AnimalTFDB 3.0數(shù)據(jù)庫[34](http:// bioinfo.life.hust.edu.cn/AnimalTFDB/#!/)。根據(jù)Time-tree (http://timetree.org/)中物種的進化規(guī)律，選擇包括線蟲()、果蠅()到小鼠()，黑猩猩()和人類()等41個物種的E2F基因家族(物種和基因信息見附表1)進行系統(tǒng)發(fā)生分析。

1.2 差異表達基因分析

使用edgeR軟件[46]對下載自TCGA數(shù)據(jù)庫的轉錄組數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理和歸一化，采用Wilcoxon秩和檢驗分析腫瘤標本和正常組織標本之間的差異表達基因并計算值和差異倍數(shù)。差異表達基因的閾值設定為|log2(fold change)| > 1和0.05。提取E2F1和E2F7的表達數(shù)據(jù)，使用log2(counts) 繪制基因的表達情況，并采用test進行統(tǒng)計學檢驗。檢索UALCAN數(shù)據(jù)庫(http://ualcan.path.uab.edu/index. html) 24種腫瘤(附表2)中E2F1和E2F7基因的表達情況，與本研究的分析結果進行比較。

表1 癌癥樣本數(shù)據(jù)分組信息

1.3 轉錄因子的功能注釋與互作網(wǎng)絡識別

使用ClusterProfile軟件[47]進行基因GO注釋和KEGG通路富集分析，閾值均設為0.05。通過STRING (https://string-db.org/)和GeneMANIA (https:// genemania.org/)構建蛋白質-蛋白質相互作用網(wǎng)絡。

1.4 基因突變分析

使用數(shù)據(jù)庫cBioPortal for Cancer Genomics (https://www.cbioportal.org/)的在線工具，分析和可視化TCGA數(shù)據(jù)庫包含2922個樣本的E2Fs基因突變情況。

1.5 保守基序的鑒定

使用MEME Version 5.5.0 (https://meme-suite. org/meme/tools/meme)鑒定E2Fs的蛋白質保守基序，并使用TBtools軟件進行保守結構域、外顯子、內(nèi)含子、基序元件繪圖。

1.6 染色體定位和共線性分析

參照人類基因組注釋文件(GRCh38.p13)使用JCVI(v1.2.7)在全基因組基因水平上進行人類E2Fs的共線性分析，并對人與斑馬魚()雞()非洲爪蟾()小鼠黑猩猩5個物種的共線性分析，以識別基于CDS的共線性基因。

1.7 系統(tǒng)發(fā)生分析

使用CAFE 5[48]進行基因擴張/收縮分析。Muscle 5.1.linux64軟件進行全局多序列比對，使用Fasttree軟件構建基于最大似然法的系統(tǒng)發(fā)育樹，自展值為1000。使用在線網(wǎng)站Evolview v3 (http://www. evolgenius.info/evolview/#/)進行系統(tǒng)發(fā)育樹可視化。

2 結果與分析

2.1 E2F1和E2F7基因在10種癌癥中規(guī)律性上調(diào)表達

與正常樣本相比，10種高發(fā)腫瘤樣本中的和基因均上調(diào)表達(<0.05，圖1A)。其中，肝細胞癌中基因上調(diào)表達最多，上調(diào)表達了3.57倍；肺腺癌中上調(diào)表達最少，上調(diào)表達了1.53倍?；虻谋磉_情況與基因的基本一致：膽管癌上調(diào)表達最多，上調(diào)表達了4.52倍；甲狀腺癌上調(diào)表達水平最低，為1.45倍。進一步分析發(fā)現(xiàn)，UALCAN數(shù)據(jù)庫中，包括本研究所選10種高發(fā)腫瘤在內(nèi)的24種癌癥樣本中基因(圖1B)和基因(圖1C)均上調(diào)表達。結果證實，和基因在多數(shù)癌癥中均規(guī)律性上調(diào)表達。由于E2F1和E2F7同屬E2F轉錄因子家族，有必要深入探討E2Fs的結構和系統(tǒng)發(fā)生特點，為癌癥的發(fā)病原因提供分子層面的依據(jù)。

圖1 E2F1和E2F7基因在腫瘤樣本中上調(diào)表達

A：和基因在10種中國高發(fā)癌癥中表達上調(diào)；B：UALCAN數(shù)據(jù)庫中基因的上調(diào)表達情況；C：UALCAN數(shù)據(jù)庫中基因的表達情況。*：0.05；**：0.005; ***：0.001。

此外，其他E2Fs雖大部分成員出現(xiàn)表達量提高，但不同腫瘤樣本中表達量的改變情況不同?；蛟诔齃ICH和THCA的8種高發(fā)腫瘤中表達上調(diào)(0.05)?；蛟诔鼵OAD、STAD、READ和THCA的6種高發(fā)腫瘤中表達上調(diào)(0.05)。基因在BRCA、COAD、LIHC等6種高發(fā)腫瘤中表達上調(diào)(0.05)?；蛟贐RCA、LIHC和LUAD等6種腫瘤中表達上調(diào)(0.05)?；蛟贓SCA和LUSC等2種腫瘤中表達上調(diào)?；騼H在READ中表達上調(diào)(0.05)?；騽t僅在LIHC中表達上調(diào)。和基因則在10種高發(fā)腫瘤中均沒有表現(xiàn)出顯著的表達量的差異。

2.2 E2Fs通過蛋白質相互作用參與細胞周期調(diào)控

作為轉錄調(diào)控分子，E2Fs與DNA的轉錄激活與抑制、啟動子結合等功能相關。本研究中，GO富集分析結果顯示，E2Fs基因所涉及的生物學過程主要是有絲分裂的細胞周期轉換，特別是有絲分裂過程中細胞從G1期向S期的轉換和調(diào)控等(圖2A)。KEGG通路分析顯示，E2Fs主要參與細胞周期、細胞衰老等信號通路以及由細胞周期紊亂所導致的膀胱癌、黑色素瘤、非小細胞肺癌等多種癌癥(圖2B)。

圖2 E2Fs的功能和蛋白質相互作用分析

A：E2Fs基因的GO富集；B：E2Fs的KEGG通路分析結果；C：應用GeneMANIA構建的E2Fs與其他蛋白質相互作用網(wǎng)絡；D：應用String構建的E2Fs之間的相互作用網(wǎng)絡。

GO富集和KEGG通路分析的結果得到了相互證實，但不同E2Fs成員在細胞周期調(diào)控中的作用不同。在KEGG富集結果中，E2F6、E2F7、E2F8和TFDP3沒有富集到特定的通路上。為確定E2Fs的功能，本研究使用GeneMANIA數(shù)據(jù)庫分析與E2Fs發(fā)生相互作用的蛋白質。結果顯示，E2Fs除可相互結合外，還可以與RB1、RB樣蛋白，RFX家族蛋白，VPS36，HSF家族蛋白等與細胞周期調(diào)控相關的蛋白發(fā)生結合。E2F2和E2F6蛋白的分子功能僅包括形成轉錄復合物，而E2F1、E2F4、E2F7、E2F8和TFDP1～3則在細胞周期調(diào)控、細胞有絲分裂G1期向S期的轉化過程中起調(diào)控作用(圖2C)。進一步使用STRING數(shù)據(jù)庫查看E2Fs各成員之間的蛋白質-蛋白質相互作用。結果發(fā)現(xiàn)，該家族成員之間的相互作用的邊為37，遠高于預期值1(10–16)(圖2D)，這進一步證明雖然在GO富集和KEGG通路分析中有些E2Fs的功能沒有得到注釋，但是這些分子或是通過與家族其他成員結合發(fā)揮重要作用。此外，E2F1與該家族的其他成員之間的相互作用最多，其次是TFDP1。E2F6～8以及TFDP3均與E2F1發(fā)生相互作用。GeneMANIA數(shù)據(jù)庫和STRING數(shù)據(jù)庫均顯示E2Fs可以和多種蛋白質發(fā)生相互作用，這提示可能是在GO和KEGG注釋中，E2Fs特別是E2F7、E2F8和TFDP3的功能被低估。

2.3 不同癌癥中E2Fs的突變類型和突變比例不同

基因突變分析結果顯示，包括高發(fā)癌癥在內(nèi)的24種癌癥中，E2Fs的基因突變比例不同，突變的類型也不盡相同(圖3A)。在膀胱癌(BLCA)中E2Fs的基因突變率可達30%以上，而在甲狀腺癌中基因突變率僅有約1%。此外，在大部分腫瘤樣本中，E2Fs的基因突變類型以基因擴增、堿基突變和基因缺失為主。而在胸腺癌(thymoma，THYM)樣本中，E2Fs主要發(fā)生的是基因擴增與缺失突變。

圖3 癌癥中E2Fs的突變類型和比例

A：24種癌癥中，E2Fs的突變比例和突變類型；B：E2Fs各成員在癌癥樣本中的突變比例和類型。

如圖3B所示，E2Fs各成員在24種癌癥樣本中的突變比例和類型不同。其中，基因突變率最高(13%)，基因次之(9%)，基因的突變率最低(圖3B)。大部分E2Fs的基因突變類型以基因擴增為主，還包括少數(shù)的基因缺失和錯義突變等；而的突變類型以基因缺失為主，基因擴增的比例較少。此外，大部分E2Fs的基因突變類型和比例在不同性別癌癥患者中是一致的(圖3B)。但是，基因在男性患者中發(fā)生缺失的比例更高；而在女性患者中，基因除發(fā)生缺失突變外，還有一定比例的基因擴增(圖3B)。

2.4 E2Fs蛋白具有保守的結構域和基序組成

人類E2Fs的蛋白結構相對保守，11個E2Fs成員都含有motif 1 (圖4A，表2)。此外，E2F1～E2F5均包含motif 1～motif 3，且有相似的位置與排列。其中，E2F1～E2F3的motif排列與結構更相似，而E2F4和E2F5的基序位置與排列更相似。E2F7和E2F8蛋白只有motif 1和motif 2兩種基序(表2)。TFDP1、TFDP2、TFDP3成員含有motif 1、3、4和5序列(表2)。人類E2Fs共包含4種保守的結構域(圖4B)，其中所有E2Fs均包含名為E2F-TDP的DNA結合結構域，這也是E2F家族名稱的由來。E2F1～E2F6還包含了E2F-DP結構域，使E2F以同源二聚體或異源二聚體形式與靶DNA結合。TFDP1～TFDP3則較其他E2Fs多了一個DP (dimerization partners)結構域，增加了蛋白形成二聚體的可能性。人類E2Fs各基因的外顯子數(shù)量從1到13不等(圖4C)。其中位于X染色體上的基因長度是1692 bp，僅包含1個外顯子；、和基因的外顯子個數(shù)最多是13個。從編碼區(qū)的長度看，基因的編碼區(qū)最長是2736 bp (圖4C)。

2.5 E2F家族基因隨著物種進化而擴張

人類的E2Fs定位在11條染色體上，共線性分析顯示，和基因存在部分的復制情況(圖5A)。片段復制發(fā)生的位置涉及基因的第2、4個內(nèi)含子和基因的第6、8個內(nèi)含子，長度分別為306和297個堿基。

如圖5B所示，5種脊椎動物E2Fs共線性分析的結果表明，人和斑馬魚、非洲爪蟾、小鼠，雞和黑猩猩之間的預測共線對數(shù)分別為61、177、160、162和39。由此可見，E2Fs在脊椎動物中具有較強的同源性，并且基因個數(shù)有增加的傾向。進一步通過基因擴張/收縮分析發(fā)現(xiàn)，從無脊椎動物到脊椎動物E2Fs的成員隨著物種的進化而呈現(xiàn)顯著的基因擴張(圖5C)。

圖4 E2Fs的蛋白質基序、保守結構域和基因結構特征

A：人類E2Fs的基序組成；B：人類E2Fs的保守結構域；C：E2Fs的基因結構特征。

表2 人類E2Fs的保守基序

圖5 E2Fs共線性分析與基因擴張

A：E2Fs在人類基因組上的定位和基因復制情況；B：人()、黑猩猩()、小鼠()、爪蟾()、雞()和斑馬魚()基因組中的E2Fs的共線性關系；C：41個物種中E2Fs的基因擴張。

由于蛋白質序列相似度高，不同物種來源的E2Fs按照成員編號聚在一起(圖6)。之后，E2F1、E2F2和E2F3聚為一枝；E2F7和E2F8聚為一枝后再與E2F6聚在一起；E2F4和E2F5聚為一枝；TFDP1～TFDP3聚為一枝?？梢?，在脊椎動物出現(xiàn)時，E2Fs已經(jīng)完成了基因的加倍，聚為一枝的E2Fs來源于相同的基因祖先，之后各直系同源基因隨著物種的演化而發(fā)生變化。此外，不同物種的E2Fs蛋白質序列均含有保守的motif 2，進一步證明E2Fs的蛋白基序相對保守。E2F1～E2F8成員均含有motif 2和motif 3，TFDP1～TFDP3成員均含有motif 1、motif 2、motif 4和motif 5。與其他物種不同，motif 5僅在人類的TFDP1～TFDP3出現(xiàn)，而E2F1～E2F8中均不存在該基序。

圖6 E2Fs系統(tǒng)發(fā)育樹

3 討論

腫瘤發(fā)生時最主要的生物學特征是發(fā)生細胞周期調(diào)控功能紊亂，進而導致細胞異常增殖。轉錄因子作為特殊的蛋白質可以調(diào)控靶蛋白的表達，因此是一類重要的腫瘤標記物[37]。研究顯示，E2Fs在調(diào)控下游基因轉錄、DNA合成和細胞周期等方面發(fā)揮重要作用[49]?；诖?，本研究通過生物信息手段對E2F家族轉錄因子在腫瘤中的表達規(guī)律與分子特征進行了系統(tǒng)闡述。首先，本研究發(fā)現(xiàn)和基因在我國10種高發(fā)腫瘤中均有規(guī)律性上調(diào)表達趨勢。該表達特點提示，E2F1和E2F7廣泛參與癌癥發(fā)生過程中，它們可作為腫瘤通用標記物用于臨床腫瘤的篩查[50]。

E2F1作為細胞G1/S期檢查點的重要調(diào)控因子[51]，通過調(diào)節(jié)細胞DNA合成、細胞增殖等相關基因的表達來調(diào)控細胞周期，發(fā)揮轉錄激活的作用[52]。除可直接激活腫瘤干細胞轉錄因子SOX2等外，E2F1還可增強抗腫瘤藥物咖啡酸苯乙酯(phenethyl caffeate，CAPE)的藥效[37]。可見，基因的高表達水平與腫瘤的增殖有關，而基因表達量降低則會導致抗腫瘤藥物的效果降低。此外，蛋白質-蛋白質相互作用分析發(fā)現(xiàn)E2F1與家族中其他成員之間的相互作用最多、關聯(lián)最為密切。因此需要以E2F1為藥物靶標研發(fā)藥物以穩(wěn)定其表達水平?；虮籘P53蛋白激活后，進一步可調(diào)控細胞周期相關基因[38]。高表達的基因則會激活AKT1-cyclin D1信號通路及其下游的細胞周期蛋白，進一步促進腫瘤的增殖[53]。推測，抑制基因的高表達，將有助于抑制腫瘤細胞增殖。此外，與E2Fs發(fā)生相互作用的蛋白質在細胞周期中發(fā)揮重要作用。例如，Rb蛋白可通過磷酸化/去磷酸化調(diào)節(jié)細胞的生長分化[54]。VPS36蛋白在胞質分裂階段發(fā)揮關鍵作用[55]。這進一步說明，E2Fs在細胞增殖分化過程中發(fā)揮重要作用，可將E2Fs作為藥物靶點，用于調(diào)控細胞周期。同時，本研究也發(fā)現(xiàn)、和這3個基因的功能在GO和KEGG富集中均沒有結果，這可能是由于數(shù)據(jù)庫更新較慢導致相關的功能沒有得到很好的注釋。

腫瘤細胞中存在著大量的基因突變[56]。本研究發(fā)現(xiàn)，除外，E2Fs在24種腫瘤細胞中的突變類型以擴增為主，且無明顯的性別偏倚?；蛟谀[瘤中的突變率相對較高，這雖然在Xu等[43]對結直腸癌研究結果中也有所體現(xiàn)，但本研究的分析結果將這一規(guī)律擴展到了包括高發(fā)腫瘤在內(nèi)的24種惡性腫瘤，這無疑為臨床上基因的突變檢測提供了理論支持。郭愛葉等[57]發(fā)現(xiàn)基因的錯義突變與結直腸癌易感性相關，與之不同，本研究發(fā)現(xiàn)在腫瘤細胞中基因的突變以基因擴增為主。其原因是，TCGA數(shù)據(jù)庫涵蓋了腫瘤樣本基因突變的全部類型，而郭愛葉等[57]的研究關注點僅為錯義突變。除發(fā)現(xiàn)結直腸癌中基因發(fā)生錯義突變的比例較高外，本研究還確定了高發(fā)腫瘤中基因占比最多的突變類型——基因擴增。研究角度不同是導致結果不同的主要原因。此外，位于人類X染色體上的基因，在男性患者中更多的是發(fā)生基因的缺失突變。推測，這可能與男性僅有1條X染色體，無法通過同源重組進行基因損傷后修復有關。E2Fs家族成員的突變規(guī)律提示在以后的臨床檢測中可以將E2Fs的突變作為腫瘤判定的一個標準。

人類11個E2Fs成員均含有motif 1和motif 3，這提示這兩個motif對于蛋白的結構十分重要。在腫瘤患者中，檢測motif 1和motif 3的結構，將有助于監(jiān)控E2Fs的結構和功能。此外，系統(tǒng)發(fā)生分析結果顯示，包括果蠅、線蟲和人類在內(nèi)的41個物種中E2Fs的蛋白質序列相對保守，均包含21個氨基酸的保守序列(IHLIEKKSKNHIQWIGRGTNS)。該序列是E2F家族DNA結合結構域(E2F/DP family winged-helix DNA-binding domain)的重要組成部分。因DNA結合結構域決定了轉錄因子結合靶DNA的特異性，可知E2Fs所能結合的靶序列也相對保守。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著物種的演化E2Fs家族存在顯著的基因擴張趨勢，這可能與E2Fs在細胞周期調(diào)控過程中功能的分化有關。在人類基因組中，和基因在內(nèi)含子區(qū)存在2個復制片段，這提示內(nèi)含子的復制有助于物種演化過程中應對突變風險。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)和基因在腫瘤樣本中規(guī)律性上調(diào)表達，其基因功能主要是調(diào)控細胞周期、細胞衰老等信號通路，其中E2F1與其他蛋白的相互作用最多。E2Fs的基因突變類型在不同腫瘤類型和患者性別中均存在差異，其中基因擴增的比例最大。E2Fs序列在包括果蠅、線蟲到人類在內(nèi)41個物種中保守，并且，E2F家族在物種演化過程中存在基因擴張傾向。作為關鍵調(diào)控因子，E2F1和E2F7在癌癥發(fā)生過程中發(fā)揮重要的作用。本研究的結果可為腫瘤的基因診斷及抗腫瘤藥物開發(fā)提供理論依據(jù)。

感謝河北大學高性能計算平臺對本研究的大力支持。

附加材料見文章電子版www.chinagene.cn。

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E2F family play important roles in tumorigenesis

Feifei Li1, Yun Wang1, Jihai Gu1,2, Yuming Zhang1,2, Fengsong Liu1,2, Zhihua Ni1,2

Tumors are serious threats to human health. The transcription factors are regarded as the potential targets for tumor treatment. As an important family of transcription factors, E2F family transcription factors (E2Fs) play vital roles in cell proliferation and regulation. However, the expression feature, gene functions, and molecular interactions of E2Fs in tumorigenesis are not clear. In this study, the transcriptome data, mutation data, and protein-protein interaction data of 10 high-incidence tumors in China from the TCGA database were integrated and analyzed to explore the expression, structure, function, mutation, and phylogenetic characteristics of E2Fs. The results showed thatandwere regularly upregulated in the tumor samples. Moreover, E2Fs participated in the regulation of the cell cycle, cell aging, and other signaling pathways. As an important regulator, E2F1 interacted with more proteins than other E2Fs.At the same time, the genetic mutation types of E2Fs varied in tumor type and patient sex, of which gene amplification accounts for the largest proportion. Phylogenetic analysis showed that E2Fs were conserved in 41 species, including fruit flies, nematodes, and humans. Meanwhile, E2Fs had a tendency for gene expansion during evolution. In conclusion, this study clarified the expression pattern, mutation characteristics, and evolutionary trend of E2Fs in high-incidence tumors in China, and suggested that E2F family transcription factors could be novel diagnostic markers for tumor diseases.Furthermore, this work can provide a theoretical basis for the development of anti-tumor-targeted drugs.

E2F1; E2F7; gene family; structure

2023-02-10;

2023-05-01;

2023-05-15

國家自然科學基金項目(編號：42207336)，河北省自然科學基金生物農(nóng)業(yè)聯(lián)合基金項目(編號：C202204227)和河北大學研究生創(chuàng)新項目(編號：HBU2022ss016)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 42207336), Hebei Province Natural Science Foundation Joint Fund for Bioagriculture Project (No. C202204227), and the Post-graduates Innovation Fund Project of Hebei University (No. HBU2022ss016)]

李飛飛，在讀碩士研究生，專業(yè)方向：生物化學與分子生物學；E-mail: huxiaoerfei@outlook.com

柳峰松，博士，教授，研究方向：分子免疫學；E-mail: liufengsong@hbu.edu.cn

倪志華，博士，副教授，研究方向：生物信息學、比較基因組學；E-mail: nizhihua@hbu.edu.cn

10.16288/j.yczz.23-029

(責任編委: 方向東)