劉發(fā)煇 侯婉云 朱麗蘭 羅春英
【摘要】目的探究CDGSH鐵硫結(jié)構(gòu)域2(CISD2)在肝細(xì)胞癌(HCC)發(fā)生發(fā)展中的作用、臨床病理意義及其潛在作用機(jī)制。
方法Kaplan Meierplotter分析CISD2 mRNA表達(dá)與HCC患者5年生存率的關(guān)系;在線網(wǎng)頁(yè)工具STRING構(gòu)建CISD2蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò),基因本體論富集分析CISD2蛋白質(zhì)功能;網(wǎng)頁(yè)工具TIMER分析CISD2在HCC中與免疫細(xì)胞浸潤(rùn)含量之間的關(guān)系;GSEA分析CISD2高表達(dá)在HCC中參與的信號(hào)通路。
結(jié)果(1)CISD2 mRNA高表達(dá)的HCC患者的5年總生存率低于低表達(dá)患者;(2)CISD2與B細(xì)胞、CD4+T細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞的浸潤(rùn)呈負(fù)相關(guān);(3)CISD2主要參與了細(xì)胞內(nèi)二價(jià)鐵硫簇結(jié)合,鐵硫簇綁定以及金屬集群綁定;(4)GSEA分析表明CISD2高表達(dá)在HCC中促進(jìn)卟啉和葉綠素代謝,戊糖、葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)換,抗壞血酸和醛酸代謝,氨基糖和核苷酸糖代謝,淀粉和蔗糖代謝等多條代謝通路。
結(jié)論(1)在HCC中,CISD2 mRNA高表達(dá)與HCC患者的較差預(yù)后有關(guān)。(2)CISD2可能通過(guò)影響腫瘤細(xì)胞的鐵離子、能量代謝和腫瘤免疫微環(huán)境促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生存和增殖。
【關(guān)鍵詞】CISD2 ;肝細(xì)胞癌;生物信息學(xué);預(yù)后;功能網(wǎng)絡(luò)分析
中圖分類號(hào):R735.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADOI:10.3969/j.issn.10031383.2020.06.003
【Abstract】ObjectiveTo investigate the role,clinicopathological significance and potential mechanism of CDGSH Iron Sulfur Domain 2(CISD2) in the occurrence and development of hepatocellular carcinoma(HCC).
MethodsKaplanMeierplotter was used to analyze relationship between CISD2 mRNA expression and 5year survival rate of HCC patients.Online web tool STRING was used to build CISD2 protein interaction network,gene ontology enrichment was used to analyze CISD2 protein function.In addition,Web TIMER was used? to analyze relationship between CISD2 and the infiltration of immune cells in HCC,and GSEA was used to analyze the signaling pathways involved in the high expression of CISD2 in HCC.
Results(1) 5year overall survival rate of HCC patients with high CISD2 mRNA expression was lower than that of patients with low CISD2 mRNA expression.(2) CISD2 was negatively correlated with the infiltration of B cells,CD4+T cells,CD8+T cells,macrophages,and dendritic cells.(3) CISD2 mainly involved in the bindings of the ironsulfur group,ironsulfur cluster,and metal cluster.(4) GSEA analysis showed that CISD2 high expression promoted porphyrin and chlorophyll metabolism,pentose and glucuronic acid conversion,ascorbic acid and aldehyde acid metabolism,amino and nucleotide glucose metabolism,and starch and sucrose metabolism in HCC.
Conclusion(1) In HCC,high CISD2 mRNA expression is associated with poor prognosis in HCC patients.(2) CISD2 may promote the survival and proliferation of tumor cells by affecting the iron ion,energy metabolism and tumor immune microenvironment of tumor cells.
【Key words】CISD2;HCC;bioinformatics;prognosis;functional network analysis
肝細(xì)胞癌(Hepatocellular Carcinoma,HCC)是臨床上最常見的惡性腫瘤之一,在與癌癥相關(guān)的死亡原因中,HCC是死亡率第三的腫瘤[1]。但其潛伏期長(zhǎng),多數(shù)患者在肝癌晚期才出現(xiàn)癥狀,由于肝癌的高復(fù)發(fā)率和高轉(zhuǎn)移率,晚期肝癌患者的5年生存率不超過(guò)5%。因此,如何在早期對(duì)HCC進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和檢測(cè)對(duì)HCC治療具有積極的意義。在過(guò)去的20年中,大量的分子標(biāo)志物被發(fā)現(xiàn)在HCC患者中異常表達(dá),它們都具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。然而,HCC的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,涉及細(xì)胞周期調(diào)節(jié)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過(guò)程,反映細(xì)胞的功能以及多個(gè)基因在多個(gè)步驟中的相互作用,通過(guò)篩選與腫瘤形成和進(jìn)展相關(guān)的基因網(wǎng)絡(luò),有可能發(fā)現(xiàn)新的HCC藥物靶點(diǎn)。
CDGSH鐵硫結(jié)構(gòu)域2(CDGSH Iron Sulfur Domain 2,CISD2)是細(xì)胞內(nèi)保護(hù)線粒體結(jié)構(gòu)完整以及維持能量代謝功能的關(guān)鍵蛋白,由CISD2基因編碼,主要位于線粒體的外膜上[2]。盡管許多實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明CISD2在多種腫瘤中存在表達(dá)異常,但目前CISD2在HCC中表達(dá)及其具體作用仍存在爭(zhēng)議:在非酒精性脂肪肝、非酒精性脂肪性肝炎中,通過(guò)上調(diào)CISD2的表達(dá),可特異性地增強(qiáng)Serca2b活性和細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激,幫助維持代謝平衡和逆轉(zhuǎn)脂肪變性,從而阻止其向HCC的發(fā)展[3];而CHEN等人[4]的實(shí)驗(yàn)表明CISD2在HCC腫瘤組織中高表達(dá)并且上調(diào)CISD2的表達(dá)可促進(jìn)肝癌細(xì)胞的增殖和致瘤性。以上兩種研究表明目前CISD2在HCC中的作用尚不完全清楚,因此本課題利用生物信息學(xué)分析從多方面、不同層次探討了CISD2在HCC發(fā)病過(guò)程中的交互作用以及相關(guān)機(jī)制。
1材料與方法
1.1KaplanMeier Plotter分析CISD2 mRNA表達(dá)與患者預(yù)后相關(guān)性
KaplanMeier Plotter(https://kmplot.com/analysis/)[5]是一款在線預(yù)后分析網(wǎng)站,提供HCC的mRNA和miRNA的表達(dá)與生存相關(guān)性的分析。本實(shí)驗(yàn)利用KaplanMeier Plotter分析了從GEO、EGA和腫瘤基因組圖譜(TCGA)獲得的芯片數(shù)據(jù)以及RNAseq數(shù)據(jù)中一共364例HCC患者CISD2 mRNA的表達(dá)情況與HCC患者預(yù)后的關(guān)系。在KaplanMeier Plotter數(shù)據(jù)分析平臺(tái)中,先檢索CISD2基因,然后應(yīng)用該平臺(tái)的在線分析軟件繪制CISD2高低表達(dá)的生存曲線。限定條件為總體生存率(OS),生存時(shí)間統(tǒng)計(jì)最長(zhǎng)為60個(gè)月。腫瘤病理類型、分期及其病人性別等其他條件不做限制,從而評(píng)估CISD2 mRNA表達(dá)與HCC患者5年總生存率的關(guān)系,結(jié)果以P<0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
1.2TIMER分析CISD2 mRNA表達(dá)與免疫浸潤(rùn)含量之間的相關(guān)性
TIMER(https://cistrome.shinyapps.io/timer/)[6~7]是用于系統(tǒng)分析各種癌癥類型的免疫細(xì)胞浸潤(rùn)情況的綜合資源。TIMER數(shù)據(jù)庫(kù)包括來(lái)自TCGA的32種癌癥類型10 897個(gè)樣本。本實(shí)驗(yàn)分析了來(lái)自TCGA的374例HCC患者CISD2 mRNA表達(dá)量與六種免疫細(xì)胞(B細(xì)胞、CD4+T細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞)含量的相關(guān)性,在TIMER數(shù)據(jù)分析平臺(tái)中,通過(guò)在“Gene”模塊中輸入CISD2基因以及選擇腫瘤類型“LIHC”(肝細(xì)胞性肝癌)即可通過(guò)TIMER評(píng)估CISD2 mRNA表達(dá)與HCC患者免疫細(xì)胞浸潤(rùn)情況的關(guān)系,結(jié)果以P<0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
1.3CISD2蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及GO富集分析
蛋白質(zhì)功能的完整描述需要了解與之特異性結(jié)合的所有伴侶蛋白質(zhì)。STRING[8](https://stringdb.org/)通過(guò)為大量生物體提供全面但質(zhì)量受控的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)結(jié)合體來(lái)簡(jiǎn)化對(duì)這些信息的訪問。該工具關(guān)聯(lián)了來(lái)自高通量實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)庫(kù),文獻(xiàn)的挖掘以及基于基因組環(huán)境分析預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)。使用STRING 11.0數(shù)據(jù)庫(kù)收集包含5090個(gè)物種中的24 584 628種蛋白之間的相互作用信息,找到“Protein by name”模塊,輸入CISD2基因,選擇物種“Homo sapiens”,并設(shè)置最低相互作用分值為0.4后即可獲得CISD2蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)。GO富集也被稱為基因本體(Gene Ontology)富集,它涵蓋了生物學(xué)的三個(gè)方面:細(xì)胞組分(cellular component)、分子功能(Molecular Function)、生物過(guò)程(biological process)。我們采用R軟件擴(kuò)展包“cluster profiler”[9]對(duì)CISD2蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)中的基因進(jìn)行GO富集分析,以P<0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,并用R語(yǔ)言“GO plot”包[10]進(jìn)行了結(jié)果可視化,從而探究CISD2蛋白質(zhì)功能。
1.4GSEA分析CISD2在HCC中參與的信號(hào)通路
基因集富集分析(Gene Set Enrichment Analysis,GSEA)[11]是用來(lái)評(píng)估一個(gè)預(yù)先定義的基因集的基因在與表型相關(guān)度排序的基因表中的分布趨勢(shì),判斷其對(duì)表型的貢獻(xiàn)。通過(guò)軟件GSEA_4.0.3(https://www.gseamsigdb.org/gsea/index.jsp)進(jìn)行分析,該軟件的輸入數(shù)據(jù)包含兩部分,一個(gè)是基因表達(dá)矩陣文件,另一個(gè)是CISD2基因根據(jù)表達(dá)值的中位數(shù)將腫瘤組織樣本分為高表達(dá)組和低表達(dá)組文件,GSEA軟件會(huì)對(duì)基因根據(jù)其和表型的相關(guān)度從大到小排序,然后判斷基因集內(nèi)每條注釋下的基因是否富集于表型相關(guān)度排序后基因表的上部或下部,從而判斷此基因集內(nèi)基因的協(xié)同變化對(duì)表型變化的影響。TCGA計(jì)劃是由美國(guó)于2006年聯(lián)合啟動(dòng)的項(xiàng)目,它以大規(guī)模測(cè)序?yàn)橹鞯幕蚪M分析技術(shù)為基礎(chǔ),旨在使用基因組測(cè)序和生物信息學(xué)來(lái)分析癌癥相關(guān)的基因突變。迄今為止,TCGA已對(duì)來(lái)源于11 000位患者的33種腫瘤進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其中包括10種罕見腫瘤,數(shù)據(jù)量達(dá)2500T。在本實(shí)驗(yàn)中,我們選用從TCGA下載的374例HCC患者基因表達(dá)矩陣作為預(yù)先定義的基因集,并提取其中CISD2的表達(dá)值進(jìn)行高低分組,利用GSEA軟件分析CISD2表達(dá)水平對(duì)各種生物通路基因集的作用,按照GSEA軟件默認(rèn)參數(shù),隨機(jī)組合1000次進(jìn)行富集分析。按總體錯(cuò)誤率(family wise error rate,F(xiàn)WER)進(jìn)行排序,并將FWER<0.05的基因集作為顯著富集基因集。
1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)方法
所有的數(shù)據(jù)分析均采用網(wǎng)頁(yè)以及軟件自帶的數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α=0.05。
2結(jié)果
2.1生物信息學(xué)分析CISD2與HCC患者的預(yù)后相關(guān)性結(jié)果
生物信息學(xué)分析表明,CISD2的mRNA表達(dá)水平與HCC患者的總體5年生存率相關(guān)(P=0.041)。見圖1。其中CISD2 mRNA高表達(dá)患者的5年中位生存時(shí)間為36個(gè)月,CISD2 mRNA低表達(dá)患者的5年中位生存時(shí)間為45個(gè)月,研究結(jié)果表明CISD2 mRNA高表達(dá)提示HCC患者預(yù)后較差。
2.2CISD2與免疫浸潤(rùn)含量分析
腫瘤免疫微環(huán)境由腫瘤細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞和浸潤(rùn)免疫細(xì)胞組成。我們利用TIMER初步探究了CISD2表達(dá)與免疫細(xì)胞浸潤(rùn)的潛在聯(lián)系。結(jié)果表明,CISD2與B細(xì)胞(P=5.44E04)、CD4+T細(xì)胞(P=3.94E06)、CD8+T細(xì)胞(P=2.90E03)、巨噬細(xì)胞(P=9.22E07)和樹突狀細(xì)胞(P=3.19E04)的浸潤(rùn)有關(guān)聯(lián),且都呈負(fù)相關(guān)。見圖2。
2.3生物信息學(xué)分析CISD2的PPI互作網(wǎng)絡(luò)及GO富集結(jié)果
網(wǎng)頁(yè)工具STRING進(jìn)行PPI分析,發(fā)現(xiàn)SFXN4、COX4I1、WFS1、GIMAP5、TSFM、MRFAP1、CISD3、MTPAP、OPA3、SOD1 共10個(gè)基因與CISD2相互作用最為密切,結(jié)果如圖3所示。隨后,本實(shí)驗(yàn)使用R語(yǔ)言包“cluster profiler”對(duì)這11個(gè)蛋白進(jìn)行了GO富集分析,并用R語(yǔ)言“GO plot”包進(jìn)行了結(jié)果可視化。GO富集分析結(jié)果顯示CISD2在分子功能(Molecular Function)方面主要參與了2價(jià)鐵硫簇結(jié)合(P=0.003)、鐵硫簇綁定(P=0.007)以及金屬集群綁定(P=0.007)。見圖4。
2.4GSEA結(jié)果分析
利用GSEA分析CISD2高表達(dá)促進(jìn)的信號(hào)通路,分析結(jié)果表明,CISD2高表達(dá)在HCC中促進(jìn)卟啉和葉綠素代謝(P=0.002),戊糖、葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)換(P=0.005),抗壞血酸和醛酸代謝(P=0.011),氨基糖和核苷酸糖代謝(P=0.022),淀粉和蔗糖代謝(P=0.023)這些信號(hào)通路,表明CISD2在HCC中可能通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞的代謝過(guò)程促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展。見表1。
3討論
HCC是世界許多地區(qū)癌癥相關(guān)死亡的主要原因。過(guò)去的幾十年里,在了解肝細(xì)胞癌的流行病學(xué)、危險(xiǎn)因素和分子特征方面取得了相當(dāng)大的研究進(jìn)展,但HCC的具體分子機(jī)制尚不清楚,仍有待進(jìn)一步探究。目前已有研究證明CISD2在肝癌中表達(dá)異常,但其具體分子作用尚未被完全闡明,因此在本實(shí)驗(yàn)中,我們通過(guò)生物信息學(xué)手段確定了CISD2 mRNA的高表達(dá)與HCC患者較差的5年生存率相關(guān),接著為了探究其潛在機(jī)制,評(píng)估了CISD2 mRNA與HCC患者免疫細(xì)胞的浸潤(rùn)情況。然后通過(guò)構(gòu)建CISD2蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)并且使用GO富集分析,從而了解CISD2蛋白的功能,并通過(guò)GSEA富集分析了CISD2在HCC中促進(jìn)的通路。
為了探究CISD2在細(xì)胞中的功能,本課題借助生物信息學(xué)的基因本體論分析,探究了CISD2的分子功能。結(jié)果表明CISD2主要參與了2價(jià)鐵硫簇結(jié)合,鐵硫簇綁定。過(guò)去10年間,科研人員發(fā)現(xiàn)“鐵依賴”成為癌細(xì)胞的一種關(guān)鍵表型。盡管這種“鐵依賴”的確切原因在很大程度上是未知的[12~13],但有人提出,癌細(xì)胞需要過(guò)量的鐵來(lái)支持它們的高代謝率,因?yàn)殍F是許多不同蛋白質(zhì)的輔因子,包括參與DNA和蛋白質(zhì)合成、糖酵解和呼吸等過(guò)程[14]。因此,針對(duì)癌細(xì)胞對(duì)“鐵依賴”的治療方法已經(jīng)被提出[15]。癌細(xì)胞表現(xiàn)出的鐵和活性氧依賴的表型,結(jié)合CISD2蛋白對(duì)線粒體鐵和活性氧的調(diào)控作用以及不同腫瘤中CISD2蛋白的高表達(dá)水平,也提示CISD2蛋白可能在支持癌細(xì)胞增殖中發(fā)揮關(guān)鍵作用。事實(shí)上,如上所述,許多研究報(bào)告了CISD2蛋白過(guò)表達(dá)與癌細(xì)胞增殖、腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移之間的直接聯(lián)系。雖然從這些研究中可以明顯看出CISD2蛋白在促進(jìn)腫瘤方面的作用,但目前仍缺乏CISD2蛋白在腫瘤細(xì)胞增殖中作用機(jī)制的研究。針對(duì)CISD2對(duì)腫瘤細(xì)胞內(nèi)鐵調(diào)控的研究將會(huì)對(duì)CISD2蛋白在癌癥增殖中作用機(jī)制有進(jìn)一步的了解。
修復(fù)抗腫瘤免疫缺陷一直是癌癥治療中的難題,近年來(lái),免疫療法已逐漸成為治療腫瘤的最有前景的方法。目前觀點(diǎn)普遍認(rèn)為免疫浸潤(rùn)與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有著密不可分的關(guān)系。為了初步探究CISD2的表達(dá)與HCC中免疫浸潤(rùn)的關(guān)系,我們利用生物信息學(xué)的方法對(duì)CISD2 mRNA表達(dá)水平與不同的免疫細(xì)胞浸潤(rùn)含量進(jìn)行了表達(dá)相關(guān)性分析,研究結(jié)果表明,CISD2 mRNA表達(dá)與B細(xì)胞、CD4+T細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞的浸潤(rùn)含量呈負(fù)相關(guān),故推測(cè)高表達(dá)CISD2通過(guò)某種機(jī)制降低腫瘤中免疫細(xì)胞的含量,增加了肝癌細(xì)胞的免疫逃逸,從而促進(jìn)了腫瘤的增殖,提示今后靶向CISD2的免疫治療策略成為可能,但免疫細(xì)胞間的具體相關(guān)性,例如CISD2與CD4+T細(xì)胞之間的相關(guān)性是不是因?yàn)镃D8+T細(xì)胞的影響而產(chǎn)生的,這些都有必要后續(xù)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。盡管如此,本研究結(jié)果依然表明研究CISD2在HCC中與免疫細(xì)胞的關(guān)系,將會(huì)有助于今后免疫療法在HCC中的治療。最后,本課題還通過(guò)GSEA富集分析,探究了高表達(dá)的CISD2在HCC中所促進(jìn)的通路。結(jié)果顯示CISD2高表達(dá)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的代謝功能,包括卟啉和葉綠素代謝,戊糖、葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)換,抗壞血酸和醛酸代謝,氨基糖和核苷酸糖代謝,淀粉和蔗糖代謝。卟啉主要在人體肝臟內(nèi)進(jìn)行合成與利用,同時(shí)肝臟也是卟啉代謝異常時(shí)病變的好發(fā)部位,張瓔等人[16]的研究表明,卟啉峰值異常升高在原發(fā)性肝癌中表現(xiàn)明顯,同時(shí)將甲胎蛋白與卟啉峰值進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用能有效提高臨床原發(fā)性肝癌的診斷效果;葉綠素作為一種廣泛存在的自然產(chǎn)物,與其衍生物在腫瘤治療中表現(xiàn)出良好的調(diào)節(jié)作用,它們作為化療輔助劑或是對(duì)肝癌的有效預(yù)防在實(shí)驗(yàn)中都得以證明[17]。戊糖、葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)換為腫瘤細(xì)胞代謝提供所必需的維生素C,而抗壞血酸和醛酸代謝,氨基糖和核苷酸糖代謝,淀粉和蔗糖代謝都影響了體內(nèi)正常的糖代謝,這些結(jié)果都表明了CISD2可能通過(guò)影響腫瘤糖代謝表現(xiàn)出與腫瘤細(xì)胞增殖生長(zhǎng)相關(guān)的特性。石漢平[18]的研究認(rèn)為腫瘤是一種代謝性疾病,調(diào)整腫瘤的治療策略與方向,將腫瘤營(yíng)養(yǎng)與代謝調(diào)節(jié)治療作為腫瘤研究與治療的新方向,將更有利于腫瘤的治療,因此了解CISD2在HCC中的代謝調(diào)節(jié)通路也有助于將來(lái)在腫瘤中的代謝治療提供一定的參考價(jià)值。
綜上所述,我們通過(guò)多種生物信息學(xué)分析方法,先確定了CISD2 mRNA的高表達(dá)與HCC患者較差的預(yù)后相關(guān),隨后初步探究了CISD2表達(dá)與腫瘤患者免疫細(xì)胞浸潤(rùn)含量的相關(guān)性,CISD2蛋白的分子功能以及CISD2在HCC中所參與的信號(hào)通路。進(jìn)一步闡明了CISD2在HCC中的臨床意義以及為后續(xù)的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。
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(收稿日期:2020-04-08修回日期:2020-05-15)
(編輯:王琳葵梁明佩)