乳腺癌微環(huán)境中CXC趨化因子治療靶點(diǎn)和預(yù)后標(biāo)志物的綜合生物信息學(xué)分析

李瑾，畢志金，李楊

（西南醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院，四川瀘州 646000）

乳腺癌（Breast Cancer，BC）是世界上女性發(fā)病率最高的癌癥，每年在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)近170萬例新病例[1]。由于在診斷和治療方面取得了顯著進(jìn)步，在醫(yī)學(xué)研究充分的地區(qū)，乳腺癌患者的存活率有所提高[2]。盡管乳腺癌的治療和診斷方法取得了進(jìn)展，但由于對化療和轉(zhuǎn)移的耐藥性，一些患者的預(yù)后仍然很差。因此，確定更好的治療和預(yù)后生物標(biāo)志物對于乳腺癌診療極為重要。

調(diào)節(jié)癌癥進(jìn)展的免疫機(jī)制是一個(gè)有吸引力的領(lǐng)域，多年來一直是深入研究的重點(diǎn)。趨化因子是一個(gè)細(xì)胞因子家族，由腫瘤細(xì)胞、白細(xì)胞、免疫細(xì)胞和其他細(xì)胞類型分泌，可調(diào)節(jié)炎癥和免疫反應(yīng)。所有趨化因子可根據(jù)其半胱氨酸（C）殘基序列分為四大類：CXC趨化因子、CC趨化因子、C趨化因子和CX3C趨化因子，其中X代表任何氨基酸。炎癥趨化因子通常由有害刺激物誘導(dǎo)，例如感染或細(xì)胞損傷，而穩(wěn)態(tài)趨化因子在正常免疫網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)中組成性表達(dá)。除了以介導(dǎo)趨化性而聞名之外，大多數(shù)趨化因子還表現(xiàn)出與細(xì)胞增殖和存活以及刺激或抑制血管生成相關(guān)的各種附加功能。其中，CXC趨化因子在腫瘤血管生成、生長、侵襲和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮關(guān)鍵作用[3]。

在本研究中，基于幾個(gè)大型公共數(shù)據(jù)庫對臨床病理學(xué)和生存數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的生物信息學(xué)分析，闡明整個(gè)CXC家族在乳腺癌中的預(yù)后價(jià)值。

1 使用工具

本研究使用了若干在線數(shù)據(jù)庫和在線工具。利用 UALCAN（http://ualcan.path.uab.edu/index.html）進(jìn)行CXC趨化因子表達(dá)差異分析，利用Kaplan-Meier Plotter數(shù)據(jù)庫（https://kmplot.com/analysis/）進(jìn)行CXC趨化因子總體生存期分析，利用CBioPortal（https://www.cbioportal.org/）分析CXC趨化因子在乳腺癌患者中的基因改變率，利用Metascape（https://metascape.org/gp/index.html）分析CXC趨化因子的通路和功能富集，利用GEPIA（http://gepia.cancer-pku.cn/）分析CXC趨化因子與腫瘤分期的相關(guān)性[4-6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳腺癌患者CXC趨化因子表達(dá)異常

利用UALCAN數(shù)據(jù)庫鑒定16個(gè)CXC趨化因子（CXCL1至CXCL17，無CXCL15）的表達(dá)情況。圖1展示了16個(gè)CXC趨化因子在20種癌癥中的轉(zhuǎn)錄水平，并將其與正常樣本進(jìn)行比較，其中CXCL8無表達(dá)量。閾值指標(biāo)分別為P≤1×10-4，F(xiàn)old Change≥2，Gene Rank≥Top 10%。不同類型的癌癥與相應(yīng)的正常組織相比，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性（P＜0.05），其中mRNA高表達(dá)組用紅色表示，低表達(dá)組用藍(lán)色表示。在多個(gè)數(shù)據(jù)集的乳腺癌樣本中，CXCL9/10/11/13/17的mRNA表達(dá)顯著上調(diào)，而CXCL1/2/4/5/7的mRNA表達(dá)顯著下調(diào)。

圖1 CXC趨化因子的mRNA表達(dá)水平

2.2 乳腺癌患者CXC趨化因子的功能富集分析

利用GEPIA和Metascape分析乳腺癌患者中差異表達(dá)的CXCL1/2/4/5/7/9/10/11/13和CXCL17的功能、通路富集。如圖2所示，基因功能主要富集在CXCR趨化因子受體結(jié)合（CXCR chemokine receptor binding）、髓系白細(xì)胞遷移（myeloid leukocyte migration）、CXCR3趨化因子受體結(jié)合（CXCR3 chemokine receptor binding）、肝素結(jié)合（heparin binding）；KEGG通路主要富集在IL-17信號通路（IL-17 signaling pathway）。

圖2 GO和KEGG富集結(jié)果

2.3 乳腺癌患者CXC趨化因子的基因改變分析

利用CBioPortal分析差異表達(dá)趨化因子CXCL1/2/4/5/7/9/10/11/13和CXCL17在乳腺癌患者中的基因改變率，其中CbioPortal中的CXCL4和CXCL7分別用PF4和PPBP表示。如圖3所示，這些差異表達(dá)的CXC趨化因子均發(fā)生了不同比例的突變，其中CXCL2/5/10突變率最高，均達(dá)到5%；CXCL4突變率最低，為1%。

圖3 基因突變率

2.4 CXC趨化因子在乳腺癌患者中的預(yù)后價(jià)值

通過Kaplan-Meier Plotter數(shù)據(jù)庫探討了乳腺癌中CXC趨化因子改變的預(yù)后價(jià)值，與總體生存期顯著相關(guān)的趨化因子共9個(gè)，其總生存期（Overall Survival，OS）曲線如圖4所示。數(shù)據(jù)表明，CXCL9、CXCL11、CXCL12、CXCL13和CXCL17高表達(dá)的乳腺癌患者與長期OS顯著相關(guān)；CXCL1、CXCL10、CXCL14和CXCL16的低表達(dá)也與較長的OS相關(guān)。與上一步差異表達(dá)篩選出的基因求交集，發(fā)現(xiàn)CXCL1、CXCL9、CXCL11、CXCL13和CXCL17可以作為乳腺癌的潛在預(yù)后標(biāo)志物。

圖4 9個(gè)與乳腺癌患者總體生存率顯著相關(guān)的CXC趨化因子OS曲線

2.5 差異表達(dá)趨化因子與分期的關(guān)系

在GEPIA中評估了差異CXC趨化因子的表達(dá)與乳腺癌患者病理分期之間的相關(guān)性，如圖5所示，CXC1（P=0.006）、CXCL2（P=0.002）、CXCL5（P=0.007）、CXC13（P=0.010）的表達(dá)量在5個(gè)乳腺癌病理分期中有顯著性差異，表明這些CXC趨化因子在乳腺癌的發(fā)生和發(fā)展中起重要作用。與篩選出的差異基因求交集，認(rèn)為CXCL1、CXCL2、CXCL5和CXCL13可以作為乳腺癌的潛在分期標(biāo)志物。

圖6 4個(gè)與腫瘤分期顯著相關(guān)的CXC趨化因子

3 結(jié)論

本文使用UALCAN、Kaplan-Meier Plotter、CBio-Portal、Metascape和GEPIA對CXC趨化因子進(jìn)行了綜合性生物信息學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌患者中CXCL9/10/11/13/17的mRNA表達(dá)水平升高，而CXCL1/2/4/5/7的mRNA表達(dá)水平較非腫瘤組織低。KaplanMeier分析顯示，CXCL9/11/12/13/17高表達(dá)及CXCL1/14/16低表達(dá)與較長的OS相關(guān)。CXCL1/2/5/13的表達(dá)量在乳腺癌病理分期中有顯著差異。綜合生物信息學(xué)分析表明，與其他CXC趨化因子相比，CXCL1/9/11/13/17可能是乳腺癌患者的潛在預(yù)后標(biāo)志物，CXCL1/2/5/13可以作為乳腺癌的潛在分期標(biāo)志物。