结直肠癌肝转移相关基因的生物信息学分析.pdf
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1、World Journal of Cancer Research 世界肿瘤研究世界肿瘤研究,2023,13(3),120-132 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/wjcr https:/doi.org/10.12677/wjcr.2023.133017 文章引用文章引用:黄义莲,邱小凤,李娜,赵文睫,姜艳芳,孙烨煜,贺延新.结直肠癌肝转移相关基因的生物信息学分析J.世界肿瘤研究,2023,13(3):120-132.DOI:10.12677/wjcr.2023.133017 结直肠癌肝转移相关基
2、因的生物信息学分析结直肠癌肝转移相关基因的生物信息学分析 黄义莲黄义莲1,邱小凤,邱小凤1,李,李 娜娜2,赵文睫,赵文睫2,姜艳芳,姜艳芳2,孙烨煜,孙烨煜1,贺延新,贺延新2*1青岛大学医学部,山东 青岛 2青岛大学附属青岛市中心医院消化内科,山东 青岛 收稿日期:2023年6月19日;录用日期:2023年7月10日;发布日期:2023年7月20日 摘摘 要要 目的:通过对目的:通过对美国国家生物技术信息中心美国国家生物技术信息中心(NCBI)的的GEO数据库现有的基因表达数据以数据库现有的基因表达数据以及相关临床数据进及相关临床数据进行数据挖掘分析,以期寻找结直肠癌行数据挖掘分析,以期寻
3、找结直肠癌(Colorectal Cancer,CRC)肝转移发生的关键基因及治疗靶点。方法:肝转移发生的关键基因及治疗靶点。方法:对对GEO数据库进行数据检索,筛选出包含正常结直肠组织、数据库进行数据检索,筛选出包含正常结直肠组织、CRC组织以及组织以及CRC肝转移组织的基因芯片。肝转移组织的基因芯片。采采用用GEO2R工具筛选工具筛选CRC和正常结直肠组织的差异表达基因以及和正常结直肠组织的差异表达基因以及CRC与与CRC肝转移之间的差异表达基因,肝转移之间的差异表达基因,进一步筛选出两基因集的共有差异表达基因。使用注释、注释可视化和集成发现数据库进一步筛选出两基因集的共有差异表达基因。使
4、用注释、注释可视化和集成发现数据库(DAVID)进行基进行基因本体论因本体论(GO)分析和京都基因与基因组百科全书分析和京都基因与基因组百科全书(KEGG)途径分析。利用途径分析。利用STRING数据库和数据库和Cytoscape软软件进行蛋白件进行蛋白蛋白互作蛋白互作(PPI)网络的构建和网络的构建和Hub基因的筛选。使用基因的筛选。使用R语言分析语言分析Hub基因在正常结直肠、基因在正常结直肠、CRC以及以及CRC肝转移组织中的表达情况,肝转移组织中的表达情况,使用使用基因表达谱交互分析基因表达谱交互分析(GEPIA)数据库分析数据库分析Hub基因与基因与CRC预后的预后的相关性。结果:检
5、索得到基因芯片相关性。结果:检索得到基因芯片GSE49355,CRC和正常结直肠组织的基因集中存在和正常结直肠组织的基因集中存在1394个差异表达个差异表达基因,基因,CRC与与CRC肝转移的基因集中存在肝转移的基因集中存在125个差异表达基因,两个基因集共有的差异表达基因有个差异表达基因,两个基因集共有的差异表达基因有29个。个。GO分析显示分析显示,它们的生物学过程可能主要富集在补体它们的生物学过程可能主要富集在补体激活、正向调节多肽酶活性激活、正向调节多肽酶活性、替代途径等;细胞学替代途径等;细胞学组分主要定位于血液微粒以及细胞外周;分子功能富集于补体和凝血级联、组分主要定位于血液微粒以
6、及细胞外周;分子功能富集于补体和凝血级联、IL-17信号通路、肿瘤坏死因信号通路、肿瘤坏死因子信号通路等。子信号通路等。KEGG信号通路的富集分析显示信号通路的富集分析显示,差异基因主要富集于补体和凝血级联、差异基因主要富集于补体和凝血级联、IL-17信号通路、信号通路、TNF信号通路等。对蛋白质相互作用分析中有关联的基因进行排序,前信号通路等。对蛋白质相互作用分析中有关联的基因进行排序,前5个个Hub基因为基因为SPP1、MMP1、MMP3、CXCL1、CXCL5,它们在,它们在CRC中的表达均高于正常结直肠组织,中的表达均高于正常结直肠组织,SPP1的表达量在正常结直肠、的表达量在正常结直
7、肠、CRC以及以及CRC肝转移组织逐渐增高,并且肝转移组织逐渐增高,并且SPP1的高表达与的高表达与CRC患患者较差的生存显著相关。结论:者较差的生存显著相关。结论:SPP1、MMP1、MMP3、CXCL1、CXCL5与与CRC肝转移具有相关性,或可为进一步研究肝转移具有相关性,或可为进一步研究CRC肝转移发生发展的分肝转移发生发展的分子机制提供一定基础。子机制提供一定基础。关键词关键词 结直肠癌,肝转移,生物信息学分析,结直肠癌,肝转移,生物信息学分析,GEO Bioinformatics Analysis of Genes Related to Liver Metastasis of Co
8、lorectal Cancer Yilian Huang1,Xiaofeng Qiu1,Na Li2,Wenjie Zhao2,Yanfang Jiang2,Yeyu Sun1,Yanxin He2*通讯作者。黄义莲 等 DOI:10.12677/wjcr.2023.133017 121 世界肿瘤研究 1Medical College,Qingdao University,Qingdao Shandong 2Department of Gastroenterology,Qingdao Central Hospital Affiliated to Qingdao University,Qingd
9、ao Shandong Received:Jun.19th,2023;accepted:Jul.10th,2023;published:Jul.20th,2023 Abstract Purpose:To find the key genes and therapeutic targets of liver metastasis of colorectal cancer(CRC)by mining and analyzing the existing gene expression data and related clinical data in the GEO da-tabase of th
10、e National Biotechnology Information Center(NCBI).Methods:The GEO database was searched,and the gene chips containing normal colorectal,CRC and liver metastatic tissues of CRC were screened.GEO2R tool was used to screen the differentially expressed genes(DEGs)between CRC and normal colorectal tissue
11、s and between CRC and liver metastasis of CRC,and the common DEGs of the two gene sets were further screened.Annotation,Visualization and Integrated Discovery Database(DAVID)was used for Gene Ontology(GO)analysis and Kyoto Encyclopedia of Gene and Genome(KEGG)pathway analysis.STRING database and Cyt
12、oscape software were used to construct Protein-Protein Interaction(PPI)network and screen Hub genes.The expression of Hub genes in normal colorectal,CRC and liver metastatic tissues of CRC was analyzed by R language,and the correlation between Hub genes and the prognosis of CRC was analyzed by Gene
13、Expression Profile Interactive Analysis(GEPIA)database.Results:The gene chip GSE49355 showed that there were 1394 genes in CRC and normal colorectal tissues,125 genes in CRC and liver metastasis of CRC,and 29 DEGs in the two gene sets.GO analysis showed that their biological processes may be mainly
14、con-centrated in complement activation,positive regulation of polypeptidase activity,alternative path-way.Cellular components were mainly located in blood particles and peripheral cells.Molecular functions were enriched in peptidase activator activity,CXCR chemokine receptor binding,extra-cellular m
15、atrix binding and chemokine activity.The enrichment analysis of KEGG signal pathway showed that DEGs were mainly enriched in complement and coagulation cascade,IL-17 signal path-way and TNF signal pathway.According to the sequence of related genes in PPI analysis,the first five Hub genes were SPP1,M
16、MP1,MMP3,CXCL1 and CXCL5.Their expression in CRC was higher than that in normal colorectal tissues.The expression of SPP1 was gradually increased in normal colorectal,CRC and liver metastatic cancer,and the high expression of SPP1 was significantly cor-related with poor survival in patients with CRC
17、.Conclusion:CRC liver metastasis is related to SPP1,MMP1,MMP3,CXCL1 and CXCL5,which may provide a basis for further research on the molecular mechanism of CRC liver metastasis.Keywords Colorectal Cancer,Liver Metastasis,Bioinformatics Analysis,GEO Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.T
18、his work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 结直肠癌(Colorectal Cancer,CRC)是一种常见的消化道恶性肿瘤,全球发病率居第 3 位 1,是癌症死亡的第二大原因,仅次于肺癌 2。CRC 可能与高脂血症、高蛋白、吸烟、低纤维饮食、饮酒等生活习惯Open AccessOpen Access黄义莲 等 DOI:10.12677/wjcr.2023.
19、133017 122 世界肿瘤研究 有关 3 4,也与遗传有关 5。CRC 起病隐匿,临床症状不明显,20%的 CRC 表现为远处转移,最常见的是肝和肺转移 6,且大多数 CRC 患者多在原发性肿瘤诊断后 5 年内发生远处转移 7,但其转移机制并不明确,临床也缺乏预测 CRC 远处转移的分子标志物。随着基因芯片技术的发展,生物信息学可用于从分子水平揭示肿瘤的发生发展机制。目前一些常用的生物信息学数据库被用来挖掘 CRC 潜在的分子标志物 8 9 10,但 CRC 肝转移相关生物信息学分析报道较少。GEO 数据库收录了世界各研究机构提供的测序数据,是常用的生物信息学分析数据库 11。本研究从 G
20、EO 数据库基因芯片中筛选出正常结直肠、CRC 及 CRC 肝转移组织之间的差异表达基因(Differentially Expressed Genes,DEGs),进行功能和通路分析,并分析关键基因的表达及其与患者预后的相关性,以期为进一步研究 CRC 肝转移发生发展的分子机制提供一定基础。2.材料和方法材料和方法 2.1.数据获取数据获取 在 GEO 数据库(http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)检索公开发表的基因芯片数据集,纳入标准:1)芯片样本组织来源为人类;2)芯片数据类型为基因表达谱数据;3)筛选样本中包含正常结肠、CRC 以及CRC 肝转移组织对照的序列。最
21、终选取了数据集 GSE49355,含有 18 个正常结直肠组织样本、20 个 CRC样本、19 个 CRC 肝转移样本。利用在线工具 GEO2R 对上述数据集中的 DEGs 进行筛选。2.2.差异表达基因的识别差异表达基因的识别 利用 GEO 数据库提供的在线分析工具 GEO2R 下载差异表达的基因数据,以差异倍数|logFC|1.2、P 5 图图 5.PPI 网络图:(a)差异表达基因的蛋白相互作用的网络图;(b)Hub 基因;(c)MCODE 分数 5 的核心子集 将重叠的29个基因信息输入STRING数据库评估其功能关联,构建蛋白质蛋白质相互作用网络(图5(a),并利用 Cytoscap
22、e_v3.9.1 构建 PPI 网络图,根据 CytoHubba 插件,用 MCC 算法识别得到 Hub 基因(图 5(b),同时,根据 MCODE 插件,我们发现了一个 MCOD 分数 5 的核心子集,包括:SPP1、MMP1、MMP3、CXCL1、CXCL5(图 5(c)。3.4.Hub 基因在基因在 CRC 肝转移组织、正常结直肠组织及肝转移组织、正常结直肠组织及 CRC 组织的表达组织的表达 结合基因芯片 GSE49355 的基因表达数据,利用 R 语言绘制 Hub 基因在 CRC 肝转移、正常结直肠及 CRC 组织基因表达的箱式图,如图(图 6(a)(e)所示:基因 SPP1、MMP
23、1、MMP3、CXCL1、CXCL5 在CRC 组织的表达高于正常结直肠组织,其中 SPP1 的表达量在正常结直肠、CRC 及 CRC 肝转移组织逐渐增高,且 CXCL1 在 CRC 肝转移组织中的表达明显高于正常结直肠组织。上述结果提示,SPP1、MMP1、MMP3、CXCL1、CXCL5 基因可能促进 CRC 的发生、发展,其中 SPP1 可能在 CRC 肝转移方面起重要作用。(a)黄义莲 等 DOI:10.12677/wjcr.2023.133017 128 世界肿瘤研究 (b)(c)(d)(e)Figure 6.Expression box maps of Hub genes in C
24、RC l iver metastasis,normal colorectal tissues and CRC:(a)SPP1;(b)MMP1;(c)MMP3;(d)CXCL1;(e)CXCL5 图图 6.Hub 基因在 CRC 肝转移、正常结直肠组织、CRC 中的表达箱式图:(a)SPP1;(b)MMP1;(c)MMP3;(d)CXCL1;(e)CXCL5 3.5.Hub 基因与基因与 CRC 患者生存预后的关系患者生存预后的关系 用 GEPIA 数据库分析 5 个 Hub 基因的表达水平与 CRC 患者生存的关系。结果显示,SPP1 基因的高表达与 CRC 患者较差的生存显著相关(P 0.0
25、5)(图 7(a)(e)。黄义莲 等 DOI:10.12677/wjcr.2023.133017 129 世界肿瘤研究 (a)(b)(c)(d)(e)Figure 7.Relationship between expression of Hub genes and prognosis of CRC:(a)SPP1;(b)MMP1;(c)MMP3;(d)CXCL1;(e)CXCL5 图图 7.Hub 基因表达与 CRC 预后的关系:(a)SPP1;(b)MMP1;(c)MMP3;(d)CXCL1;(e)CXCL5 4.讨论讨论 作为常见的恶性肿瘤,CRC 的发病率和死亡率很高,其高复发率和肝转移
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