占云梅,藍(lán)紅陽(yáng),徐佳明,孟 凡
(1. 贛南醫(yī)學(xué)院第一臨床醫(yī)學(xué)院;2. 贛南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院消化內(nèi)科,江西 贛州 341000)
癌癥一直以來都是影響全球衛(wèi)生健康的主要原因,其致死率在過去的20世紀(jì)中一直處于上升狀態(tài)[1]。在與癌癥抗?fàn)幍耐瑫r(shí)人們對(duì)于它的理解和認(rèn)識(shí)也越來越深入,著名的“沃伯格效應(yīng)”就曾提出,腫瘤組織內(nèi)存在大量的有氧糖酵解代謝,與周圍正常組織構(gòu)成明顯差別[2]?,F(xiàn)已明確這是由腫瘤組織的營(yíng)養(yǎng)和生存需求決定的,糖酵解反應(yīng)產(chǎn)生的中間物質(zhì)能參與脂質(zhì)、特定氨基酸和核酸的生物合成,并調(diào)節(jié)氧化還原的磷酸戊糖途徑[3]。比如產(chǎn)物之一的乳酸,既能作為底物參與線粒體呼吸,又是糖異生途徑的主要前體物質(zhì),產(chǎn)生能量的同時(shí)也為生物大分子的合成提供了原料,高效促進(jìn)了癌細(xì)胞增殖[4]。越來越多的研究表明,高頻率的糖酵解代謝是癌癥的重要標(biāo)志[5]。
果糖-1,6-二磷酸酶(Fructose-1,6-bisphosphatase, FBP1)是糖異生途徑的關(guān)鍵限速酶,參與糖酵解的逆向反應(yīng)。其編碼基因FBP1位于9 號(hào)染色體22.2-22.3 位置,包含7 段長(zhǎng)度大于31 Kb 的外顯子和6 個(gè)內(nèi)含子[6]。在已報(bào)道的文獻(xiàn)中,RNA 結(jié)合蛋白CUG-BP6(CUGBP elav-like family member 6,CELF6)與FBP1結(jié)合可穩(wěn)定FBP1轉(zhuǎn)錄,抑制乳腺癌細(xì)胞增殖和侵襲[7];BET 家族蛋白(Bromodomaincontaining Protein 4,BRD4)與FBP1結(jié)合可抑制胰腺癌細(xì)胞生長(zhǎng)[8];LI F M 等[9]通過在肝臟中特異性敲除FBP1發(fā)現(xiàn)肝星狀細(xì)胞可被誘導(dǎo)活化以促進(jìn)肝癌進(jìn)展;LI B 等[10]證實(shí)FBP1 在腎臟中的普遍缺失,與透明細(xì)胞腎癌直接相關(guān);值得注意的是,這些腫瘤細(xì)胞或組織內(nèi)出現(xiàn)了糖原水平不同程度的升高,這可能與FBP1編碼蛋白的功能有關(guān),即FBP1可通過抑制糖酵解代謝調(diào)控腫瘤進(jìn)程。類似的表現(xiàn)在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、卵巢癌等組織細(xì)胞中同樣存在[7-14]。如此強(qiáng)大的癌癥背景,讓我們對(duì)它在泛癌層面的調(diào)控表現(xiàn)尤為關(guān)注。然而我們搜索各主要數(shù)據(jù)庫(kù),并未發(fā)現(xiàn)相關(guān)資料。對(duì)其進(jìn)行基因、蛋白組學(xué)、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等方面的深入分析(圖1)或可利于我們更好地理解FBP1的生物功能。
圖1 FBP1相關(guān)分析總覽
1.1 mRNA 和蛋白差異性表達(dá)分析通過腫瘤免疫浸潤(rùn)網(wǎng)站TIMER2.0(http://timer.comp-genomics.org)[15],設(shè)置基因FBP1,得到基于癌癥基因圖譜(The Cancer Genome Atlas,TCGA)的不同癌癥類型中腫瘤組織和正常組織的基因表達(dá)差異。某些缺乏對(duì)比性數(shù)據(jù)的腫瘤類型,我們進(jìn)一步通過交互式基因表達(dá)分析網(wǎng)站[16],從TCGA、基因型與組織表達(dá)(GTE)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇正常組織進(jìn)行匹配。此外,還通過GEPIA 的“病理分期”模塊分析了FBP1與不同腫瘤的臨床病理分期的關(guān)系。對(duì)于蛋白表達(dá)層面,使用UALCAN(http://ualcan. path. uab. edu/)[17],基于樣本類型(原發(fā)性腫瘤與正常組織),分析FBP1基因在不同TCGA 數(shù)據(jù)集中的蛋白表達(dá),并在對(duì)每組樣本內(nèi)和樣本間進(jìn)行歸一化后,以代表樣本中位數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差的Z值可視化為箱式圖。
1.2 生存分析通過GEPIA 的“生存率”版塊,分別從總生存率(Overall survival,OS)和無病生存率(Recurrence free survival,RFS)兩種臨床結(jié)果,建立Cox 比例風(fēng)險(xiǎn)回歸模型,以中位數(shù)作為截?cái)嘀?,月為生存單位,分析不同癌癥類型中FBP1基因與生存率的關(guān)系。
1.3 免疫浸潤(rùn)分析通過腫瘤免疫浸潤(rùn)分析網(wǎng)站TIMER 2.0 的“免疫相關(guān)”版塊,用TIMER、EPIC、MCP-COUNTER、 CIBERSORT-ABS、 XCELL、QUANTISEQ、TIDE 等算法,經(jīng)斯皮爾曼檢驗(yàn)后可視化為熱圖以預(yù)測(cè)不同腫瘤樣本中CD8+T 細(xì)胞、Treg細(xì)胞等免疫相關(guān)細(xì)胞及癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞的浸潤(rùn)差異。
1.4 基因改變分析通過cBioPortal(https://www.cbioportal.org)[18]網(wǎng)站對(duì)FBP1 的基因組學(xué)進(jìn)行變異分析,將發(fā)生突變、結(jié)構(gòu)變異、擴(kuò)增、深度缺失等改變的頻率對(duì)應(yīng)TCGA 中不同腫瘤類型,并對(duì)FBP1基因的突變位點(diǎn)進(jìn)行分析。此外,通過GSCA(http://bioinfo.life.hust.edu.cn/GSCA)[19]分析FBP1基因的拷貝數(shù)改變(Copy number variation, CNV)和生存率之間的關(guān)系,并以無病間隔(Disease free interval,DFI)、疾病相關(guān)存活(Disease specific survival,DSS)、OS、無進(jìn)展生存(Progression free survival,PFS)這4個(gè)主要臨床結(jié)果為終點(diǎn)將結(jié)果可視化為熱圖。
1.5 功能富集和交互式作用分析在GEPIA 網(wǎng)站的“相似基因”版塊,在所有基于TCGA的腫瘤類型中篩選與FBP1基因功能相似的前200個(gè)基因,同時(shí)在蛋白相互作用網(wǎng)站STRING(https://cn. string-db.org)[20]中篩選前50個(gè)與FBP1相互作用的基因,再將所有篩選出來的基因?qū)隓AVID(https://david.ncifcrf. gov/tools. jsp)[21]網(wǎng)站后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)基因標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)換,最終按基因本體(Gene ontology, GO)下的生物過程(Biological process,BP)、細(xì)胞成分(Cellular component, CC)、分子功能(Molecular function, MF)和“路徑”下的KEEG進(jìn)行功能富集分析。
此外,使用ENCORI(https://starbase. sysu. edu.cn/)[22]網(wǎng)站進(jìn)行功能相關(guān)基因間的RNA-RNA 共表達(dá)分析,并在“miRNA-目標(biāo)基因”版塊導(dǎo)出FBP1基因的預(yù)測(cè)miRNA。后者與在TargetScanHuman 7.2(https://www. targetscan. org/vert_72)網(wǎng)站得到的FBP13'UTR靶miRNA進(jìn)行對(duì)比,得出重復(fù)值后返回ENCORI網(wǎng)站進(jìn)行miRNA-目標(biāo)基因的共表達(dá)驗(yàn)證。
1.6 藥物敏感性分析使用GSCA 網(wǎng)站的藥物版塊,分別進(jìn)行FBP1基因表達(dá)與癌癥治療反應(yīng)(The cancer therapeutics response portal, CTRP)、基因組學(xué)藥物敏感性(Genomics of drug sensitivity in cancer, GDSC)的相關(guān)性分析,并將前30 個(gè)結(jié)果可視化為熱圖。
2.1 FBP1的差異性表達(dá)分析在TIMER 2.0中導(dǎo)出的差異性表達(dá)結(jié)果如圖2a所示:FBP1在腫瘤組織中表達(dá)升高的有乳腺浸潤(rùn)癌(Breast invasive carcinoma,BRCA)、膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(Glioblastoma multiforme,GBM)、子宮內(nèi)膜癌(Uterine corpus endometrial carcinoma,UCEC)、前列腺癌(Prostate adenocarcinoma,PRAD);表達(dá)降低的有膽管癌(Cholangiocarcinoma,CHOL)、腎嫌色細(xì)胞癌(Kidney chromophobe,KICH)、腎透明細(xì)胞癌(Kidney renal clear cell carcinoma,KIRC)、腎乳頭狀癌(Kidney renal papillary cell carcinoma,KIRP)、肝細(xì)胞癌(Liver hepatocellular carcinoma,LIHC)、肺腺癌(Lung adenocarcinoma,LUAD)、肺鱗狀細(xì)胞癌(Lung squamous cell carcinoma,LUSC)、嗜鉻細(xì)胞瘤和副神經(jīng)節(jié)瘤(Pheochromocytoma and Paraganglioma,PCPG)及皮膚黑色素瘤(Skin cutaneous melanoma,SKCM);膀胱尿路上皮癌(Bladder urothelial carcinoma,BLCA)、宮頸鱗狀細(xì)胞癌(Cervical squamous cell carcinoma,CESC)和宮頸內(nèi)腺癌、胃腺癌(Stomach adenocarcinoma,STAD)、甲 狀 腺 癌(Thyroid carcinoma,THCA)、結(jié)腸癌(Colon adenocarcinoma,COAD)、食管癌(Esophageal carcinoma,ESCA)和頭頸部鱗狀細(xì)胞癌(Head and Neck squamous cell carcinoma,HNSC)中的FBP1在腫瘤組織的表達(dá)和正常組織中無差異(P>0.05)。缺乏對(duì)比性數(shù)據(jù)的腫瘤類型,在GEPIA網(wǎng)站中選擇TCGA和GTE數(shù)據(jù)庫(kù)中的正常組織進(jìn)行匹配,結(jié)果如圖2b所示:FBP1在彌漫性大B 細(xì)胞淋巴瘤(Diffuse large B-cell lymphoma,DLBC) 、卵 巢 漿 液 性 囊 腺 瘤(Ovarian cystadenocarcinoma,OV)、腦低級(jí)膠質(zhì)瘤(Lower grade glioma,LGG)、急性髓細(xì)胞樣白血?。ˋcute myeloid leukemia,AML)、腱鞘巨細(xì)胞瘤(Tenosynovial giant cell tumor,TGCT)中高表達(dá);在肉瘤(Sarcoma,SARC)、腎上腺皮質(zhì)癌(Adrenocortical carcinoma,ACC)和胸腺癌(Thymoma,THYM)中低表達(dá)。
圖2 FBP1在腫瘤組織中的差異性表達(dá)
蛋白組學(xué)的差異性表達(dá)如圖2c 所示:FBP1在腫瘤組織中高表達(dá)的有BRCA、UCEC、GBM、HNSC;低表達(dá)的有LIHC、LUAD、PAAD、KIRC。通過比較可以看出,蛋白組學(xué)的差異性表達(dá)結(jié)果與基因表達(dá)基本一致。此外,在GEPIA 網(wǎng)站分析的FBP1基因與腫瘤的臨床病理分期之間的關(guān)系如圖2d 所示:FBP1與BLCA、BRCA、HNSC、KIRC、KIRP、LIHC、PAAD、UCEC的臨床病理分期顯著相關(guān)。
2.2 FBP1 表達(dá)與生存預(yù)后分析以FBP1基因的中位數(shù)表達(dá)作為截?cái)嘀?,將所有腫瘤患者分為高表達(dá)組和低表達(dá)組,分析不同癌癥類型中FBP1基因與OS 和DFS 這兩種臨床預(yù)后的關(guān)系。結(jié)果如圖3所示,OS 與FBP1在BLCA、KIRC、LUAD、SARC、SKCM 中的低表達(dá)及READ、LGG、UVM 中的高表達(dá)有關(guān);DFS 則與FBP1在LIHC、PRAD、KIRC 中的低表達(dá)及LGG 中的高表達(dá)有關(guān)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)KIRC 和LGG 中的FBP1表達(dá)水平在OS 和DFS 兩種臨床預(yù)后中保持一致,即FBP1在KIRC 腫瘤組織中的低表達(dá)、LGG腫瘤組織中的高表達(dá)均與預(yù)后不良相關(guān)。
圖3 FBP1表達(dá)與不同腫瘤類型患者生存預(yù)后的相關(guān)性
2.3 FBP1 與免疫浸潤(rùn)分析基于IMER、EPIC、MCP-COUNTER、 CIBERSORT-ABS、 XCELL、QUANTISEQ、TIDE 等算法,本文分析了不同腫瘤樣本中FBP1基因表達(dá)與CD8+T 細(xì)胞、Treg 細(xì)胞及癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞等免疫相關(guān)細(xì)胞的浸潤(rùn)差異的關(guān)系,如圖4 所示。在大部分算法中,BRCA-Basal、CESC、HNSC、SARC、SKCM,UCEC中的FBP1表達(dá)與CD8+T 細(xì)胞的免疫浸潤(rùn)存在明顯正相關(guān),而在BRCA、BRCA-LumA/LumB、THYM 中表現(xiàn)為負(fù)相關(guān);Treg 免疫浸潤(rùn)方面,BRCA-Basal、ESCA、HNSC、LUAS、LUSC、SKCM、TGCT、UCEC 中的FBP1表達(dá)與之呈正相關(guān),而KIRC 中表現(xiàn)為負(fù)相關(guān);CAF 細(xì)胞浸潤(rùn)方面,HNSC-HPV-、LGG、PCPG、THYM 中的FBP1表達(dá)與CAF 浸潤(rùn)正相關(guān),而在KIRC、OV、PRAD 中負(fù)相關(guān)。
圖4 FBP1表達(dá)與免疫浸潤(rùn)的相關(guān)性
2.4 FBP1基因變異通過cBioPortal網(wǎng)站對(duì)FBP1基因變異分析結(jié)果如圖5a 所示。圖5a 顯示FBP1基因變異和CNA 變化在絕大部分腫瘤組織中都存在:在CHOL、CESC 中為突變,在ACC、SARC、HNSC、KIRC 中為擴(kuò)增,而在LAML、THCA、KIRP 中為深度缺失。CNV 和預(yù)后之間的關(guān)系如圖5b所示:KIRC、KIRP、SARC、UCEC、UVM 中FBP1的CNV 與DSS 正相關(guān);KIRC、KIRP、LAML、SARC、THYM、UCEC、UVM 中與OS 正相關(guān);ACC、KIRC、KIRP、SARC、THYM、UCEC 中與PFS正相關(guān)。圖5c展示了FBP1的突變類型和位點(diǎn),即錯(cuò)義突變是FBP1的主要突變類型,在205號(hào)位點(diǎn)發(fā)生了賴氨酸(Lysine)突變。
圖5 FBP1在不同腫瘤組織中的基因變異特征
2.5 FBP1 相關(guān)基因功能富集和交互式作用分析將所有FBP1相關(guān)基因進(jìn)行GO和KEEG富集分析如圖6a 所示。GO 分析表明這些基因位于胞外,主要參與糖酵解過程;KEEG 分析表明“碳代謝”“代謝途徑”可能參與了FBP1的作用機(jī)制。如圖6b所示:在KIRC 中FBP1的表達(dá)始終與細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶4(Cyclin dependent kinases 4,CDK4)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(Transforming growth facter β1,TGF-β1)、基質(zhì)金屬肽酶2(Matrix metalloproteinase 2,MMP2)、缺氧誘導(dǎo)因子1α(Hypoxia-inducible factors 1α,HIF1A)、DNA 損傷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄物3(DNA damageinducible transcript 3,DDIT3/CHOP)等負(fù)相關(guān),而在LGG 中與之正相關(guān)。如圖7a 所示,在KIRC 中,miR-214-3p與FBP1的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān),miR-139-5p和miR-1251-5p 與FBP1 的表達(dá)水平呈正相關(guān);而在LGG 中,miR-214-3p 和miR-1251-5p 與FBP1 的表達(dá)水平呈正相關(guān),miR-139-5p與FBP1的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)。將這3 種miRNA 在KIRC 和LGG 的生存預(yù)后K-M 圖如圖7b 所示:KIRC 中miR-214-3p 的高表達(dá)、miR-139-5p 和miR-1251-5p 的低表達(dá)與更差的OS相關(guān)。
圖6 FBP1的基因功能分析
2.6 FBP1與藥物敏感性分析通過GSCA 網(wǎng)站進(jìn)行的CTRP、GDSC 與FBP1基因表達(dá)相關(guān)性分析如圖8 所示。CIL70、STF-31、氟伐他汀、洛伐他汀、氯硝柳胺在FBP1高表達(dá)的癌癥組織中具有較高的敏感性,其他藥物如拉帕替尼片、卡奈替尼、austocystinD 等則在FBP1低表達(dá)的腫瘤組織中敏感性更好。此外,現(xiàn)行的絕大部分基因組學(xué)藥物,特別是博來霉素(50 uM)、TW 37、多西他賽、ZG-10等也在FBP1高表達(dá)的腫瘤組織中表現(xiàn)出良好的敏感性。
圖8 CTRP、GDSC與FBP1表達(dá)的相關(guān)性
自有氧糖酵解的概念提出以來,越來越多的研究證實(shí),腫瘤微環(huán)境(Tumor microenvironment ,TME)參與了癌癥的發(fā)生和進(jìn)展[23],代謝重編程已成為惡性腫瘤的一大標(biāo)志[24]。腫瘤細(xì)胞會(huì)在癌癥進(jìn)展的任意階段依據(jù)TME 變化選擇有利于自身存活的代謝方式,糖酵解便是其主要手段之一。FBP1編碼蛋白作為限速酶參與糖異生反應(yīng),抑制糖酵解[25],在多種腫瘤組織中發(fā)揮調(diào)控作用?;赥CGA和CPTAC數(shù)據(jù)庫(kù),我們發(fā)現(xiàn)FBP1在KIRC 腫瘤組織中的低表達(dá)及LGG 腫瘤組織中的高表達(dá)均與較差的OS 和DFS 相關(guān)。這與文獻(xiàn)報(bào)道FBP1 在KIRC 中普遍缺失[10]、防治因放療導(dǎo)致的FBP1 水平下降有助膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的治療[11]等相符。
除腫瘤細(xì)胞外,TME 中的多種免疫和非免疫細(xì)胞參與了癌癥的發(fā)生和進(jìn)展,免疫治療已是當(dāng)前癌癥診療的一大方向[26]。FBP1 表達(dá)在相當(dāng)一部分的腫瘤組織中與靶向腫瘤的CD8+T 細(xì)胞[27]、介導(dǎo)免疫逃避的Treg 細(xì)胞[28]及腫瘤組織中主要的基質(zhì)細(xì)胞(如:CAF)[29]等存在顯著相關(guān)性。尤其是CAF,它是一種高度動(dòng)態(tài)化的異質(zhì)性細(xì)胞,持續(xù)活化,還能根據(jù)腫瘤細(xì)胞表觀遺傳的改變分泌相應(yīng)的產(chǎn)物以促進(jìn)癌癥的進(jìn)展,常被認(rèn)為是抗癌治療的靶點(diǎn)之一[30]。本文分析顯示LGG 中的FBP1 表達(dá)與CAF 浸潤(rùn)正相關(guān),而在KIRC 中負(fù)相關(guān),這與FBP1 在KIRC和LGG 中的差異化表達(dá)及預(yù)后相一致,說明FBP1與KIRC和LGG中的免疫浸潤(rùn)相關(guān)。
基因結(jié)構(gòu)或功能的改變與癌癥的發(fā)生密切相關(guān)。此前有報(bào)道FBP1的基因突變導(dǎo)致代謝紊亂[31-33],本文研究發(fā)現(xiàn)FBP1基因和CNA變化在絕大部分腫瘤組織中也都存在,且與多種腫瘤的DSS、OS、PFS 等臨床預(yù)后相關(guān),尤其是在KIRP、KIRC、UCEC等腫瘤類型中,預(yù)后始終與FBP1的CNV呈正相關(guān)。這可能提示FBP1的CNV 對(duì)某些特定腫瘤,比如KIRC的預(yù)后具有較好的預(yù)測(cè)價(jià)值。
在我們前面的分析中,F(xiàn)BP1的基因和蛋白組學(xué)始終表現(xiàn)為在KIRC 的腫瘤組織中低表達(dá)、LGG 的腫瘤組織中高表達(dá),且在KIRC 腫瘤組織中的低表達(dá)與LGG 腫瘤組織中的高表達(dá)均與不良預(yù)后、免疫浸潤(rùn)等直接相關(guān)。本文進(jìn)一步探討了FBP1 在這2種癌癥中的相關(guān)基因網(wǎng)絡(luò),發(fā)現(xiàn)KIRC 中FBP1 的表達(dá)始終與CDK4、TGFB1、MMP2、HIF1A、DDIT3/CHOP等負(fù)相關(guān),而在LGG 中正相關(guān)。在已報(bào)道的文獻(xiàn)中,這些基因參與調(diào)控癌細(xì)胞增殖[34-35]、分化[36-37]、轉(zhuǎn)移[38-40]、氧化應(yīng)激[41-42]及凋亡[43-45],這可能提示FBP1的調(diào)控機(jī)制涉及這些生物學(xué)行為。此外,本文還預(yù)測(cè)了FBP1 的靶miRNA,發(fā)現(xiàn)3 個(gè)在KIRC 和LGG 中均與FBP1表達(dá)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)的miRNA,分別是miR-214-3p、miR-139-5p 和miR-1251-5p,他們?cè)谄渌膊』虬┌Y中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[46-49],但在KIRC 和LGG 中的具體作用未見報(bào)道。基于此,本文首次從生物信息學(xué)角度論證了miR-214-3p/FBP1負(fù)向調(diào)控軸及miR-139-5p/FBP1、miR-1251-5p/FBP1 正向調(diào)控軸促進(jìn)了KIRC 的進(jìn)展并影響其預(yù)后,但在LGG 中并未發(fā)現(xiàn)這3 種miRNA 與臨床預(yù)后的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián),不排除存在樣本量缺乏的因素。尋找敏感性藥物一直是癌癥治療的重要策略方向,本文最后還針對(duì)腫瘤組織中的FBP1 表達(dá)特征,進(jìn)行了敏感性藥物預(yù)測(cè),為臨床化療提供參考。
本文對(duì)FBP1 進(jìn)行了較全面的綜合分析,探討了FBP1 參與癌癥進(jìn)展的多個(gè)方面。從差異性表達(dá)、免疫浸潤(rùn)、基因變異到生存預(yù)后、生物學(xué)功能,我們發(fā)現(xiàn)了FBP1 表現(xiàn)高度一致的2 個(gè)癌癥類型:KIRC 和LGG,F(xiàn)BP1 有望成為二者的特異性預(yù)后標(biāo)志和治療靶點(diǎn)。此外,我們還發(fā)現(xiàn)在KIRC 中存在miR-214-3p/FBP1 負(fù)向調(diào)控軸及miR-139-5p/FBP1、miR-1251-5p/FBP1 正向調(diào)控軸促進(jìn)癌癥的進(jìn)展,靶向miR-214-3p、miR-139-5p 和miR-1251-5p 有望成為KIRC治療的另一種選擇。