基于TCGA和GEO数据库筛选早期结直肠癌术后复发相关lncRNAs

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背景:结直肠癌(colorectal cancer CRC)是消化道常见的恶性肿瘤,随着生活环境及生活方式改变,其发病率呈增长趋势[1]。近年对结直肠癌发病机制、诊断、治疗等研究进展,各种新型手术方式、新型化疗药物、基因分子检测等应用于临床并取得很好的临床效果,但是结直肠癌的死亡率仍呈增长趋势(全国数据缺如,我国厦门地区结直肠癌流行病学分析表明:2005年-2014年,厦门市居民结直肠癌死亡率10.69/10万,年均上升9.35%,男性死亡率是女性的1.40倍)[2]。流行病学研究表明左右结肠癌发病率上升,直肠癌发病率下降[3]。结直肠癌术后复发和转移是影响结直肠癌患者术后远期疗效差的主要原因,结直肠癌的TNM分期是结直肠癌术后复发的主要危险因子,结直肠癌术后分期越晚复发风险越高,早期结直肠癌患者术后5年生存率达90.1%,晚期患者仅10.4%,虽然早期结直肠癌患者远期疗效明显好于晚期结直肠癌患者,但是仍有近10%早期结直肠癌术后复发远期疗效差[4]。筛选高特异性和高敏感性早期结直肠癌术后复发的生物标志物,对复发高危险因素患者进行早期干预有可能提高其远期疗效。近年来大量研究发现lncRNA在多种肿瘤的发生、进展、转移、复发起重要作用,为研究肿瘤发病机制、治疗、诊断提供了一个新的方向。有研究揭示lncRNA与DNA、RNA、蛋白质相互作用调控网络是结直肠癌发病和进展的关键因子,发挥癌基因和抑癌基因双重作用,可作为结直癌患者诊断、治疗、预后的生物标志物[5]。查阅文献发现目前研究lncRNA与结直肠癌发生、发展、结直肠癌术后早期复发报道较多,但研究早期结直肠癌术后复发lncRNA特征的报道较少。本文拟通过对数据库结直肠癌基因表达谱挖掘,利用早期结直肠癌lncRNA和mRMA表达谱及临床信息进行生物信息学研究,发现早期结直肠癌术后复发特征lncRNA,构建multi-lncRNA模型预测早期结直肠癌术后复发。目的:识别早期结直肠癌术后复发的差异lncRNA和基因,构建一个multi-lncRNA模型评估早期结直肠癌术后复发风险。方法:利用TCGA和GEO数据库中结直肠癌组织和癌旁正常组织样本的lncRNA和mRNA表达数据及临床信息数据,识别结直肠癌相对正常结直肠组织可重现的差异表达lncRNA和mRNA。先利用单因素COX比例风险回归模型筛选与早期结直肠癌无病生存期(DFS)相关的lncRNA并用回归系数与表达水平的加权值构建早期结直肠癌术后复发multi-lncRNA模型,再利用多因素COX比例风险回归模型评估该模型预测预后的独立性。使用该模型将早期结直肠癌组织样本分成高复发风险和相对低复发风险两组,识别两组的差异表达lncRNA和mRNA并筛选出结直肠癌相对正常结直肠组织同样差异表达且差异程度越高越容易复发的lncRNA和mRNA。随后在这些差异lncRNA和mRNA范围内,用皮尔森相关分析识别lncRNA的靶基因并用KEGG通路分析解释这些lncRNA靶基因的生物学功能。最后在独立数据集中验证模型的可靠。结果:在识别结直肠癌相对正常结直肠组织可重现的110个差异表达lncRNA和5484个差异表达mRNA范围内,进一步在训练集(GSE14333)中利用单COX比例风险回归模型筛选与早期结直肠癌DFS相关的10个lncRNA并构建早期结直肠癌术后复发分类模型。依据分类模型打分中值为阈值将135位患者分为早期结直肠癌术后复发高风险组(高风险组)与早期结直肠癌复发低分险组(低分险组),发现两组的DFS具有显著差异(HR=8.2326,p value=0.0009)。多因素COX比例风险回归模型结果显示该标志的预后预测性能独立于其他临床特征。随后,识别高风险组与低分险组两组间的差异表达lncRNA和mRNA并分别筛选出12个、672个结直肠癌相对正常结直肠同样差异表达且差异程度越高越容易复发的lncRNA和mRNA,在这些差异lncRNA和mRNA范围内,用皮尔森相关分析识别lncRNA的靶基因,并用靶基因的KEGG通路分析解释这些lncRNA的生物学功能,主要涉及多种代谢通路、免疫系统相关通路、信号传导通路。最后,使用独立数据集GSE17536验证multi-lncRNA分类器的可靠性,79个早期结直肠癌患者以打分中值分成高分险组与低分险组,两组的无病生存期有显著差异(HR=6.2245,p value=0.0071)。高复发风险的特征lncRNA也具有可重现。结论:早期结直癌DFS相关10个lncRNA具有早期结直肠癌术后复发风险独立的预测潜能。高复发风险的12个特征lncRNA的异常表达可能造成靶基因表达改变,导致相关的代谢通路、免疫系统通路、信号传导通路发生紊乱或加剧紊乱,使得早期结直肠癌术后患者更容易复发,早期结直肠癌高复发风险相关的lncRNA或许可以成为改善这些患者预后的靶点。
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