肺腺癌中糖酵解代谢特征预测预后及指导治疗.pdf
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1、J Clin Pathol Res2023,43(8)http:/ 临床与病理杂志肺腺癌中糖酵解代谢特征预测预后及指导治疗周琦1,裴华东2,姚颐1(1.武汉大学人民医院肿瘤中心,武汉 430060;2.乔治城伦巴第综合癌症中心,美国 华盛顿特区 20007)摘要 目的:有氧糖酵解作为肿瘤独特的代谢特征,其作用机制仍未被完全阐明。本研究探索糖酵解代谢在肺腺癌(lung adenocarcinoma,LUAD)及其免疫微环境中的作用,以寻求糖酵解代谢与LUAD预后和免疫治疗效果的关系。方法:从癌症基因组图谱(The Cancer Genome Atlas,TCGA)和基因表达综合(Gene Exp
2、ression Omnibus,GEO)数据库下载LUAD患者的基因表达数据和临床信息,采用单变量、最小绝对收缩和选择算子(least absolute shrinkage and selection operator,LASSO)Cox回归分析构建糖酵解代谢相关基因的LUAD预后评估模型。结果:在TCGA队列中,高危评分患者的预后更差,在GEO队列中也证实了此模型的可靠性。利用统计学工具获得的由糖酵解相关基因组成的预后模型和列线图模型为预测预后提供了一种新方法,并在15对LUAD和正常组织中验证了风险标签中的15个基因,它们在LUAD组织中表达异常。此外,风险评分与LUAD免疫微环境相关,经
3、模型评估发现高危评分患者更适合接受免疫治疗。结论:本研究构建了与糖酵解代谢相关的15个基因组成的预后模型,该模型可预测患者对免疫治疗的敏感性,可用来指导临床实践,促进肿瘤的个体化治疗。关键词 肺腺癌;糖酵解代谢;预后模型;肿瘤免疫浸润Characterization of the glycolytic metabolism in lung adenocarcinoma to prodict prognosis and guide clinical therapyZHOU Qi1,PEI Huadong2,YAO Yi1(1.Cancer Center,Renmin Hospital of Wu
4、han University,Wuhan 430060,China;2.Georgetown Lombardi Comprehensive Cancer Center,Washington DC 20007,USA)ABSTRACT Objective:Aerobic glycolysis is a typical metabolic feature of tumors,but the mechanisms of its action remain unclear.This article is dedicated to exploring the role of glycolytic met
5、abolism in lung adenocarcinoma(LUAD)and its immune microenvironment to seek potential diagnostic and therapeutic strategies for LUAD and to investigate the relationship DOI:10.11817/j.issn.2095-6959.2023.220061收稿日期(Date of reception):2023-03-02第一作者(First author):周琦,Email:,ORCID:0009-0004-4458-528X通信
6、作者(Corresponding author):裴华东,Email:huadong.peigeorgetown.edu,ORCID:0000-0002-1706-1745;姚颐,Email:yaoyi2018 ,ORCID:0000-0003-3110-1720基金项目(Foundation item):湖北省自然科学基金(2022CFB114)。This work was supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province,China(2022CFB114).1486肺腺癌中糖酵解代谢特征预测预后及指导治疗 周琦,等a
7、mong glycolytic metabolism,LUAD prognosis,and immunotherapy.Methods:Gene expression data and clinical information of LUAD patients were downloaded from The Cancer Genome Atlas(TCGA)and Gene Expression Omnibus(GEO)databases.A LUAD prognosis risk scoring model related to genes for glycolysis was const
8、ructed by using univariate,Least Absolute Shrinkage and Selection Operator(LASSO)Cox Regression Analysis.Results:Patients with high-risk scores in the TCGA cohort had a worse prognosis,and the reliability was consistently confirmed in the GEO cohort.The prognosis model and the nomogram model compose
9、d of glycolysis-related genes obtained by using statistical tools provideed a new method for predicting prognosis.The conclusion was verified in paired tumor and normal tissues collected from 15 patients with LUAD,as observed by 15 genes serving as risk markers were abnormally expressed in LUAD tiss
10、ues compared to normal tissues.In addition,the risk score was related to the immune microenvironment and model assessment indicated that patients with high-risk scores were more suitable for immunotherapy.Conclusion:This study created a new prognosis model composed of 15 genes related to glycolysis,
11、which can also predict patient sensitive to immunotherapy.It can be used to guide clinical practice and promote the personalized tumor treatment.KEY WORDS lung adenocarcinoma;glycolytic metabolism;prognosis model;tumor immune infiltration肺癌是中国和世界范围内发病率和病死率最高的恶性肿瘤,据统计,2020年全球因肺癌死亡179万例,占 全 部 恶 性 肿 瘤
12、的 18%1。肺 腺 癌(lung adenocarcinoma,LUAD)是肺癌最常见的组织学类型,约占45.5%2。虽然近年来新的治疗手段层出不穷,但LUAD患者的5年生存率仅约为16%3。因此,筛选新的分子靶标来判断LUAD的预后,对提高患者生存尤为重要。癌细胞通过代谢重编程应对各种不利的微环境4。能量代谢重编程是恶性肿瘤的特征,对细胞增殖和分裂至关重要5。癌细胞中最显著的代谢变化是Warburg效应的出现6-7,其生长需要更高的葡萄糖消耗8。这种独特的代谢特征也会影响肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)的变化进而改变肿瘤免疫9。TME参与调控肿瘤发生、生长
13、、转移、侵袭等多个生物进程10。越来越多靶向代谢通路的治疗手段和利用糖酵解相关基因建立肿瘤预后模型的研究正在蓬勃开展11-15。本 研 究 基 于 从 癌 症 基 因 组 图 谱(The Cancer Genome Atlas,TCGA)数据库中提取的LUAD患者的基因表达数据和临床信息,筛选出在LUAD和正常组织中差异表达的糖酵解相关基因。通过 LASSO Cox回归分析获得预后模型和列线图(nomogram)模型。根据模型评分将所有样本分为低危组和高危组,探索糖酵解代谢与LUAD预后和免疫治疗效果的关系,为LUAD的个体化治疗提供新思路。1 资料与方法 1.1 资料与试剂使用 541 例
14、LUAD 和 59 例正常肺组织样本的RNA 测序数据配置文件,从 TCGA 数据库(https:/www.cancer.gov/about-nci/organization/ccg/research/structural-genomics/tcga)中获得高通量测序每千碱基转录本每百万映射读取数类型数据,并获取523例LUAD 样本的临床信息。在基因表达综合(Gene Expression Omnibus,GEO)数 据 库 中(https:/www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)下载基于GPL6480平台的GEO:GSE13213微阵列数据配置文件和样本的临床信息,将每个样本
15、的Entrez基因ID转换为相应的基因符号,并处理相同Entrez基因ID被多个探针定位的情况,取平均值。DNA反转录试剂盒、real-time RT-PCR试剂盒、CFX Connect实时定量PCR仪分别购自北京天根生化科技有限公司、美国Bio-Rad公司和沈阳百瑞1487临床与病理杂志,2023,43(8)http:/德科技有限公司。患者LUAD组织标本来自武汉大学人民医院胸外科。本研究获得武汉大学人民医院伦理委员会批准(审批号:2023K-K044)。1.2 方法1.2.1 基因集富集分析使用基因富集分析(gene set enrichment analysis,GSEA,http:/
16、www.broadinstitute.org/gsea/index.jsp)对糖酵解基因集在LUAD和正常组织之间的差异进行分析,使用标准化的P值(P0.05)确定可用于进一步研究的糖酵解基因集。对正常和癌组织样本中的差异表达基因(different expression genes,DEG)进行富集分析,使用“limma”R包分析糖酵解代谢相关基因的表达差异。错误发现率(false discovery rate,FDR)1为差异有统计学意义。接下来,将每个DEG的符号基因转换为相应的Entrez基因ID,使用“org.Hs.eg.db”R包和“clusterProfiler”R包对DEG进行
17、基因本体(gene ontology,GO)和京都基因和基因组数据库(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路富集分析,以识别主要的生物学 特 征 和 细 胞 功 能 通 路。使 用“enrichplot”和“ggplot2”R包对富集分析结果进行可视化。1.2.2 预后评估模型的开发和验证TCGA队列样本作为训练集,GEO:GSE13213样本作为测试集。利用样本ID将每个样本中差异表达的糖酵解代谢相关基因的表达水平与预后结果合并。通过单因素Cox回归分析从训练集中差异表达的糖酵解代谢相关基因中筛选出与预后相关的基因。选取P0.05的基因
18、。使用“glmnet”R包对预后相关基因进行最小绝对收缩和选择算子(least absolute shrinkage and selection operator,LASSO)Cox 回归分析,得到15个基因,建立预测LUAD样本总生存期(overall survival,OS)的预后评估模型。通过十折交叉验证确定模型的惩罚参数()。使用下面的公式计算每个样本的风险评分。风险评分=1i(Coefi ExpGenei)Coef为采用LASSO Cox回归分析计算的非零回归系数,ExpGene为预后评估模型中基因的表达值。根据风险评分的中位数将所有样本分为低危组和高危组。采用Kaplan-Meie
19、r生存分析和log-rank检验比较高危组和低危组患者的OS差异。使用R中的“survivalROC”包绘制时间依赖性受试者操作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线,评估预后评估模型的预测准确性。在测试集中进一步验证预后评估模型的可靠性和适用性。1.2.3 主成分分析比较预后评估模型使用R软件中的limma包对训练集中预后评估模型建立前后的基因表达谱进行主成分分析(principal component analysis,PCA),了解低、高危组之间的区别。利用PCA预后评估模型中基因的表达谱,使用ggplot2包呈现。1.2.4 风险评分和临
20、床特征之间的关系在TCGA队列中,利用limma R软件分析风险评分与性别、年龄、临床分期、TNM分期的关系。收集GEO队列中与LUAD相关的临床信息,根据临床特征将样本分为2组,比较风险评分的差异。1.2.5 基因集变异分析使用基因集变异分析(gene set variation analysis,GSVA)R包对基因谱进行GSVA,比较低、高危组间生物学过程的差异。“c2.cp.kegg.v7.1”中来自分子标签数据库(http:/www.gsea-msigdb.org/gsea/msigdb)的Symbols基因集作为参考基因集。FDR0.05为有统计学意义的富集途径。1.2.6 建立预
21、测LUAD患者OS的nomogram模型基于TCGA队列,使用R软件中的“rms”包构建由年龄、性别、临床分期、TNM分期、预后评估模型组成的列线图,用于预测LUAD患者的OS,并绘制时间依赖性校准曲线及分析 nomogram 的准确性。使用多因素Cox回归分析验证预后评估模型能否作为 LUAD 患者 OS 预测的独立指标,并通过在线ROC 曲 线 计 算 曲 线 下 面 积(area under the curve,AUC)来表示nomogram的预后价值。1.3 统计学处理采用R 4.0.0软件分析所有数据。2组比较采用Wilcoxon 秩和检验,多组比较采用 Kruskal-Wallis
22、 (K-W)检验。采用Kaplan-Meier分析评估低、高危组之间的OS差异。采用多因素Cox回归分析确定预测LUAD患者OS的独立指标。绘制ROC曲线,评估预后评估模型及nomogram的预测效能。P0.05为差异有统计学意义。2 结 果 2.1 GSEA分析筛选糖酵解相关基因本研究使用523例LUAD患者的临床信息和来自TCGA数据库的59 427个mRNA的表达数据集。通过多个基因集获得标志糖酵解基因集的表达标签,并利用这些详细数据进行GSEA,以检测糖酵解基因1488肺腺癌中糖酵解代谢特征预测预后及指导治疗 周琦,等集在LUAD与正常组织之间的差异。结果表明:在LUAD患者中,糖酵解
23、生物学过程明显富集,与正常人相比差异有统计学意义(图 1)。这提示糖酵解在LUAD的发展中发挥了重要作用。本研究合并了来自GSEA数据库的5个糖酵解标志基因集,得到了323个与糖酵解代谢相关的基因。2.2 正常和癌组织样本的富集分析本研究比较LUAD和正常组织中糖酵解代谢相关基因的表达水平,发现共有134个基因表达上调,26个基因表达下调(图2A和2B)。GO功能富集于碳水化合物分解代谢、ADP代谢和嘌呤核苷二磷酸代谢(图2C)。KEGG通路富集于糖酵解与糖代谢合成、碳代谢、氨基酸的生物合成(图2D)。2.3 在训练集中开发预后评估模型选取TCGA队列中的样本作为训练集对160个差异表达的糖酵
24、解代谢相关基因进行单因素Cox回归分析,发现52个基因与预后相关(P0.01,图3A)。采用LASSO Cox回归分析缩减基因数量后,15个基因(LDHA、HMMR、B4GALT4、PKP2、CHPF、FBP1、FKBP4、IGFBP3、OGT、NT5E、CBFA2T3、TXN、图1 糖酵解相关通路富集分析Figure 1 Enrichment analysis of glycolysis-related pathwaysComparison of GSEA enrichment analysis between LUAD patients and normal tissue samples
25、in the TCGA cohort by GO(A),HALLMARK(B),KEGG(C),REACTOME(D).GSEA:Gene set enrichment analysis;LUAD:Lung adenocarcinoma;TCGA:The Cancer Genome Atlas;GO:Gene ontology;KEGG:Kyoto encyclopedia of genes and genomes.1489临床与病理杂志,2023,43(8)http:/DDIT4、PYGB和ANGPTL4)被用于构建预后评估模型(图3B和3C)。每个样本使用如下模型计算风险评分:风险评分=(
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