楊秋怡,易嘉寧,郭妙蘭,范培芝,喻潔,曾杰
(湖南師范大學(xué)附屬第一醫(yī)院/湖南省人民醫(yī)院 乳甲外科,湖南 長沙 410005)
乳腺癌(breast cancer)已超過肺癌成為女性最常見的惡性腫瘤[1],是全球女性癌癥死亡的主要原因[2]。隨著早期篩查的進步以及抗癌策略的不斷發(fā)展,乳腺癌的治療有了很大的改善。然而,乳腺癌的復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移率仍然很高。由于腫瘤的異質(zhì)性和復(fù)雜性,現(xiàn)有的生物標(biāo)志物在預(yù)測乳腺癌預(yù)后方面受到限制[3]。因此,為了提高預(yù)后并指導(dǎo)個體化精準(zhǔn)治療,探索新的生物標(biāo)志物作為臨床研究領(lǐng)域的預(yù)后指標(biāo)成為迫切需要。
即使在氧氣存在的情況下,腫瘤細(xì)胞的增殖也以增加糖酵解代謝為特征,稱為有氧糖酵解,即Warburg 效應(yīng)[4]。有氧糖酵解已被證實可促進腫瘤的發(fā)生、發(fā)展[5-6]。丙酮酸脫氫酶復(fù)合物(pyruvate dehydrogenase complex,PDHC)是位于線粒體基質(zhì)的多酶復(fù)合物,發(fā)揮催化作用可以使丙酮酸氧化脫羧轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A,從而將糖酵解、三羧酸循環(huán)以及氧化磷酸化聯(lián)系起來[7-8]。PDHC 由丙酮酸脫氫酶(E1)、二氫硫辛酰胺轉(zhuǎn)乙酰酶(E2)和二氫硫辛酸脫氫酶(E3)組成,其中丙酮酸脫氫酶(E1)由α 和β 亞單位組成,α 亞單位即PDHA1,是PDHC 的活性調(diào)控位點[9]。最近,Tsvetkov 等[10]研究發(fā)現(xiàn)一種新的細(xì)胞死亡途徑,即銅離子載體誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡,稱為銅死亡(cuproptosis),并已證明銅直接與三羧酸循環(huán)中的脂?;煞纸Y(jié)合,導(dǎo)致蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。并且該研究為確定介導(dǎo)銅死亡的特定代謝途徑,進行了全基因組CRISPR/Cas9 功能缺失篩選,獲得了10 個銅死亡相關(guān)基因:FDX1、LIAS、LIPT1、DLD、DLAT、PDHA1、PDHB、MTF1、GLS、CDKN2A,PDHA1 作為銅死亡的相關(guān)基因,參與銅死亡過程的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn),PDHA1 的表達與多種腫瘤的預(yù)后相關(guān),如胃癌[11]、子宮頸鱗狀細(xì)胞癌[12]、肝癌[13]、頭頸鱗狀細(xì)胞癌[14]、腎細(xì)胞癌[15]、卵巢癌[16]等。而乳腺癌中PDHA1 表達與預(yù)后關(guān)系卻少有研究。本研究旨在運用生物信息學(xué)方法探討PDHA1 與乳腺癌預(yù)后關(guān)系并構(gòu)建預(yù)后相關(guān)的列線圖模型。
癌癥基因組圖譜數(shù)據(jù)庫(the cancer genome atlas,TCGA)(https//portal.gdc.cancer.gov)是目前最大的癌癥基因信息數(shù)據(jù)庫,保存了包括基因表達數(shù)據(jù)、拷貝數(shù)變異等數(shù)據(jù)[17]。從TCGA 數(shù)據(jù)庫中并下載乳腺癌患者的基因信息和臨床病理數(shù)據(jù)。利用R 語言整理其臨床資料,選擇TNM 分期、病理分期、人種、年齡、組織學(xué)類型、ER、PR 和HER-2狀態(tài)、PAM50 亞型、絕經(jīng)狀態(tài)、放療情況、生存時間、生存狀態(tài)等信息完整的患者共1 065 例,將患者分為PDHA1 高表達者533 例,低表達者532 例,比較其臨床參數(shù)。
腫瘤免疫評估資源(TIMER)數(shù)據(jù)庫(https://cistrome.shinyapps.io/timer)是一個準(zhǔn)確且方便地分析腫瘤免疫的工具,包含32 種癌癥類型,涵蓋10 897 個來自TCGA 數(shù)據(jù)庫中的樣本[18],本研究利用TIMER 數(shù)據(jù)庫差異表達模塊分析PDHA1 基因在多種癌癥中的表達情況。利用TCGA 數(shù)據(jù)庫對乳腺癌中PDHA1 mRNA 的表達進行分析。UALCAN 數(shù)據(jù)庫(http://ualcan.path.uab.edu)是一個基于TCGA 數(shù)據(jù)庫中相關(guān)癌癥數(shù)據(jù)進行在線分析和挖掘的網(wǎng)站工具[19]。本研究利用該數(shù)據(jù)庫分析比較PDHA1 在人正常乳腺組織和乳腺癌組織中的蛋白表達。HPA 數(shù)據(jù)庫(The Human Protein Atlas)(https://www.pro-teinatlas.org)是2003 年由瑞典科學(xué)家發(fā)起的項目,旨在利用不同的組學(xué)技術(shù)繪制細(xì)胞、組織和器官中所有的人類蛋白質(zhì)圖譜。利用該數(shù)據(jù)庫分析PDHA1 免疫組織化學(xué)結(jié)果,進一步驗證PDHA1的表達水平。
STRING 數(shù)據(jù)庫(https://cn.string-db.org)是專門用于生物體范圍蛋白質(zhì)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的幾個在線資源之一[20]。利用該數(shù)據(jù)庫中蛋白質(zhì)互作信息對PDHA1 構(gòu)建蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)(PPI)。Gene MANIA數(shù)據(jù)庫可對基因數(shù)據(jù)集進行分析和預(yù)測,以分子網(wǎng)絡(luò)的形式顯示這些基因之間的關(guān)系(http://genemania.org)[21]。利用該數(shù)據(jù)庫繪制PDHA1 的基因-基因互作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖
Kaplan-Meier Plotter 數(shù)據(jù)庫(http://kmplot.com/annalyss)包括基因表達數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)[22]。利用該數(shù)據(jù)庫在線分析上述數(shù)據(jù)中PDHA1 的表達對乳腺癌患者總生存期(overall survival,OS)、無復(fù)發(fā)生存期(relapse free survival,RFS)、進展后生存期(post progression survival,PPS)、無轉(zhuǎn)移生存期(distant metastasis free survival,DMFS)的影響。并在TCGA 數(shù)據(jù)庫中進一步驗證PDHA1 的表達對乳腺癌患者OS 的影響。運用單因素和多因素Cox 回歸分析研究PDHA1 在乳腺癌中的預(yù)后價值。將TNM 分期、Stage 分期、人種、年齡、組織學(xué)類型、ER、PR 和HER-2 狀態(tài)、PAM50 亞型、絕經(jīng)狀態(tài)、放療情況等進行分層分析各亞組中PDHA1 的表達與乳腺癌患者OS 的關(guān)系。P<0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
通過GEPIA 數(shù)據(jù)庫(http://gepia.cancer-pku.cn)[23]篩選出PDHA1 的共表達基因,使用R 包“clusterProfiler”對其進行GSEA,使用校正的P值和歸一化的富集分?jǐn)?shù)(NES)表征富集分析的結(jié)果。用“ggplot2”包使GSEA 富集分析可視化。
GeneCards 數(shù)據(jù)庫(www.genecards.org)是一個全面的、權(quán)威的人類基因注釋信息綱要,提供了所有已知和預(yù)測的人類基因的簡明基因組、蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組、疾病和功能數(shù)據(jù)[24],本研究利用該數(shù)據(jù)庫尋找與PDHA1 基因有關(guān)的潛在相互作用的化合物。
運用R 語言survival 和rms 軟件包(survival package R 3.6.3、rms package R 3.6.3)構(gòu)建乳腺癌預(yù)后因素預(yù)測列線圖模型,將基于單因素和多因素Cox 回歸分析中篩選出來的影響乳腺癌預(yù)后的獨立危險因素及PDHA1 的表達納入列線圖中。并繪制校準(zhǔn)曲線以評估PDHA1 列線圖的預(yù)測和實際觀察之間的一致性。
采用χ2檢驗分析PDHA1 表達與乳腺癌臨床病理特征之間的關(guān)系。PDHA1 基因低表達組和高表達組在T 分期(P<0.001)、病理分期(P=0.031)、人種(P<0.001)、組織學(xué)類型(P<0.001)、PR 狀態(tài)(P<0.001)、ER 狀態(tài)(P<0.001)、PAM50 亞型(P<0.001)方面比較,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(表1)。
表1 來自TCGA數(shù)據(jù)庫的乳腺癌樣本中PDHA1表達與臨床病理學(xué)特征之間的關(guān)聯(lián)[n(%)]Table 1 Association between PDHA1 expression and clinicopathologic characteristics in breast cancer samples from the TCGA database [n (%)]
TIMER 數(shù)據(jù)庫分析顯示PDHA1 在乳腺癌中低表達(P<0.001),另外,腎上腺皮質(zhì)癌(ACC)、食管癌(ESCA)、腎透明細(xì)胞癌(KIRC)、急性髓性白血病(LAML)等腫瘤中PDHA1 也明顯呈低表達(P<0.001)(圖1A);TCGA 數(shù)據(jù)庫分析顯示乳腺癌患者PDHA1 mRNA 的表達水平顯著低于正常乳腺組織(P<0.001)(圖1B);利用UALCAN 數(shù)據(jù)庫分析PDHA1 蛋白在正常與乳腺癌組織中的表達情況,結(jié)果(圖1C)顯示PDHA1 蛋白在乳腺癌組織中低表達(P<0.001),HPA 數(shù)據(jù)庫顯示乳腺正常組織中PDHA1 染色為高水平,而在乳腺癌組織中PDHA1 染色為低水平,進一步驗證PDHA1 蛋白在乳腺癌組織中低表達這一結(jié)果(圖1D)。
圖1 PDHA1 的表達分析 A:PDHA1 在不同腫瘤中的表達;B:乳腺癌組織及正常組織中PDHA1 的表達情況;C:UALCAN數(shù)據(jù)庫中PDHA1蛋白在乳腺癌和正常組織中的表達情況;D:HPA數(shù)據(jù)庫中PDHA1蛋白在乳腺癌和正常組織中的表達情況Figure 1 Analysis of PDHA1 expression A: Expressions of PDHA1 in different tumors;B: Expressions of PDHA1 in breast cancer and normal tissue;C: Expressions of PDHA1 protein in breast cancer and normal tissues in UALCAN database;D: Expressions of PDHA1 protein in breast cancer and normal tissues in HPA database
通過構(gòu)建PPI 蛋白互作網(wǎng)絡(luò),與PDHA1 相關(guān)互作蛋白有15 個,包括:PDHB、DLD、PDHX、IDH2、DLAT、IDH3A、IDH3G、SUCLA2、PDP1、PDK4、PDK1、PDK3、IDH3B、DLST、OGDH(圖2)。
圖2 DHA1相互作用蛋白網(wǎng)絡(luò)分析Figure 2 Analysis of PDHA1 interaction protein network
通過構(gòu)建基因-基因互作網(wǎng)絡(luò),與PDHA1 相關(guān)互作基因有20 個,即PDK1、PDK2、PDK3、DLAT、PDHX、PDHA2、PDHB、CS、HSD17B10、DLD、PDPR、PDP1、TRIM2、TRIM3、OGDH、ACO11462.1、DHTKD1、OGDHL、ABAT、OAT(圖3)。
圖3 PDHA1基因-基因互作網(wǎng)絡(luò)Figure3 PDHA1 gene-gene interaction network
乳腺癌患者中PDHA1 的表達與OS、RFS、PPS、DMFS 預(yù)后結(jié)果的關(guān)系如圖4 所示:PDHA1基因高表達組的OS(HR=1.26,95%CI=1.02~1.54,P=0.029)、RFS(HR=1.18,95%CI=1.05~1.32,P=0.005 1)、PPS(HR=1.41,95%CI=1.07~1.86,P=0.015)、DMFS(HR=1.29,95%CI=1.1~1.52,P=0.002 3)均低于低表達組。在TCGA 數(shù)據(jù)庫中進一步得到驗證PDHA1 基因高表達組的OS 低于低表達組(HR=1.47,95%CI=1.06~2.05,P=0.021)。單因素Cox 回歸分析結(jié)果提示TNM 分期、病理分期、年齡、分子分型、絕經(jīng)狀態(tài)、放射治療和PDHA1 表達均為影響患者預(yù)后的因素(P<0.05)。多因素Cox回歸分析顯示PDHA1 表達不是乳腺癌患者預(yù)后的獨立危險因素(表2)。另外,在年齡>60 歲、T2 期、N3 期、M0 期、病理Ⅱ期、絕經(jīng)后、左乳乳腺癌患者的OS 中,PDHA1 高表達組低于PDHA1 低表達組(圖5)(P<0.05)。
表2 PDHA1單因素和多因素Cox回歸分析Table 2 Univariate Cox regression analysis and multivariate Cox regression analysis of PDHA1
圖5 PDHA1表達與乳腺癌各亞組預(yù)后的關(guān)系Figure 5 Relationship between PDHA1 expression and prognosis of breast cancer subgroups
表2 PDHA1單因素和多因素Cox回歸分析(續(xù))Table 2 Univariate Cox regression analysis and multivariate Cox regression analysis of PDHA1 (continued)
圖4 PDHA1表達與乳腺癌的預(yù)后的關(guān)系Figure 4 Relationship between PDHA1 expression and prognosis of breast cancer
通過GEPIA 數(shù)據(jù)庫進行相關(guān)性分析,篩選得到PDHA1 的共表達基因,為了進一步探索PDHA1共表達基因相關(guān)的信號通路,對其進行GSEA 富集分析,并繪制山巒圖(圖6A-B)。結(jié)果顯示與乳腺癌中PDHA1 共表達基因顯著相關(guān)的6 條通路包括:S 期、姐妹染色單體分離、細(xì)胞周期檢查點、細(xì)胞外基質(zhì)組織、核心基質(zhì)、三羧酸循環(huán)通路。
圖6 集富集分析 A:PDHA1共表達基因基因集富集分析;B:PDHA1共表達基因基因集富集分析山巒圖Figure 6 Enrichment analysis A: Gene set enrichment analysis of PDHA1 co-expressed gene;B: Mountains map for enrichment analysis of PDHA1 co-expressed gene set
從GeneCards 數(shù)據(jù)庫中得到與PDHA1 有關(guān)的化合物共10 種:輔酶A、CPI-613、硫辛酰胺、輔酶、α-酮異戊酸酯、2-氧代丁酸、丙酮酸、輔羧酶、二氧化碳、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(圖7)。其中已批準(zhǔn)的化合物是:丙酮酸、輔羧酶、二氧化碳、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸;尚在實驗中的是:硫辛酰胺、輔酶、α-酮異戊酸酯、2-氧代丁酸;尚在研究中的是:輔酶A、CPI-613。
圖7 PDHA1相關(guān)化合物Figure 7 PDHA1 related compounds
建立一種臨床適用的預(yù)測乳腺癌患者預(yù)后的列線圖來預(yù)測1、3、5 年生存率(圖8A)。5 個預(yù)后參數(shù):PDHA1 表達、年齡、放療、N 分期和M 分期被納入預(yù)測模型。校準(zhǔn)圖顯示列線圖預(yù)測和實際觀察之間有極好的一致性(圖8B)。
圖8 列線圖預(yù)測模型 A:乳腺癌預(yù)后模型列線圖的構(gòu)建;B:乳腺癌預(yù)后列線圖模型校準(zhǔn)圖Figure 8 Nomogram prediction model A: Construction of nomograms for prognosis model of breast cancer;B: Calibration curves of breast cancer prognostic nomogram model
PDHA1 作為丙酮酸脫氫酶復(fù)合物的關(guān)鍵調(diào)控位點,發(fā)揮著連接糖酵解和三羧酸循環(huán)的重要作用,對癌癥代謝轉(zhuǎn)變具有重要意義。最新研究[10]發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)胞體內(nèi)依賴銅離子并且受到調(diào)控的新的死亡方式,即銅死亡,PDHA1 是銅死亡的相關(guān)基因,參與銅死亡過程的調(diào)控。
Sun 等[13]研究發(fā)現(xiàn):肝癌中PDHA1 表達低于正常肝臟組織,其表達與肝癌的腫瘤大小、腫瘤分化和腫瘤分期相關(guān);Song 等[11]研究發(fā)現(xiàn)胃癌中PDHA1 的表達低于正常胃黏膜組織,其表達與胃癌的浸潤深度、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、TNM 分期和神經(jīng)浸潤顯著相關(guān);吳雅珣等研究[12]發(fā)現(xiàn):子宮頸鱗狀細(xì)胞癌組織中PDHA1 表達顯著高于癌旁鱗狀上皮組織,其表達與患者年齡、腫瘤浸潤深度、盆腔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、FIGO 分期有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn):與癌旁乳腺組織相比,PDHA1 在乳腺癌組織中表達下調(diào),其表達與T 分期(P<0.001)、病理分期(P=0.031)、人種(P<0.001)、組織學(xué)類型(P<0.001)、PR 狀態(tài)(P<0.001)、ER 狀態(tài)(P<0.001)、PAM50亞型(P<0.001)相關(guān)。Sun 等[13]報道肝癌中PDHA1表達水平降低與患者OS 低有關(guān);Song 等[11]報道胃癌中PDHA1 的低表達與患者較差的總體生存率顯著相關(guān)。然而吳雅珣等[12]研究報道子宮頸鱗狀細(xì)胞癌PDHA1 高表達患者的OS 較低表達患者的長;Chen 等[14]發(fā)現(xiàn)頭頸鱗狀細(xì)胞癌中較高的PDHA1 表達似乎與患者5 年內(nèi)較差的OS 相關(guān),而在長期(>6 年)環(huán)境中,PDHA1 表達較高的頭頸鱗狀細(xì)胞癌患者卻表現(xiàn)出穩(wěn)定的生存趨勢;Jiang 等[25]研究發(fā)現(xiàn):與正常組織相比,乳腺癌中PDHA1 的表達下調(diào),而PDHA1 水平升高的乳腺癌患者OS、RFS均較差,這與本研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn):乳腺癌中PDHA1 低表達組患者的OS(P=0.029)、RFS(P=0.005 1)、PPS(P=0.015)、DMFS(P=0.002 3)均較PDHA1 高表達組患者的長。另外進一步分層分析中:年齡>60 歲、T2 期、N3 期、M0 期、病理Ⅱ期、絕經(jīng)后患者的OS PDHA1 高表達組低于PDHA1低表達組(P<0.05)。值得關(guān)注的是,PDHA1 在乳腺癌組織中的表達低于正常乳腺組織,但PDHA1低表達乳腺癌患者卻有較好的預(yù)后,提示PDHA1可能在乳腺癌發(fā)生發(fā)展過程中不僅發(fā)揮單一的抑癌或促癌作用。
為分析PDHA1 在乳腺癌發(fā)生發(fā)展中的生物學(xué)功能及分子調(diào)控機制,本研究利用Gene MANIA 數(shù)據(jù)庫繪制PDHA1 基因-基因互作網(wǎng)絡(luò),結(jié)果顯示與PDHA1 相關(guān)互作基因有20 個,其中DLD,DLAT,PDHB 是參與銅死亡過程的基因;另外GSEA 結(jié)果顯示PDHA1 共表達基因顯著相關(guān)的通路共6 條,包括與銅死亡密切相關(guān)的三羧酸循環(huán)通路。Tsvetkov 等[10]研究證明銅死亡主要取決于細(xì)胞內(nèi)銅的積累。一項Meta 分析[26]顯示:與良性乳腺疾病和健康對照組相比,乳腺癌患者的血清銅水平顯著升高。由此,PDHA1 可能通過調(diào)節(jié)銅死亡在乳腺癌中發(fā)揮關(guān)鍵作用。而曹靜等[27]研究發(fā)現(xiàn)PDHA1 表達及活性下降可導(dǎo)致Warburg 效應(yīng)增強,腫瘤細(xì)胞加速分裂,從而導(dǎo)致腫瘤的侵襲性增加。Liu 等[28]研究顯示乙肝病毒X 蛋白結(jié)合蛋白(HBXIP)調(diào)節(jié)糖代謝重編程并下調(diào)乳腺癌中的細(xì)胞色素c 氧化酶2(SCO2)和PDHA1,SCO2和PDHA1 的下調(diào)導(dǎo)致乳酸產(chǎn)生和細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的增加,以及活性氧(ROS)的減少,促進乳腺癌細(xì)胞的生長。因此,筆者推測PDHA1 可能通過調(diào)控Warburg 效應(yīng)與銅死亡過程促進乳腺癌的發(fā)生發(fā)展進而影響患者預(yù)后,這需后續(xù)實驗進一步研究。
列線圖對腫瘤預(yù)后的評估具有重大價值。宋張駿等[29]研究利用SEER 數(shù)據(jù)庫中的臨床病理資料構(gòu)建的列線圖預(yù)后模型可以準(zhǔn)確預(yù)測初診乳腺癌肝轉(zhuǎn)移患者預(yù)后狀態(tài)。Sha 等[30]研究將年齡、腫瘤分期和銅死亡相關(guān)基因評分(CRG-score)作為參數(shù)所構(gòu)建的列線圖用于預(yù)測三陰性乳腺癌患者的總生存率具有較高的準(zhǔn)確性。本研究首次將PDHA1 的表達、年齡、放療、N 分期和M 分期納入預(yù)測模型構(gòu)建乳腺癌患者的預(yù)后預(yù)測列線圖,校準(zhǔn)圖結(jié)果顯示列線圖預(yù)測和實際觀察之間有極好的一致性。本研究構(gòu)建的列線圖可為臨床醫(yī)生對乳腺癌患者預(yù)后的評估以及為乳腺癌患者制定個體化治療方案提供依據(jù)?;赑DHA1 對乳腺癌患者預(yù)后具有良好的預(yù)測作用,本研究利用GeneCards 數(shù)據(jù)庫尋找與PDHA1 有關(guān)的潛在相互作用的化合物,得到輔酶A、CPI-613、硫辛酰胺、輔酶等10 種可能使PDHA1 的表達發(fā)生逆轉(zhuǎn),有望成為治療乳腺癌的化合物。
但本研究存在一定的局限:僅在數(shù)據(jù)庫對乳腺癌PDHA1 的表達及預(yù)后進行了研究,缺乏進一步的體內(nèi)和體外實驗驗證;對于PDHA1 如何調(diào)控銅死亡及Warburg 效應(yīng)進而影響乳腺癌發(fā)生發(fā)展缺乏了解,后期我們將設(shè)計具體實驗進一步探究。
綜上所述,PDHA1 基因高表達組患者的OS、RFS、PPS、DMFS 較PDHA1 低表達組患者的短,PDHA1 表達水平是影響乳腺癌患者預(yù)后的相關(guān)因素。本研究所構(gòu)建的列線圖可為臨床醫(yī)生更準(zhǔn)確地判斷乳腺癌患者的預(yù)后,有望為乳腺癌患者制定個體化治療方案提供依據(jù)。
利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。