基于生物信息学的胰腺癌肿瘤微环境相关预后基因分析

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目的:胰腺癌(pancreatic adenocarcinoma,PAAD)被称为“癌中之王”,预后极差。PAAD一个特殊的病理特征是肿瘤间质中有更加致密的纤维增生反应,形成独特的肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)。胰腺癌传统的治疗,包括手术以及化疗在改善患者生存期方面并未见到显著的效果,以TME为靶点的靶向治疗和免疫治疗成为当前胰腺癌治疗的一大热点,我们的研究目的在于利用生物信息学分析的方法寻找胰腺癌TME相关预后基因,并有望为TME的靶向治疗提供新的生物标志物。方法:收集TCGA数据库中的PAAD患者数据,用ESTIMATE算法将其分为高/低免疫评分组和高/低基质评分组,利用R软件分析免疫/基质评分与PAAD预后的相关性,筛选各组的差异表达基因(Differentially expressed genes,DEGs),应用加权基因共表达网络分析(Weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)方法分别提取与免疫/基质评分最为相关的模块基因,取交集,获得共表达差异基因。GO(Gene Ontology,基因本体论)、KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,京都基因与基因组百科全书)和蛋白-蛋白相互作用网络(Protein-protein interaction,PPI)用于进一步的功能验证。Lasso-Cox回归分析用于确定与总生存期相关的预后基因,进而构建风险评分模型,通过Kaplan-Meier曲线、受试者工作特征(Receiver operating characteristics,ROC)曲线评价风险评分模型的应用效果,采用Cox风险比例回归模型进行多因素分析筛选PAAD独立预后因素。并使用GEPIA(Gene Expression Profiling Interactive Analysis,基因表达谱交互式分析)、HPA(Human Protein Atlas,人类蛋白质图谱)、TIMER(Tumor IMmune Estimation Resource,肿瘤免疫评估资源)、KM(Kaplan-Meier Plotter)等数据库对预后基因进行基因转录水平、蛋白表达水平、免疫浸润分析、预后分析等多方面的验证,最后通过免疫组化进行临床实验验证。结果:1.本研究共纳入178例PAAD患者。高免疫评分组和高基质评分组均与PAAD不良预后相关(p=0.012,0.025)。免疫组筛选出1248个DEGs,基质组筛选出1525个DEGs。结合WGCNA分析最终获得250个共表达差异基因。2.3个TME相关基因KYNU(Kynureninase,犬尿氨酸酶)、ZBED2(Zinc Finger BED-Type Containing2,含锌指BED型2)、CXCL10(C-X-C Motif Chemokine Ligand 10,C-X-C基序趋化因子配体10)与PAAD不良预后相关,风险评分模型:Risk Score(RS)=0.207739268683587*KYNU+0.0484033837407738*ZBED2+0.0317084731747505*CXCL10。高RS组和低RS组,存在显著的预后差异(p=6.6e-5)。ROC分析显示,365、1095、1825时间点的曲线下面积(Area under the curve,AUC)分别为0.71、0.79、0.87。进一步多因素回归分析显示风险评分、既往慢性胰腺炎病史是PAAD的2个独立危险因素(p<0.001,0.001)。3.KYNU、ZBED2、CXCL10表达与PAAD的总生存期(Overall survival,OS)呈负相关(p=0.0029,0.001,0.0022);ZBED2、CXCL10还与PAAD的无复发生存期(Relapse-free survival,RFS)呈负相关(p=1.7e-05,0.00082)。KYNU、ZBED2、CXCL10的表达水平与肿瘤纯度呈负相关而与TME中的免疫细胞浸润呈正相关。4.KYNU、ZBED2、CXCL10在胰腺癌中高表达,在癌旁组织低表达,差异存在统计学意义(p<0.05)。免疫组化进一步证实KYNU在PAAD中高表达,在癌旁组织低表达(p=1.7e-5)。5.KYNU、ZBED2、CXCL10不仅在胰腺癌中差异表达,在其他癌种中也存在差异表达,并且和众多癌种的预后相关,提示上述基因在肿瘤发生发展中的潜在作用。结论:TME与PAAD预后直接相关,TME中的免疫/基质成分越多,PAAD预后越差。KYNU、ZBED2、CXCL10为PAAD肿瘤微环境独立预后基因,在PAAD中差异表达。KYNU、ZBED2、CXCL10高表达,提示着胰腺癌的不良预后,三者的风险评分能较为准确的评估胰腺癌患者的预后。综上,KYNU、ZBED2、CXCL10是胰腺癌肿瘤微环境相关的独立预后基因,在胰腺癌中差异表达,并可能成为胰腺癌潜在的生物标志物。
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