韓利民,葉 鋼,鄧 川,代 姣,趙海龍
(1.重慶市長壽區(qū)人民醫(yī)院內(nèi)分泌內(nèi)科,重慶 401220;2.重慶市長壽區(qū)人民醫(yī)院肝膽外科,重慶 401220;3.重慶市長壽區(qū)人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,重慶 401220;4.重慶市長壽區(qū)人民醫(yī)院藥學(xué)部,重慶 401220;5.遵義醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室,貴州 遵義 563000)
黑色素瘤是一種死亡率較高的惡性腫瘤,主要由皮膚或其他器官的黑色素細(xì)胞產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計,2020 年全球新發(fā)黑色素瘤的人數(shù)為324 635 例,因黑色素瘤死亡的人數(shù)達(dá)57 043[1]。目前黑色素瘤的治療主要包括以下4 種:傳統(tǒng)手術(shù)切除、放射治療、化學(xué)治療及靶向治療等。越來越多的證據(jù)表明,靶向藥物或免疫藥物的輔助治療顯著改善了黑色素瘤患者的總體生存率,是治療黑色素瘤的新途徑[2,3]。然而,多項臨床試驗的結(jié)果表明,部分黑色素瘤患者,甚至一些基因突變負(fù)荷較高或PD-1/PD-L1 表達(dá)較高的人群對以上藥物并沒有有效的反應(yīng)[4]。研究顯示,處于早期階段的黑色素瘤患者5年生存率高達(dá)95%,但晚期轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者5年生存率僅為5%~10%[5,6]。因此,探索更多有助于黑色素瘤診斷和治療的潛在標(biāo)志物和靶點具有十分重要意義。
E2F3 是E2F 家族中的轉(zhuǎn)錄因子之一,主要參與細(xì)胞周期調(diào)控。近年來,多項證據(jù)表明,E2F3 在肺癌、胃癌、乳腺癌、肝癌等多種腫瘤中的表達(dá)均明顯升高,并能促進(jìn)腫瘤的發(fā)生和發(fā)展[7-10]。然而,E2F3 在黑色素瘤中的變異、表達(dá)及臨床意義目前并不完全清楚,因此,本文旨在通過多種數(shù)據(jù)庫廣泛分析E2F3 在黑色素瘤中的診斷價值及臨床意義。
cBioportal 數(shù)據(jù)庫是分析癌癥基因組學(xué)及其可視化的常用數(shù)據(jù)庫,可以分析單基因或多基因在不同腫瘤中的變異情況。選擇7 項非轉(zhuǎn)移性黑色素瘤的臨床測序數(shù)據(jù)(總共1 905 樣本),在Enter Genes欄中輸入E2F3 后進(jìn)行分析。通過Oncoprint、Cancer Types Summary、Mutations 菜單獲得E2F3基因在黑色素瘤中的總變異率和變異亞型,通過Comparison/Survive 菜單獲得E2F3 變異組和非變異組的總生存時間曲線圖。
Oncomine 數(shù)據(jù)庫可挖掘靶基因在不同腫瘤類型及其相應(yīng)正常組織的表達(dá)差異分析數(shù)據(jù)。Cancer type 設(shè)定為malenoma,Gene 設(shè)定為E2F3,Analysis Type 設(shè)定為Cancer VS Normal Analysis,Data Type 設(shè)定為mRNA,設(shè)定Pvalue<0.05,F(xiàn)old Change>2,Gene Rank=Top 10%,最后點擊submit 獲得E2F3基因在黑色素瘤和正常皮膚組織中的表達(dá)差異。
選取GSE3189、GSE114445、GSE100050 和GSE46517 4 個黑色素瘤相關(guān)數(shù)據(jù)集。分別通過在線GEO2R 分析工具(P<0.05, Log |FC|≥1)獲得所有差異表達(dá)基因,并進(jìn)一步比較E2F3基因在黑色素瘤和正常皮膚中的表達(dá)水平。
OSskcm 數(shù)據(jù)庫是由中國學(xué)者開發(fā)專用于黑色素瘤的生存分析數(shù)據(jù)庫,其數(shù)據(jù)包括TCGA 和部分GEO 數(shù)據(jù)集。Gene symbol 輸入E2F3,Data Source選擇TCGA,Split patients by 選擇Upper 50%,Survival 分別選擇OS 和 PFI,最后點擊Kaplan-Meier獲得KM 生存曲線圖,比較E2F3高表達(dá)組和低表達(dá)組的總生存時間和無進(jìn)展間隔期時間。
TISIDB 數(shù)據(jù)庫是基于TCGA 數(shù)據(jù)分析腫瘤與免疫系統(tǒng)相互作用的綜合數(shù)據(jù)庫,可分析不同腫瘤中目的基因與免疫治療、淋巴細(xì)胞、免疫調(diào)節(jié)劑、趨化因子、免疫細(xì)胞亞型等之間的關(guān)系。在Gene Symbol 中輸入E2F3 進(jìn)行,通過Lymphocyte、Chemokines 和Subtype 菜單獲取黑色素瘤中E2F3基因的表達(dá)、甲基化和CNA 水平與各種腫瘤浸潤性淋巴細(xì)胞和趨化因子的相關(guān)性,以及E2F3表達(dá)水平與黑色素瘤不同免疫亞型的相關(guān)性。
LinkedOmics 數(shù)據(jù)庫是一個包含32 種癌癥類型的多組學(xué)在線分析數(shù)據(jù)庫,可進(jìn)行單基因關(guān)聯(lián)分析和功能富集分析。選擇TCGA_SKCM 數(shù)據(jù)集中RNAseq 為數(shù)據(jù),以E2F3為目的基因,采用Spearman 法進(jìn)行分析,最后獲得黑色素瘤中與E2F3基因共表達(dá)的相關(guān)差異基因及其富集的生物學(xué)功能。
CMap 數(shù)據(jù)庫是一個篩選小分子化合物的化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫。點擊Query 工具,Query parameters 選擇Gene expression (L1000),以P<0.05,|cor|≥0.5 為切點,將與E2F3表達(dá)水平呈正相關(guān)基因(61 個)和負(fù)相關(guān)的基因(35 個)分別輸入“UP-regulated genes”和“DOWN-regulated genes”框后進(jìn)行分析,最終得出潛在的前五位小分子化合物。
cBioportal 數(shù)據(jù)庫分析結(jié)果顯示E2F3基因在黑色素瘤中仍存在低度變異。在1 905 例黑色素瘤人群中,約4%患者E2F3基因存在CNA 變化或突變,其類型主要包括基因擴(kuò)增(40 樣本)和缺失(25樣本),見圖1。通過對突變位點分析發(fā)現(xiàn),E2F3在黑色素瘤的突變位點共有21 個,包括E20K、G77S、P89S、R134Q、E140D 等位點,具體位置及編碼蛋白見圖2。
圖1 E2F3 基因在黑色素瘤中變異分析Fig 1 Variation analysis of E2F3 gene in melanoma
圖2 E2F3 基因在黑色素瘤中變異位點Fig 2 The gene mutation sites of E2F3 in melanoma
Oncomine 數(shù)據(jù)庫結(jié)果顯示E2F3基因在多種腫瘤中表達(dá)均高于正常組織,其中有2 項研究顯示E2F3在黑色素瘤中表達(dá)也明顯升高,見圖3。結(jié)果表明,與正常皮膚組織相比,黑色素瘤中E2F3基因表達(dá)水平明顯升高(t=5.06 or 9.61,P<0.01),F(xiàn)old change 值分別為3.146 和3.687,見圖3。通過GSE3189、GSE114445、GSE100050 和GSE465174個黑色素瘤相關(guān)GEO 數(shù)據(jù)集進(jìn)行進(jìn)一步分析,結(jié)果顯示E2F3基因在黑色素瘤中表達(dá)水平均明顯高于正常皮膚組織(P<0.01),具體結(jié)果見表1。
表1 E2F3 基因在黑色素瘤和正常皮膚組織的表達(dá)(GEO 數(shù)據(jù)庫)Tab 1 Expression of E2F3 gene in melanoma and normal skin tissues(based on GEO database)
圖3 E2F3 基因在黑色素瘤和正常皮膚組織中的表達(dá)(Oncomine 數(shù)據(jù)庫)Fig 3 Expression of E2F3 gene in melanoma and normal skin tissues (based on Oncomine database)
cBioportal 數(shù)據(jù)庫結(jié)果表明,與非變異組相比,E2F3變異組的黑色素瘤患者總生存期(Overall Survival, OS)明顯縮短(P<0.01),見圖4。OSskcm 數(shù)據(jù)庫生存分析結(jié)果也顯示,黑色素瘤中E2F3基因高表達(dá)組患者的OS 和無進(jìn)展間隔期(Progression Free Interval, PFI)均顯著低于E2F3基因低表達(dá)組(P<0.05),見圖4。以上結(jié)果均提示E2F3基因變異或表達(dá)增高的黑色素瘤患者預(yù)后更差。
圖4 E2F3 基因變異和表達(dá)水平與黑色素瘤的KM 曲線圖Fig 4 KM curves of E2F3 gene mutation and expression level with melanoma
TISIDB 數(shù)據(jù)庫結(jié)果顯示,E2F3的CNA、甲基化和表達(dá)均與黑色素瘤中多種免疫浸潤細(xì)胞和趨化因子均顯著相關(guān)(Sperman 法),見圖5。E2F3的CNA 水平與pDC(rho:-0.374,P<0.01)、Neutrophil(rho:-0.361,P<0.01)、Th17(rho:-0.337,P<0.01)等淋巴細(xì)胞的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān),與CXCL5(rho:-0.293,P<0.01)、CCL13(rho:-0.265,P<0.01)、CCR1(rho:-0.286,P<0.01)等趨化因子的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān),見圖5。E2F3的甲基化水平與Th1(rho: 0.302,P<0.01)、Neutrophil(rho:0.294,P<0.01)、Act DC(rho: 0.273,P<0.01)等淋巴細(xì)胞的表達(dá)水平呈正相關(guān),與CXCL16(rho:- 0.248,P<0.01)、CXCL12(rho:- 0.21,P<0.01)、CCR1(rho:-0.24,P<0.01)等趨化因子的表達(dá)水平呈正相關(guān),見圖5。E2F3的表達(dá)水平與Th17(rho:- 0.375,P<0.01)、Tcm CD4(rho:-0.369,P<0.01)、Th1(rho:-0.36,P<0.01)、等淋巴細(xì)胞的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān),與CXCL 16(rho:- 0.462,P<0.01)、CCL 22(rho:- 0.296,P<0.01)、CCL 2(rho:-0.288,P<0.01)等趨化因子的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān),見圖5。
圖5 E2F3 基因突變和表達(dá)與黑色素瘤中免疫浸潤細(xì)胞和趨化因子的相關(guān)性熱圖Fig 5 Correlation heat map of E2F3 gene mutation and expression with immune infiltrating cells and chemokines in melanoma
通過對黑色素瘤的免疫亞型和分子亞型進(jìn)行進(jìn)一步分析,結(jié)果顯示E2F3表達(dá)水平在不同免疫亞型和分子亞型中也具有差異(P<0.05),見圖6。E2F3分別在wound healing 組和RAS_Hotspot 突變組表達(dá)最高,而在TGF-b dominant 和BRAF_Hotspot 突變組表達(dá)最低,見圖6。
圖6 E2F3 基因在黑色素瘤不同亞型的表達(dá)Fig 6 Expression of E2F3 gene in different subtypes of melanoma
LinkedOmics 數(shù)據(jù)庫結(jié)果顯示,以FDR<0.05為條件,黑色素瘤中與E2F3表達(dá)相關(guān)的差異基因共5 369 個,其中2 856 個基因與E2F3呈正相關(guān),2 513 個基因與E2F3呈負(fù)相關(guān),這表明盡管相關(guān)基因表達(dá)的方向不一致,但這些基因和E2F3共同促進(jìn)了黑色素瘤的發(fā)生和發(fā)展,其機(jī)制可能與細(xì)胞凋亡、細(xì)胞增值、細(xì)胞周期等生物進(jìn)程改變有關(guān)。BLM、GLO1、HCG18等基因與E2F3基因表達(dá)呈顯著正相關(guān),而IFITM3、IGFBP6、KCTD11等基因與E2F3基因表達(dá)呈顯著負(fù)相關(guān),TOP50的相關(guān)基因熱圖見圖7。
圖7 黑色素瘤中與E2F3 基因表達(dá)相關(guān)前50 個基因的熱圖Fig 7 Heat map of the first 50 genes related to E2F3 gene expression in melanoma
采用GSEA 方法進(jìn)行GO 和KEGG 生物學(xué)功能分析。結(jié)果顯示BP 主要集中在核糖核蛋白復(fù)合物的生物生成(Ribonucleoprotein complex biogenesis)、DNA 重組(DNA recombination)、RNA 3'-端加工(RNA 3'-end processing)等生物學(xué)進(jìn)程,CC 主要集中在染色體區(qū)(chromosomal region)、三級顆粒(tertiary granule)、PcG 蛋白復(fù)合物(PcG protein complex)等細(xì)胞組分,MF 主要集中在螺旋酶活性(helicase activity)、DNA 二級結(jié)構(gòu)結(jié)合(DNA secondary structure binding)、組蛋白結(jié)合(histone binding)等分子功能,見表2,圖8。KEGG 結(jié)果顯示主要富集在RNA 轉(zhuǎn)運、真核生物的核糖體生物生成、細(xì)胞周期等通路有關(guān),見圖9。
表2 E2F3 相關(guān)基因的GO 生物學(xué)分析結(jié)果Tab 2 GO biological analysis results of E2F3 related genes
圖8 E2F3 相關(guān)差異基因的GO 分析結(jié)果Fig 8 GO analysis results of E2F3 related differential genes
圖9 E2F3 相關(guān)差異基因的KEGG 分析結(jié)果Fig 9 KEGG analysis results of E2F3 related differential genes
以P<0.05,|cor|≥0.45 為條件篩選出與E2F3相關(guān)的770 個基因,采用STRING(https://cn.string-db.org/)進(jìn)行在線PPI 網(wǎng)絡(luò)繪圖,結(jié)果見圖10,并將結(jié)果導(dǎo)入Cytoscpae 3.8.0 中,使用MCODE 和cyto-Hubba 模塊進(jìn)行進(jìn)一步分析。MCODE 分析結(jié)果總共得出9 個模塊,其中評分最高的模塊如下,score=8.667,見圖11。cytoHubba(MCC 計算法)總共得到10 個hub 基因,分別為WDR12、WDR43、RBM28、UTP18、DKC1、PAK1IP1、DDX31、TEX10、TRUB1、TRMT61B,見圖11。
圖10 E2F3 相關(guān)基因的PPT 網(wǎng)絡(luò)富集圖Fig 10 PPT network enrichment map of E2F3 related genes
圖11 E2F3 相關(guān)基因的MCODE (Top1)和hub 基因(Top10)分析結(jié)果Fig 11 MCODE ( Top1 ) and hub genes ( Top10 ) analysis results of E2F3 related genes
采用GEPIA 在線數(shù)據(jù)庫(http://gepia.cancerpku.cn/detail.php)鑒定以上基因在黑色素瘤中的表達(dá),結(jié)果發(fā)現(xiàn)WDR12、PAK1IP1在黑色素瘤中的表達(dá)水平明顯高于正常組織(P<0.01),見圖12。PAK1IP1與黑色素瘤的分期有關(guān)(F=2.58,P<0.05),見圖13。以上結(jié)果表明WDR12、PAK1IP1在黑色素瘤中具有潛在的診斷價值。
圖12 WDR12、PAK1IP1 在黑色素瘤與正常組織中的表達(dá)水平Fig 12 Expression levels of WDR12 and PAK1IP1 in melanoma and normal tissues
圖13 PAK1IP1 與黑色素瘤臨床分期Fig 13 PAK1IP1 and clinical stage of melanoma
通過CMap 數(shù)據(jù)庫共篩選出2 837 種相關(guān)小分子化合物,分?jǐn)?shù)最低的前5 種依次為YC-1(Score=-99.37)、辛伐他?。╯imvastatin,Score=-99.19)、細(xì)胞松弛素-d(cytochalasin-d,Score=-99.01)、Deforolimus(Score=-98.94)和細(xì)胞松弛素-b(cytochalasin-b,Score=-98.34),見圖14。
圖14 治療黑色素瘤的小分子化合物分?jǐn)?shù)熱圖 (前5 種)Fig 14 Fractional heat maps of the small molecule compounds for melanoma treatment (Top 5)
E2F3是E2F 家族中一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子,已被證實其在多種腫瘤中表達(dá)均增高,并且與腫瘤預(yù)后息息相關(guān)。E2F3主要參與細(xì)胞周期進(jìn)程、DNA復(fù)制、DNA 修復(fù)和細(xì)胞凋亡等生物學(xué)過程,能與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶相互作用,促進(jìn)細(xì)胞周期從G1期進(jìn)入S 期。具體來說,E2F3分為E2F3a和E2F3b兩種異構(gòu)體,兩者均有助于E2F3靶基因轉(zhuǎn)錄的激活。然而,E2F3a屬于基因轉(zhuǎn)錄的激活劑,而E2F3b卻屬于基因轉(zhuǎn)錄的典型的阻遏子。因此,在不同研究中,E2F3可能在調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖等生物學(xué)功能方面表現(xiàn)出不同的作用。目前,E2F3在黑色素瘤的變異、表達(dá)和臨床意義并不完全清楚。
通過多種數(shù)據(jù)庫分析,本研究發(fā)現(xiàn)E2F3基因在黑色素瘤中存在低度變異,其表達(dá)水平明顯高于正常皮膚組(P<0.01)。具體來看,E2F3基因在黑色素瘤中的變異率為約4%,主要以CNA 變化或突變?yōu)橹?,其突變位點有21 個。E2F3基因在黑色素瘤中表達(dá)水平大約是正常皮膚組織的2~3 倍不等,這表明E2F3的表達(dá)水平能協(xié)助黑色素瘤的早期診斷。在E2F3與黑色素瘤的預(yù)后分析中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)E2F3變異組黑色素瘤患者的OS 明顯低于非E2F3變異組(P<0.01),E2F3表達(dá)水平升高與黑色素瘤患者的OS 和PFI 縮短有關(guān)(P<0.05)。上述結(jié)果提示E2F3基因的突變和表達(dá)水平可能是預(yù)測黑色素瘤患者預(yù)后的指標(biāo)之一。但在多因素回歸分析中,并未能得出E2F3是黑色素瘤的獨立預(yù)測指標(biāo)。
基于腫瘤微環(huán)境中免疫浸潤細(xì)胞也是腫瘤發(fā)生和發(fā)展的另一個關(guān)鍵驅(qū)動因素,本研究進(jìn)一步分析了E2F3的變異和表達(dá)與黑色素瘤中免疫浸潤細(xì)胞或趨化因子的相關(guān)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)E2F3的CNA、甲基化和表達(dá)均與黑色素瘤中多種免疫浸潤細(xì)胞和趨化因子有關(guān)(P<0.05)。E2F3的CNA 和表達(dá)水平與中性粒細(xì)胞、DC、T 細(xì)胞亞群和多種趨化因子的表達(dá)水平均呈負(fù)相關(guān),這表明E2F3變異和表達(dá)水平升高能影響腫瘤微環(huán)境中免疫浸潤細(xì)胞的亞群,進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生,但具體機(jī)制尚不清楚。
在上述基礎(chǔ)上,本研究還探究E2F2促進(jìn)黑色素瘤發(fā)生和發(fā)展的潛在機(jī)制。通過相關(guān)數(shù)據(jù)庫分析,發(fā)現(xiàn)黑色素瘤中與E2F3表達(dá)相關(guān)的差異基因共7 702 個(P<0.05),其中3 956 個基因與E2F3呈正相關(guān),3 746 個基因與E2F3呈負(fù)相關(guān)。通過KEGG 富集分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)上述基因主要富集在RNA 轉(zhuǎn)運、真核生物的核糖體生物生成(Ribosome biogenesis in eukaryotes)等通路有關(guān),這表明E2F3可能通過以上通路參與黑色素瘤的發(fā)生和發(fā)展。通過對差異基因進(jìn)行MCODE 和cytoHubba 分析,總共得到10 個hub 基因,其中WDR12、PAK1IP1在黑色素瘤中的表達(dá)水平明顯高于正常組織(P<0.01),PAK1IP1與黑色素瘤的分期有關(guān)(P<0.05)。以上結(jié)果暗示W(wǎng)DR12、PAK1IP1在黑色素瘤中具有潛在的價值。通過GeneCards 網(wǎng)站查詢發(fā)現(xiàn)WDR12和PAK1IP1都是核糖體蛋白,主要在細(xì)胞核內(nèi)表達(dá),參與細(xì)胞周期、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等細(xì)胞進(jìn)程。在既往研究中,WDR12已被證實在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和肝細(xì)胞癌中表達(dá)明顯升高,并且與患者預(yù)后呈負(fù)相關(guān)。體外實驗結(jié)果表明敲除WDR12或干擾WDR12表達(dá)下能抑制腫瘤細(xì)胞的增殖和侵襲,機(jī)制與抑制細(xì)胞周期和Akt-mTOR-S6K1 信號通路有關(guān)[11,12]。而PAK1IP1在HEK293T、A549、H1299 等腫瘤細(xì)胞系中均表現(xiàn)出抑制作用,過表達(dá)PAK1IP1能誘導(dǎo)p53 途徑阻滯細(xì)胞周期抑制細(xì)胞增殖[13]。但目前兩者與黑色素瘤并沒有相關(guān)研究,其與黑色素瘤關(guān)系尚不清楚。
最后本研究通過CMap 數(shù)據(jù)庫對黑色素瘤治療潛在藥物進(jìn)行探索,結(jié)果發(fā)現(xiàn)YC-1、辛伐他汀、細(xì)胞松弛素-d、Deforolimus 和細(xì)胞松弛素-b 可能是治療黑色素瘤的前5 種的小分子化合物。其中,辛伐他汀、細(xì)胞松弛素-d 和細(xì)胞松弛素-b 已經(jīng)在A375 黑色素瘤細(xì)胞系中得到驗證,而YC-1 和Deforolimus 與黑色素瘤尚無相關(guān)研究。YC-1 是鳥苷酸環(huán)化酶激活劑,也是缺氧誘導(dǎo)因子抑制劑,其靶點主要為HIF1A、GUCY1A2 等蛋白,能有效抑制HIF1α 的表達(dá)[14]。體外研究發(fā)現(xiàn)YC-1 能抑制肝細(xì)胞癌和乳腺癌細(xì)胞的增殖[15-17]。Deforolimus(MK-8669)是一種選擇性的mTOR 抑制劑,多項臨床試驗結(jié)果顯示其單用或聯(lián)合應(yīng)用對肉瘤、惡性血液病以及其他實體腫瘤均良好的抗癌作用[18,19]。以上結(jié)果表明YC-1、辛伐他汀、細(xì)胞松弛素-d、deforolimus 和細(xì)胞松弛素-b 在黑色素瘤的治療中具有潛在的應(yīng)用前景。
綜上所述,本研究通過多種數(shù)據(jù)庫從多維度分析E2F3在黑色素瘤中的作用和價值,最終發(fā)現(xiàn)E2F3基因的突變和表達(dá)水平升高與黑色素瘤的不良預(yù)后相關(guān),并通過影響不同腫瘤免疫浸潤細(xì)胞亞型參與黑色素瘤的發(fā)生和發(fā)展,其可能是黑色素瘤的潛在診斷標(biāo)志物和治療靶點。
作者貢獻(xiàn)度說明:
韓利民:負(fù)責(zé)文稿的設(shè)計和撰寫;葉鋼、鄧川、代姣:負(fù)責(zé)文章相關(guān)數(shù)據(jù)庫分析;趙海龍:負(fù)責(zé)文稿的修改和審校。
所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。