MGMT基因在腦膠質(zhì)瘤組織中表達(dá)變化、突變及功能的生物信息學(xué)分析

朱鳴峰

天津市靜海區(qū)醫(yī)院，天津301600

腦膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤之一，尤其是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，患者預(yù)后較差，遠(yuǎn)期生存率低于10%，大多數(shù)患者于1年內(nèi)死亡[1]。腦膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展是一個(gè)涉及多基因、多步驟的復(fù)雜生物學(xué)過(guò)程，其確切分子機(jī)制目前仍未完全闡明。研究顯示，癌基因和抑癌基因的異常表達(dá)在腦膠質(zhì)瘤發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了重要作用[2]。O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(MGMT)基因編碼蛋白屬于MGMT家族，該蛋白參與細(xì)胞DNA中O6-甲基鳥嘌呤(O6-Meg)和O4-甲基胸腺嘧啶(O4-Met)的生物學(xué)效應(yīng)[3，4]。該基因編碼蛋白可將甲基轉(zhuǎn)移到半胱氨酸殘基，修復(fù)DNA中的甲基化堿基，從而對(duì)受損DNA進(jìn)行修復(fù)。MGMT基因在腦膠質(zhì)瘤中的表達(dá)、突變情況及其表達(dá)水平與患者預(yù)后的關(guān)系目前尚不清楚[5，6]。2019年4～7月，我們采用生物信息學(xué)方法，分析MGMT基因在腦膠質(zhì)瘤中的表達(dá)變化、突變及生物學(xué)功能。

1 資料與方法

1.1 MGMT在腦膠質(zhì)瘤中的表達(dá)變化及突變分析 在癌癥基因組圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)(TCGA)中檢索MGMT基因在腦膠質(zhì)瘤患者腫瘤組織和對(duì)應(yīng)的正常腦組織中的表達(dá)水平，檢索關(guān)鍵詞為“膠質(zhì)瘤”“MGMT基因”，檢索物種為“人類”。根據(jù)腫瘤組織中MGMT基因表達(dá)的中位數(shù)分為高表達(dá)組(MGMT基因表達(dá)≥中位數(shù))和低表達(dá)組(MGMT基因表達(dá)<中位數(shù))，計(jì)算兩組總生存時(shí)間和無(wú)疾病進(jìn)展生存時(shí)間。采用cBioportal分析TCGA數(shù)據(jù)庫(kù)中MGMT基因突變情況。

1.2 MGMT及其相互作用基因的蛋白網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、功能富集及信號(hào)通路富集分析 在STRING數(shù)據(jù)庫(kù)中構(gòu)建MGMT及其相關(guān)基因的蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建條件為不小于20個(gè)蛋白，相互作用指數(shù)不小于0.4。采用基因本體論(GO)[7]對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)基因進(jìn)行生物學(xué)功能分析，包括MGMT及其相關(guān)基因的細(xì)胞定位、生物學(xué)過(guò)程以及分子功能；采用京都基因百科全書(KEGG)對(duì)MGMT基因進(jìn)行相關(guān)信號(hào)通路分析。

2 結(jié)果

2.1 MGMT基因在腦膠質(zhì)瘤組織的表達(dá)變化 MGMT基因在正常腦組織和腦膠質(zhì)瘤組織中的相對(duì)表達(dá)量分別為2.88±1.41、3.09±1.62，膠質(zhì)瘤組織中MGMT基因表達(dá)較正常腦組織上調(diào)，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=1.03，P>0.05)。MGMT高、低表達(dá)組總生存的中位時(shí)間分別為41.2和57.4月，無(wú)疾病進(jìn)展生存的中位時(shí)間分別為29.8和50.6月，高表達(dá)組總生存時(shí)間、無(wú)疾病進(jìn)展生存時(shí)間均低于低表達(dá)組(HR均為1.5，P均<0.05)。

2.2 MGMT基因突變情況 MGMT基因突變率為2.8%，突變譜主要為C>A、C>G、C>T的突變。

2.3 MGMT基因功能富集和信號(hào)通路富集情況 MGMT蛋白網(wǎng)絡(luò)中相互作用的蛋白有21個(gè)，蛋白間的聯(lián)系為104個(gè)，平均相互作用度為9.9，聚集指數(shù)為0.78，蛋白間富集顯著(P<0.05)。MGMT基因的生物學(xué)功能主要富集于DAN修復(fù)、細(xì)胞對(duì)DNA損傷的反應(yīng)、受損的DNA結(jié)合以及RNA聚合酶Ⅱ通用轉(zhuǎn)錄起始因子結(jié)合等(表1)，其相關(guān)信號(hào)通路主要富集于鉑類化療藥物耐藥、癌癥的信號(hào)通路、神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤和DNA錯(cuò)配修復(fù)等(表2)。

表1 MGMT基因的生物學(xué)功能

3 討論

腦膠質(zhì)瘤是臨床常見的神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤之一，流行病學(xué)調(diào)查顯示，其在普通人群中的發(fā)病率為3/10萬(wàn)～8/10萬(wàn)[8]。然而膠質(zhì)瘤確切的發(fā)病機(jī)制目前仍不十分清楚，有研究認(rèn)為其發(fā)病與先天的遺傳高危因素和環(huán)境的致癌因素相互作用有關(guān)。分子生物學(xué)技術(shù)及基因表達(dá)高通量檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展為探討腦膠質(zhì)瘤的發(fā)病機(jī)制提供了重要的方法。MGMT基因?yàn)镈NA甲基轉(zhuǎn)移酶編碼基因，在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮重要作用[9～11]。人類MGMT基因定位于10號(hào)染色體，該基因有4個(gè)轉(zhuǎn)錄本，編碼蛋白質(zhì)主要功能為不可逆地將O6-甲基鳥嘌呤轉(zhuǎn)移，促使鳥嘌呤復(fù)原，從而保護(hù)DNA免受損傷[12，13]。既往研究認(rèn)為，MGMT基因異常表達(dá)與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關(guān)[14]。然而MGMT基因在腦膠質(zhì)瘤中的表達(dá)、生物學(xué)功能及相關(guān)信號(hào)通路并不清楚。

表2 MGMT基因的相關(guān)信號(hào)通路

TCGA數(shù)據(jù)庫(kù)是美國(guó)國(guó)家癌癥研究所和美國(guó)人類基因組研究所共同監(jiān)督的一個(gè)項(xiàng)目，旨在應(yīng)用高通量的基因組分析技術(shù)，提高對(duì)癌癥的預(yù)防、診斷和治療能力，從而在整體上提高癌癥患者的預(yù)后。本研究分析了TCGA數(shù)據(jù)庫(kù)中MGMT基因在腦膠質(zhì)瘤中的表達(dá)、突變情況及其與膠質(zhì)瘤患者預(yù)后的關(guān)系，結(jié)果顯示，與正常腦組織比較，膠質(zhì)瘤患者腫瘤組織中MGMT基因表達(dá)上調(diào)，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，MGMT基因在不同腫瘤組織與其對(duì)應(yīng)的正常組織中的表達(dá)水平并不一致，在前列腺癌、腎癌和甲狀腺癌中表達(dá)水平上調(diào)，在食管癌、頭頸部鱗癌和皮膚癌中表達(dá)水平下調(diào)。因此推測(cè)，MGMT基因的表達(dá)不但與腫瘤類型有關(guān)，可能也存在組織特異性。MGMT基因在腦膠質(zhì)瘤中的差異表達(dá)提示其可能參與了腦膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展[15]。

MGMT基因甲基化是其失活的重要原因，也是腦膠質(zhì)瘤發(fā)生的重要機(jī)制，同時(shí)也為膠質(zhì)瘤靶向藥物的研發(fā)開辟了新的方向和思路。近年來(lái)，隨著高通量表達(dá)譜芯片和二代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，癌基因和抑癌基因的差異表達(dá)和突變?cè)谀z質(zhì)瘤發(fā)生發(fā)展中也發(fā)揮重要作用。在本研究中，MGMT基因在腦膠質(zhì)瘤腫瘤組織中上調(diào)表達(dá)，并存在C>A、C>G、C>T的突變，提示該基因的異常表達(dá)可能參與了膠質(zhì)瘤的發(fā)生。同時(shí)，MGMT表達(dá)上調(diào)膠質(zhì)瘤患者總生存時(shí)間和無(wú)疾病進(jìn)展生存時(shí)間明顯減低，說(shuō)明MGMT高表達(dá)是膠質(zhì)瘤患者預(yù)后不良的分子標(biāo)志物。探討MGMT在膠質(zhì)瘤中的作用信號(hào)通路及其導(dǎo)致患者預(yù)后較差的分子機(jī)制，有望成為膠質(zhì)瘤靶向治療的新靶點(diǎn)。