FAM25A在胰腺癌中临床价值及潜在机制的生物信息学分析.pdf

通讯作者：张栋斌【临床医学】在胰腺癌中临床价值及潜在机制的生物信息学分析赵益浩，马兴燕，张栋斌（山东第一医科大学临床与基础医学院，山东 济南 ；山东中医药大学附属医院麻醉科）摘要 目的：通过生物信息学方法，探究 对胰腺癌的诊断、预后价值，分析其与免疫浸润相关性，并对该基因在胰腺癌中发生发展的潜在作用机制进行阐述。方法：从 、和 数据库获取胰腺癌数据集，用于数据分析和可视化。明确 的表达差异，采用 分析 的表达与胰腺癌总生存时间的关系，回归分析 表达与胰腺癌预后因素的相关性，分析 表达与免疫细胞浸润的相关性。根据 将与 和肿瘤纯度最相关的模块基因导入 构建 网络并获取 和 ，采用 分析 高低表达的富集通路，利用 中 聚类子网络获取显著相关的节点，综合以上信息分析 在胰腺癌中的潜在机制。结果：差异分析提示 在胰腺癌中高表达具有统计学意义（）；分析结果显示 高表达患者的生存期明显短于低表达患者；对胰腺癌预后相关因素进行 回归分析，结果提示 为胰腺癌的独立危险因素（，）；免疫细胞浸润相关性分析显示 可以降低 淋巴细胞水平；、和 结果表明 主要在细胞与细胞间相互作用、细胞间信号产生与转导、趋化因子及免疫反应等相关途径中发挥作用。结论：在胰腺癌中过表达是胰腺癌一个独立的不良预后因子，异常表达可以作为胰腺癌诊断和判断预后的生物标志物，其生物学效应可能是通过促进胰腺癌的增殖、侵袭和转移实现的。关键词 胰腺癌；生物信息学分析；基因富集分析 ：，（，；，）：，年第 卷第 期 ：，：（）；（，）；，：，；胰腺癌（，）是恶性程度极高的消化道肿瘤 ，并且罹患人数逐年递增 。起病隐匿，早期缺乏特异症状和有效诊断的生物标志物，因而多数患者确诊 时已属中晚期。手术切除范围广，对患者创伤极大，且术后胰腺癌局部复发和多处转移导致 患者的总体五年生存率仅为 。因此，寻找一种新型敏感的生物标志物对胰腺癌患者具有重要的临床意义。家族序列相似性基因 （，）是位于 号染色体的蛋白质编码基因，于 年首次被检测到 。目前，针对 在 中的作用鲜有报道。因此，本研究基于 、和 数据库，明确 在 中表达情况，分析其对 的诊断价值、免疫细胞浸润相关性、预后评估价值，通过加权基因共表达网络分析（，）和富集分析进一步预测其共表达基因以及在胰腺癌中的潜在作用机制，为研究 在 发生、发展过程中的作用提供新的理论基础。资料与方法 数据采集与处理本研究中涉及的 转录组数据和患者临床数据来源为肿瘤基因组图谱（，）（：）、基因型 组织表达数据库（，）（：）和基因表达综合数据库（，）（：）。基于生物信息学方法对 数据库中 例肿 年第 卷第 期 瘤组织和例癌旁组织以及 中与之相对应的 例正常组织进行数据统计和可视化分析，并采用 数据库中 （例肿瘤组织样本和 例正常组织样本）进一步验证 的表达差异和诊断价值。差异表达分析采用“”包进行数据处理 ，探究 在癌症组织和癌旁组织中的表达差异（，）。本研究利用 和 联合分析 表达数据（癌症组织 例，癌旁组织 例，正常组织 例），以 为差异有统计学意义。单因素与多因素 回归分析将获取的临床数据和 进行单因素 分析，根据值，将 的临床变量再次进行多因素 回归分析 ，计算各临床特征的 和 ，认为该临床特征可视为 的独立预后因子。预后评价与 生存分析根据 的中位表达值，将患者分为高（）低（）两组。通过“”包绘制 曲线，同时计算 曲线下面积 值。在 的情况下，越趋近于 ，说明诊断效果越好 。使用 方法对 高（）低（）两组的生存期进 行 比 较，统 计 学 方 法 选 用 。在 的情况下，生存曲线离散度越高，表明 高低表达组的生存差异越显著 。与免疫细胞浸润相关性 采用“”包分析 种免疫细胞在胰腺癌组织中的相对百分比，通过“”包分析 高水平与低水平表达同免疫细胞浸润的相关性 ，以 为差异具有统计学意义，为正相关，为负相关。和 分析采用“”包构建基因共表达网络，选择合适的加权系数 ，使生成的共表达网络具有无尺度特性。使用 将相关矩阵转换为拓扑重叠矩阵（，），以识别基因模块。基因模块的最小基因数为 ，采用合适的切割阈值合并相似基因模块 。通过 （：）构建基因模块基因的蛋白质 蛋白质相互作用网络关系（，）以识别蛋白质之间的相互作用，最低可信度为 。采用 进行共表达网络的可视化分析，运用 插件聚类与 表达以及 肿瘤纯度相关的子网络模块（，）。富集分析基于 在线工具对选中模块内基因进行 功能注释和 通路分析 ，其中 功能注释包括生物过程、分子功能、细胞组成三个部分，根据 值进行排序，保留前 条生物功能注释、前 条分子功能注释和前 条细胞组成注释，通路分析保留全部 的通路，并采用 分析 高低表达组的富集通路 。通过综合以上信息，研究 在胰腺癌中潜在作用机制。结果 的诊断价值和验证差异表达分析显示，组织的 的 表达量明显高于癌旁组织（）；曲线下面积（）为 ，提示 可能是一种良好的诊断性生物标志物。数据库差异表达分析 数据集，结果进一步验证了 对 的诊断价值。综合上述差异分析结果提示可以通过检测 的表达值判断 是否发生，对 的诊断具有重要价值。见图 。的预测价值针对 高低表达组的 生存分析显示，基因高表达组的总生存时间明显短于低表达组。在调整 分期、性别、组织学分级等临床变量后，多因素 回归分析提示 可以作为 的独立危险因素（）。综上所述，与 患者临床结局有关联，能够成为预测 的临床指标。见图 ，表 。年第 卷第 期 图 在胰腺癌中的诊断价值和验证注：胰腺癌组织和正常组织中 表达水平分组比较图，诊断效能 曲线；数据集胰腺癌组织和正常组织 表达水平分组比较图；数据集 诊断效能 曲线。表示 ，表示 ，表示 图 在胰腺癌中的预测价值 高低表达组 生存分析图 与免疫细胞浸润的相关性通过 分析胰腺癌组织中 种免疫细胞的相对表 胰腺癌单因素与多因素 回归分析临床变量单因素 回归分析 （）值多因素 回归分析 （）值 （）（）（）（）（）（）解剖肿瘤细分 （）（）组织学分级 （）（）放疗 （）（）（）（）百分比，通过 分析胰腺癌中 的表达水平与免疫细胞浸润相关性发现，表达与 细胞正相关，与 细胞、细胞、细胞等免疫细胞负相关。分组比较图（，）和散点图（）显示 的表达与组织内富集 细胞以及 细胞富集分数负相关，提示 高表达组内 细胞水平低于 低表达组 细胞水平。见图 。年第 卷第 期 图 表达与肿瘤免疫浸润水平的相关性注：表达与 种免疫细胞相关性；胰腺癌组织 种免疫细胞浸润相关性；表达与富集 细胞相关性的散点图；高低水平表达与 细胞富集分数的分组比较图。表示 筛选与 有关的模块与基因通过建立加权基因共表达网络（）筛选与 有关的基因，从 数据库的胰腺癌和癌旁组织筛选出 个差异表达基因（，）进行 ，经过一系列变量调整后，个 被聚类为 个模块（见图 ）。依 据 肿 瘤 纯 度（，）和 的相关性（，），选择包含有 个基因的蓝色模块。共有 个基因被选为蓝色模块的关键基因 （）（）。见图 。分析 在胰腺癌中的潜在机制为进一步预测 基因在 恶性进程中可能 参 与 的 信 号 通 路，通 过 对 肿 瘤 纯 度 和 相 关 性 最 高 的 蓝 色 模 块 进 行 和 富集分析。功能注释显示含有 个基因的蓝色模块与角质化、免疫反应、细胞通讯、细胞黏附、信号转导等生物功能，趋化因子结合和受体活性、细胞因子结合、免疫受体活性等分子功能以及细胞外区域、核小体等细胞组成具有一定相关性。通路分析提示蓝色模块与细胞因子和受体间相互作用有明显富集。通过构建 网络，运用 聚类子网络，呈现与 相关性显著的节点并以表格形式呈现。见图 ，表 。年第 卷第 期 图 胰腺癌中 相关模块及基因筛选注：胰腺癌组织与癌旁组织间 火山图；各种软阈值功（）的无标度拟合指数及其平均连通性分析；胰腺癌患者的聚类树状图；样本树状图和特征热图；和免疫评分与模块特征基因相关性热图；蓝色模块基因散点图图 在胰腺癌中的潜在机制注：蓝色模块 功能注释；蓝色模块 通路分析；网络图 年第 卷第 期 表 插件结果子网络评分节点数目关系数目节点名称 ，通路富集分析通过对差异基因集合进行 通路富集分析，明确 低表达组与高表达组之间的功能差异。中间丝细胞骨架主要富集在 高表达组，细胞与细胞间信号发放、细胞连接、信号释放主要富集在 低表达组，提示 高表达与 的演化和进展密切相关。见图 。讨论 因其高发病率和高死亡率成为全球恶性程度最高的肿瘤之一 。由于缺乏有效诊断标志物且肿瘤进展十分迅速，因此确诊为 的患者大图 富集分析注：中间丝细胞骨架；细胞与细胞间信号转导；细胞连接；信号释放多已演进为癌症晚期。常用的肿瘤标志物为 ，然而 早期升高不明显，且 在很多消化道肿瘤患者中均有升高现象，因而不具有辅助诊断 的临床价值 。的发生是多基因和多途径驱动的过程 。通过对人类全基因组数据筛选肿瘤标志物，可以用于诊断和判断预后，也可用于研究肿瘤潜在演进机制。近年来，有研究报道 基因的表达与早期舌癌的发生发展具有一定相关性 。然而，目前尚未有研究对 与 的相关性进行阐述。本研究目的是利用公共数据库，分析 与 的关系，揭示其在 中的潜在作用机制。希望通过本研究，能缩小实验目的基因筛选范围，为实验验证提供理论基础。本研究结果显示，在 与正常组织之间具有明显的表达差异，可以作为 诊断和预后的生物标志物。通过将 作为模型基因纳入预后模型发现该基因与 的预后呈显著负相关。根据这一结果，本研究利用 和 对 及其相关基因进行多方位评估，从而系统地研究了 在 中潜在机制。综合富集信息结果显示 主要在 年第 卷第 期 细胞与细胞间相互作用、信号转导、趋化因子和免疫反应等相关途径中发挥作用。有学者认为胰腺星状细胞和 相互作用促进癌症进展。组织能促进胰腺星状细胞活化，同时胰腺星状细胞又能促进其增殖、侵袭、转移、免疫抑制以及 中新生血管的形成，改变肿瘤微环境，影响 预后 。及其相关基因可以影响细胞间相互作用，下调细胞间信号转导和细胞连接，这可能是引起 发生发展的潜在原因之一。趋化因子与胰腺癌的进展也密不可分，研究表明趋化因子可以抑制 的生长，是 生长的关键媒介 。富集通路显示其可以影响 亚族趋化因子结合及其受体活性，该亚族趋化因子与 的分化程度有关，亚族趋化因子受体配体阳性率越高，的分化程度越低，且 亚族趋化因子还参与 了 胰 腺 癌 炎 性 微 环 境 的 形 成 与 维 持 。聚类子网络显示 与组蛋白基因家族最具相关性，富集分析还显示 高表达与中间丝细胞骨架通路正相关。组蛋白是染色体中核小体的基本蛋白，中间丝是细胞骨架中最具有张力的部分，细胞分裂及增殖与这些物质关系密切 ，等人 发现随着细胞内波形蛋白（型中间丝蛋白）网络去稳定并在细胞核周围重新组织，可以降低细胞间纠缠，这种空间位阻减少常足以解除肌动蛋白细胞骨架的束缚，促进细胞迁移，由此可知，可能通过上调中间丝通路和控制组蛋白基因家族表达从而影响 的增殖和转移。在系统性红斑狼疮的 富集通路提示其可能与免疫相关，特异性免疫细胞尤其是 细胞在人体内发挥免疫监视作用，免疫细胞相关性分析还显示 可以促使 内 细胞数目增多，使组织内 比例失衡，抑制 细胞活化，加之 对 细胞的抑制作用，共同降低组织内 细胞水平，重塑了 组织的免疫微环境 。过度饮酒是胰腺癌的危险因素，及其相关基因与酗酒行为有关，这提示该基因可能介导了危险因素对 的持续作用 。然而，本研究也有一定的局限性。由于 是唯一一个对 基因表达和预后都有足够数据的公共数据库，因而无法利用其他独立样本来验证 在 中的预后价值。其次，本研究结果仅通过生物信息学分析了 在 中的临床价值和机制，该结论尚未进一步得到实验证实。综上所述，在 中过表达可能是 一个独立的不良预后因子，过表达 可以作为 的诊断和预后生物标志物，其可能通过细胞与细胞间相互作用、细胞信号的产生与转导、趋化因子和免疫反应等相关途径促进 发生和进展。对癌症基因 的研究有助于了解 ，为研究 提供参考。参考文献 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