基于生物信息學分析PDE2A基因在消化系統腫瘤預后及免疫浸潤的臨床意義

張釗熊,韓 強,劉樹業

張釗熊,劉樹業,天津市第三中心醫院檢驗科,天津市重癥疾病體外生命支持重點實驗室,天津市人工細胞工程技術研究中心,天津市肝膽疾病研究所 天津市300170

韓強,中國醫科大學基礎醫學院及附屬第一醫院病理科 遼寧省沈陽市110000

0 引言

癌癥是全世界發病率和死亡率的主要原因,給社會造成巨大的健康和經濟負擔[1].目前多種不同腫瘤的生存率仍不理想,消化系統腫瘤是導致中國腫瘤患者死亡的主要原因之一[2].大樣本、高通量和多腫瘤數據對我們找到致癌的關鍵基因十分必要.一些醫學公共數據庫如TCGA (The Cancer Genome Atlas)數據庫提供了豐富的組學數據,使我們在不同組學層面進行探索成為可能.

越來越多的研究關注到腫瘤免疫和預后標志物的探索上.例如,Ye等[3]發現CD96參與多種免疫應答,調控免疫細胞浸潤,并影響各種癌癥類型的惡性特性.另有研究報道FOXD1可能為口腔鱗狀細胞癌的潛在預后標志物和抗耐藥治療靶點[4].腫瘤免疫治療和靶向藥物治療是腫瘤治療的重要手段,但目前對腫瘤免疫治療和靶向藥物治療中出現的一些問題尚未完全闡明.

PDE2A基因(phosphodiesterase 2A),中文名為磷酸二酯酶2A,此基因位于染色體11q13.4上,屬于磷酸水解酶家族.PDE2A基因突變可引起不同的遺傳病包括綜合征性陣發性運動障礙和非典型Rett綜合征[5,6].此外,有研究提示PDE2A在惡性黑色素瘤細胞生長和侵襲中發揮重要作用[7].然而,PDE2A基因在消化系統腫瘤中尚未見報道.本研究中,我們探索了PDE2A在不同腫瘤類型中的表達情況.此外,我們探索了PDE2A表達與5種不同消化系統腫瘤(肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌)預后和免疫浸潤的相關性,以期為消化系統腫瘤的診治提供理論依據.

1 材料和方法

1.1 材料 (1)HPA數據庫(https://www.proteinatlas.org/);(2)UALCAN數據庫(http://ualcan.path.uab.edu/);(3)GEPIA數據庫(http://gepia2.cancer-pku.cn/#index);(4)TIMER數據庫(http://timer.cistrome.org/);(5)STRING數據庫(https://stringdb.org/).

1.2 方法

1.2.1 基因表達分析:通過HPA數據庫(https://www.proteinatlas.org/)獲取PDE2A基因在不同腫瘤中的相對表達水平.此外,采用TIMER數據庫(http://timer.cistrome.org/)分析PDE2A在不同癌組織和正常癌旁組織的表達情況.利用UALCAN數據庫(http://ualcan.path.uab.edu/)探索PDE2A基因在肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌不同病理分期的表達情況.

1.2.2 蛋白表達分析:采用HPA數據庫探索PDE2A蛋白在不同消化系統腫瘤和正常癌旁組織中的表達水平.

1.2.3 生存預后分析:利用GEPIA數據庫(http://gepia2.cancer-pku.cn/#index)分析PDE2AmRNA表達對肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌患者預后的影響.

1.2.4 免疫浸潤分析:通過TIMER數據庫中的“Immune association”模塊探索PDE2A與5種不同消化系統腫瘤免疫浸潤程度的相關性,包括CD4+T淋巴細胞、CD8+T淋巴細胞、B細胞、巨噬細胞和中性粒細胞.

1.2.5 遺傳突變分析:通過cBioPortal數據庫(https://www.cbioportal.org/)的“Cancer types summary”模塊分析PDE2A基因在所有TCGA腫瘤類型的突變類型和拷貝數改變(Copy number alteration,CNV)信息.此外,利用“Mutations”模塊分析PDE2A基因在肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌中的遺傳突變信息.

1.2.6 蛋白相互作用分析:利用STRING數據庫(https://string-db.org/)探索PDE2A的潛在蛋白相互作用網絡.

統計學處理腫瘤組和正常組表達數據兩組比較采用Wilcoxon檢驗.腫瘤患者的生存分析采用COX回歸分析.免疫分析采用Spearman相關分析.P<0.05為差異有統計學意義.

2 結果

2.1PDE2A基因在不同腫瘤中的表達 我們通過HPA數據集分析了PDE2A基因在不同腫瘤組織中的表達(圖1).此外,我們進一步分析了PDE2A在不同腫瘤組織和正常癌旁組織中的表達,TIMER數據庫結果提示PDE2A基因在肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌組織中表達顯著低于正常癌旁組織(圖2).最后,我們通過UALCAN數據庫分析了不同消化系統腫瘤不同病理分期中PDE2A基因的表達(圖3A-E).

圖1 PDE2A在不同腫瘤中的表達.

圖2 TIMER數據庫中不同腫瘤類型PDE2A基因的表達水平.

圖3 基于UALCAN數據庫分析PDE2A基因在不同病理分期的表達.

2.2 PDE2A蛋白在不同消化系統腫瘤中的表達 我們通過分析HPA數據庫探索了PDE2A蛋白在不同消化系統中的表達情況.HPA數據庫結果提示PDE2A蛋白在肝癌、胃癌、胰腺癌和結腸癌組織中呈陰性表達或低表達,在正常肝組織、胃組織、胰腺組織和結直腸組織中呈中等表達或高表達(圖4A-D).

圖4 HPA數據集中PDE2A的蛋白表達.A:PDE2A在肝癌及正常肝組織中的蛋白表達;B:PDE2A在胃癌及正常胃組織中的蛋白表達;C:PDE2A在胰腺癌及正常胰腺組織中的蛋白表達;D:PDE2A在結腸癌及正常結直腸組織中的蛋白表達.

2.3 PDE2A在不同消化系統腫瘤中的預后價值 為了進一步研究PDE2A在不同消化系統腫瘤中的預后價值,我們分析了GEPIA數據庫.結果提示PDE2A高表達的肝癌和胰腺癌患者較PDE2A低表達的患者預后良好(圖5A、圖5C).然而PDE2A高表達的胃癌患者較PDE2A低表達的患者預后差(圖5B).PDE2A表達對結腸癌和食管癌患者預后無影響(圖5D、圖5E).

圖5 PDE2A基因表達與胃腸道腫瘤生存預后的關系.A:肝癌;B:胃癌;C:胰腺癌;D:結腸癌;E:食管癌.

2.4 PDE2A表達與消化系統腫瘤免疫浸潤 為了探索PDE2A表達與肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌不同免疫細胞的相關性,我們分析了TIMER數據庫.結果提示PDE2A表達與肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌不同免疫細胞如CD4+T淋巴細胞、CD8+T淋巴細胞、B細胞、巨噬細胞和中性粒細胞呈正相關或負相關(圖6A-E).

圖6 PDE2A表達與消化系統腫瘤免疫浸潤的相關性.A:肝癌;B:胃癌;C:胰腺癌;D:結腸癌;E:食管癌.

2.5PDE2A基因在消化系統腫瘤中的遺傳突變分析 我們通過cBioPortal數據庫分析了PDE2A基因在不同腫瘤中的遺傳突變信息,結果提示PDE2A基因在不同腫瘤中存在結構變異、突變及染色體缺失等遺傳改變(圖7).我們進一步通過“Mutations”模塊分析了PDE2A基因在肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌中的突變情況,結果提示PDE2A基因胃癌、胰腺癌、結腸癌及食管癌中存在錯義突變等遺傳改變(圖8B-E),然而在肝癌中無基因突變發生(圖8A).

圖7 利用cBioPortal數據庫分析不同TCGA腫瘤中PDE2A基因的遺傳突變特征.

圖8 利用cBioPortal數據庫分析消化系統腫瘤中PDE2A基因的遺傳突變特征.A:肝癌;B:胃癌;C:胰腺癌;D:結腸癌;E:食管癌.

2.6 PDE2A的潛在蛋白相互作用網絡 為了探索PDE2A的潛在蛋白相互作用網絡,我們分析了STRING數據庫.結果提示PDE2A的潛在相互作用蛋白包括ADCY10、GUCY1A2、APRT和HPRT1等(圖9).

圖9 PDE2A的蛋白相互作用網絡.

3 討論

目前針對消化系統腫瘤的治療方法主要包括外科手術、化療和免疫治療[8].晚期消化系統腫瘤患者的生存率仍較低,從分子角度尋找更好的消化系統腫瘤免疫治療標志物和診治標志物十分必要.Kang等[9]發現LIMK1可促進胃癌腹膜轉移且可能是胃癌治療的靶點.另一研究提示血清外泌體中的miR-638可能為肝癌重要的獨立預后標志物[10].Peng等[11]發現CMTM6和PD-L1共表達與結直腸癌免疫微環境激活和預后良好相關.上述研究對我們明確消化系統腫瘤的免疫機制和預后判斷提供了有力證據,但我們對消化系統腫瘤免疫和預后標志物的研究仍不足.

目前已有多篇研究發現PDE2A參與不同腫瘤的病理進展.不同研究發現PDE2A可作為宮頸腺癌早期診斷和預后評估的生物標志物[12,13].另一學者的結果提示長鏈非編碼RNA LINC01537通過促進PDE2A表達影響溫伯格效應,進而影響肺癌的能量代謝[14].以上研究均提示PDE2A在腫瘤中發揮重要作用,然而PDE2A在消化系統腫瘤如肝癌等尚未見報道.

我們的研究首次探索了PDE2A在消化系統腫瘤中的表達,基因分析結果提示PDE2A基因和蛋白在肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌患者中表達低于正常癌旁組織.然而,Ding等的研究與我們的發現相反.他們的結果提示PDE2A在宮頸癌組織和HeLa細胞中呈高表達[12].我們認為導致PDE2A在不同腫瘤中表達差異的原因可能為不同腫瘤間存在異質性.此外,我們還發現PDE2A高表達的肝癌和胰腺癌患者預后良好,然而PDE2A高表達的胃癌患者預后較差.我們認為有如下原因:首先,納入研究患者的數量不夠大,其次,其他因素可能影響了腫瘤患者的預后.

免疫治療在消化系統腫瘤如肝癌和腸癌中取得了顯著效果[15,16].大量的證據表明,免疫細胞浸潤可影響腫瘤的發生和復發,是決定免疫治療反應和臨床療效的重要因素[17].因此,越來越多的學者將研究重點關注到腫瘤的免疫方向.我們的結果發現PDE2A表達與肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌不同免疫細胞如CD4+T淋巴細胞、CD8+T淋巴細胞等呈正相關或負相關,提示PDE2A表達水平可反應消化道腫瘤的免疫狀態.腫瘤浸潤性淋巴細胞包括T淋巴細胞和B淋巴細胞,具有抗腫瘤功能.其中CD8+T淋巴細胞能特異性識別主要組織相容性復合體抗原,廣泛應用于腫瘤靶向治療[18].我們的結果可能為消化系統腫瘤免疫治療的研究提供潛在依據.我們同樣分析了PDE2A基因在消化系統腫瘤中的遺傳突變,結果提示PDE2A基因胃癌、胰腺癌、結腸癌及食管癌中存在錯義突變等遺傳改變.上述結果可能為消化系統疾病靶向藥物的開發提供潛在線索.

然而,我們的研究仍有一些不足.首先,我們的研究主要是基于數據庫挖掘,我們擬開展更多的體內外實驗驗證實驗.其次,PDE2A在不同消化系統腫瘤如肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌中呈低表達,但其低表達的分子機制尚不清楚.我們擬在后續研究探索PDE2A在消化系統腫瘤中的具體分子機制.

4 結論

綜上所述,本研究利用生物信息學方法分析了PDE2A基因在消化系統腫瘤預后及免疫浸潤的臨床意義.我們發現PDE2A mRNA和蛋白在肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌患者呈低表達.此外,PDE2A表達與不同消化系統腫瘤的免疫浸潤有關.PDE2A高表達的肝癌和胰腺癌患者預后良好.PDE2A可能為潛在的消化系統腫瘤免疫治療和預后標志物.

文章亮點

實驗背景

消化系統腫瘤的預后尚不理想.生物標志物是腫瘤研究的重要方向之一,探索新的消化系統腫瘤相關標志物十分必要.

實驗動機

通過生物信息學探索PDE2A在消化系統腫瘤的潛在臨床意義.

實驗目標

探究PDE2A是否與消化系統腫瘤免疫浸潤有關,探索PDE2A是否影響消化系統腫瘤患者的預后.

實驗方法

通過生物信息學分析PDE2A在不同消化系統腫瘤中的mRNA及蛋白表達.探索PDE2A對消化系統腫瘤患者預后的影響.分析PDE2A表達與消化系統腫瘤免疫浸潤的相關性.探索PDE2A在不同消化系統腫瘤的遺傳突變情況.

實驗結果

PDE2A基因的mRNA及蛋白在肝癌、胃癌和胰腺癌等消化系統腫瘤中呈低表達.PDE2A高表達的肝癌和胰腺癌患者預后良好.PDE2A表達與不同消化系統腫瘤的免疫浸潤有關.PDE2A基因胃癌、胰腺癌、結腸癌及食管癌中存在錯義突變等遺傳改變.

實驗結論

PDE2A基因在肝癌、胃癌、胰腺癌、結腸癌和食管癌患者呈低表達且與免疫浸潤有關.

展望前景

PDE2A基因可能為潛在的消化系統腫瘤免疫治療和預后標志物.