孫丹,費浩然,仲成成,楊海深,司鑫鑫,胡偉,王仲
(1.錦州醫(yī)科大學(xué),遼寧 錦州 121001;2.江蘇省連云港市第一人民醫(yī)院 肝膽外科,江蘇 連云港 222001;3.江蘇海洋大學(xué)藥學(xué)院,江蘇 連云港 222005)
方法:在TIMER中分析TMEM201在泛癌中的表達。下載TCGA與GEO數(shù)據(jù)庫中HCC患者數(shù)據(jù),并收集106例HCC患者的手術(shù)標本與臨床信息,分析TMEM201在肝癌組織與癌旁組織中的表達情況,并繪制生存曲線,分析TMEM201表達與HCC患者的預(yù)后關(guān)系。用單因素與多因素Cox分析判斷HCC相關(guān)危險因素。根據(jù)TCGA與臨床數(shù)據(jù),分析TMEM201的表達與HCC患者臨床病理特征的關(guān)系。應(yīng)用String和GeneMANIA數(shù)據(jù)庫繪制與TMEM201及其相關(guān)基因的網(wǎng)絡(luò)圖譜。通過TCGA數(shù)據(jù)庫分析TMEM201與免疫細胞的關(guān)系。通過LinkedOmics數(shù)據(jù)庫分析與TMEM201相關(guān)的共表達基因,并對共表達基因進行GO功能分析與KEGG通路預(yù)測。
結(jié)果:泛癌分析結(jié)果顯示,TMEM201在絕大部分腫瘤中呈高表達。多數(shù)據(jù)庫及臨床HCC標本免疫組化分析顯示,TMEM201在HCC組織中的表達明顯高于癌旁組織(均P<0.05),且TMEM201高表達患者生存時間明顯短于低表達患者。單因素與多因素Cox風險回歸提示TMEM201的表達是HCC患者總體生存率的獨立危險因素。蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)、GeneMANIA數(shù)據(jù)庫分析顯示,TMEM201與SUN1、SUN2、LMNB1、EMD等基因存在明顯相互作用。免疫浸潤分析結(jié)果顯示,TMEM201表達與樹突狀細胞、細胞毒性細胞、Th2細胞等明顯有關(guān)。此外,功能富集分析顯示,TMEM201與共表達基因參與了許多HCC的生物學(xué)過程、細胞組成、分子功能和作用通路。通路結(jié)果及相關(guān)性熱圖提示TMEM201與細胞周期高度相關(guān)。
結(jié)論:TMEM201在HCC組織中高表達,是影響HCC患者預(yù)后的獨立危險因素,TMEM201在HCC中的作用機制可能與免疫浸潤的調(diào)節(jié)、細胞周期的調(diào)控有關(guān)。
肝癌是常見的消化系統(tǒng)惡性腫瘤,在全球癌癥相關(guān)死亡中,排名男性第5位,女性第8位[1]。在肝癌分類中,肝細胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是最常見類型,約占90%[1-2]。盡管近年來對HCC的研究成果不斷,治療有所進展,但因肝癌起病隱匿,發(fā)展迅速,仍有絕大部分HCC患者確診即晚期,導(dǎo)致HCC的治療仍面臨艱巨的挑戰(zhàn)。因此,解決HCC治療難的問題,就首先要研究清楚發(fā)生發(fā)展機制。
膜蛋白是細胞蛋白質(zhì)的重要組成部分,其中許多膜蛋白在細胞外環(huán)境及細胞質(zhì)內(nèi)間傳遞信息,在一系列生物活動中發(fā)揮重要作用。跨膜蛋白(transmembrane protein,TMEM)家族特征性地存在跨膜結(jié)構(gòu)域,參與細胞膜性成分的組成[3]。許多TMEM家族成員作為通道蛋白,允許特定的物質(zhì)通過生物膜運輸,控制跨膜轉(zhuǎn)運。TMEM存在于許多類型的細胞中,并履行重要的生理功能,如表皮角化、自噬、平滑肌收縮、蛋白糖基化以及肝臟的發(fā)育和分化[4]?,F(xiàn)已觀察到TMEM表達的失調(diào)與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關(guān),如骨肉瘤[5]、肺癌[6]、胃癌[7]、卵巢癌[8]等。TMEM201是TMEM家族的一員,目前已有研究證明TMEM201與乳腺癌[9-10]相關(guān),而TMEM201在HCC中的作用尚不明確。本研究主要分析了TMEM201在HCC中的表達及其預(yù)后的關(guān)系,并分析有關(guān)的分子機制。
在TCGA數(shù)據(jù)庫[11](https://portal.gdc.cancer.gov)、GEO數(shù)據(jù)庫[12](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)中搜集關(guān)于HCC患者信息,下載TCGA-LIHC、GSE84402、GSE121248數(shù)據(jù)集,分析TMEM201在HCC中的表達、患者預(yù)后等情況。選取2018年5月—2021年4月在江蘇省連云港市第一人民醫(yī)院確診為HCC的106例患者手術(shù)標本與臨床信息,患者臨床分期按照國際抗癌聯(lián)盟TNM分期(第8版)[13]標準進行。所有病例術(shù)前未進行任何抗腫瘤治療,本研究通過我院倫理審查(倫理審查意見號:KY20170513001)。
1.2.1 TMEM201在泛癌中的表達 使用TIMER[14]網(wǎng)站Diff Exp版塊,Gene Symbol選擇TMEM201,即可得到TMEM201在各個癌癥中的表達情況。
1.2.2 TMEM201在HCC組織中表達水平和生存預(yù)后的分析 使用R語言對TCGA-LIHC、GSE84402、GSE121248數(shù)據(jù)集進行處理并進行差異分析,應(yīng)用TCGA臨床數(shù)據(jù),采用最佳截斷值對TMEM201對總生存期(overall survival,OS)和疾病特異性生存期(disease specific survival,DSS)進行分析。
1.2.3 TMEM201與影響HCC預(yù)后的因素分析 使用SPSS 25.0軟件對TCGA-LIHC數(shù)據(jù)進行單因素和多因素Cox回歸分析,納入TMEM201基因、患者的年齡、性別、體質(zhì)量、腫瘤分級、T分期、臨床分期,對影響患者預(yù)后的可能因素作出解釋。并采用χ2檢驗做出其與臨床病理的相關(guān)性分析。隨后再使用cBioPortal[15]在MSK,Clin Cancer Res 2018、AMC Hepatology 2014、TCGA、Firehose Legacy三個數(shù)據(jù)庫737例HCC患者中分析TMEM201基因的基因組改變對預(yù)后的影響。
1.2.4 免疫組織化學(xué)檢查 手術(shù)切除的HCC與癌旁組織(距腫瘤邊緣>1 cm)標本進行免疫組化實驗驗證上述結(jié)果。免疫組化評分由2名與本研究無關(guān)的病理醫(yī)師采用雙盲法獨立評估。通過陽性細胞比率和染色強度進行評分[16-18],陽性細胞比率:<25%為1分,25%~50% 為2分,51%~75%為3分,>75%為4分;染色強度評分:無色為0分,淡黃色為1分,棕黃色為2分,棕褐色為3分;將陽性細胞比率和染色強度相乘,陽性細胞率與染色強度之積分為0~4分為TMEM201陰性表達,5~12分為陽性表達。
1.2.5 TMEM201表達量與免疫浸潤的關(guān)系 采用ssGSEA算法評估24種免疫細胞類型的腫瘤浸潤狀態(tài),TMEM201表達量與免疫細胞浸潤狀態(tài)、免疫細胞標志物之間的關(guān)系采用Spearman相關(guān)分析。
1.2.6 TMEM201在HCC中的機制預(yù)測 LinkedOmics[19]網(wǎng)站分析與TMEM201相關(guān)的共表達基因,并對共表達基因進行GO與KEGG分析,GSEA4.2.2進行單基因富集分析,采用String數(shù)據(jù)庫對TMEM201進行蛋白質(zhì)相互作用(protein-protein interaction,PPI)網(wǎng)絡(luò)分析。
統(tǒng)計分析采用SPSS 25.0軟件與R軟件。使用R語言中“l(fā)imma”包進行校正和差異分析,采用Kaplan-Meier法繪制生存曲線;采用Spearman分析基因間相關(guān)性,0.1≤|r|≤1.0為存在相關(guān)性;SPSS 25.0進行Cox單多因素回歸分析,臨床病理基線資料表采用χ2分析,P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
TCGA數(shù)據(jù)庫中分析了泛癌中TMEM201的表達,結(jié)果表明TMEM201在絕大部分腫瘤中高表達,其中包括HCC(P<0.001)(圖1)。此外,TCGALIHC、GSE121248、GSE84402數(shù)據(jù)集及我院臨床樣本中,癌組織TMEM201的表達均呈現(xiàn)較高水平(均P<0.05);臨床樣本免疫組化結(jié)果顯示,癌組織中陽性表達率為65%(69/106),而癌旁組織陽性表達率僅為11%(12/106)(圖2)。
圖2 TMEM201在HCC組織與癌旁組織的表達情況 A:TCGA;B:GSE121248;C:GSE84402;D:臨床樣本;E-F:免疫組化檢測TMEM201表達Figure 2 The expression of TMEM201 in HCC tissue and adjacent tissue A: TCGA; B: GSE121248; C: GSE84402; D:Clinical samples; E-F: Immunohistochemical detection of the expression of TMEM201
為了研究HCC患者中TMEM201的表達與預(yù)后關(guān)系,通過TCGA數(shù)據(jù)庫繪制OS、DSS生存曲線,結(jié)果顯示TMEM201高表達與不良預(yù)后有關(guān);我院隨訪的臨床數(shù)據(jù)使用R語言繪制影響OS、DSS生存曲線,支持上述結(jié)論(圖3)。
圖3 TMEM201表達與OS、DSS的關(guān)系Figure 3 The relationship between TMEM201 expression and OS and DSS
TCGA數(shù)據(jù)庫單因素與多因素Cox回歸分析顯示,TMEM201的表達、體質(zhì)量、臨床分期、T分期與患者的OS有關(guān)(均P<0.05),而年齡、性別、腫瘤分級與HCC預(yù)后關(guān)系不明顯(均P>0.05);將單因素有意義的因子納入多因素Cox回歸分析中,結(jié)果表明TMEM201表達是影響HCC患者OS的獨立危險因素(HR=2.262,95%CI=1.501~3.410,P<0.001)(表1)。HCC患者的臨床病理特征與TMEM201表達量之間分析結(jié)果顯示,TMEM201表達量的高低在年齡,體質(zhì)量,腫瘤分級,臨床分期,T分期等方面差異有統(tǒng)計學(xué)意義(均P<0.05)(表2)。
表1 影響HCC患者OS的單因素與多因素Cox回歸分析(TCGA數(shù)據(jù)庫)Table 1 Univariate and multivariate Cox Regression analysis of factors influencing OS in HCC patients (TCGA database)
根據(jù)臨床樣本單因素分析結(jié)果顯示,TMEM201、T分期、臨床分期與患者的OS有關(guān)(均P<0.05);將單因素分析有意義的結(jié)果納入多因素分析,結(jié)果支持TMEM201表達是影響HCC患者預(yù)后的獨立危險因素(P<0.05)(表3)。同時進行χ2檢驗分析TMEM201表達量與臨床病理的關(guān)系,結(jié)果顯示,T分期、臨床分期之間存在明顯關(guān)系(均P<0.05)(表4)。
表3 影響HCC患者OS的單因素與多因素Cox回歸分析(臨床病例)Table 3 Univariate and multivariate Cox Regression analysis of factors influencing OS in HCC patients (clinical cases)
表4 TMEM201表達與HCC患者臨床病理的關(guān)系(臨床病例)[n(%)]Table 4 Relationship between TMEM201 expression and clinicopathologic factors in HCC patients (clinical cases) [n (%)]
cBioPortal結(jié)果顯示,在HCC患者中,僅有2.6%的患者觀察到TMEM201基因突變(圖4),有無TMEM201基因組改變對患者的OS(P=0.103)、DSS(P=0.576)無明顯影響。
圖4 TMEM201基因改變與HCC患者生存的關(guān)系 A:TMEM201基因改變的OncoPrint總結(jié);B:OS曲線;C:DSS曲線Figure 4 Relationship between TMEM201 gene alterations and survival in HCC patients A: OncoPrint summary of TMEM201 gene alterations; B: OS curve; C: DSS curve
應(yīng)用ssGSEA算法評價24種[20]免疫細胞在HCC組織中的浸潤情況,通過Spearman法分別評估免疫細胞與TMEM201的相關(guān)性(圖5A)、TMEM201高、低表達組之間免疫浸潤結(jié)果的差別(圖5B)。結(jié)果顯示,TMEM201與細胞毒性細胞、樹突狀細胞(dendritic cells,DC)、中性粒細胞、漿細胞樣樹突狀細胞(plasmacytoid DC,pDC)、γδT細胞(T gamma delta,Tgd)、Th17細胞、調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cells,TReg)等呈負相關(guān);與CD56(+)NK細胞、輔助T細胞、濾泡輔助性T細胞(T follicular helper,TFH)、Th2細胞等呈正相關(guān)。
圖5 HCC中免疫細胞浸潤與TMEM201表達的關(guān)系分析 A:HCC組織中24種免疫細胞浸潤水平與TMEM201表達水平的Spearman相關(guān)分析結(jié)果;B:TMEM201高表達組和低表達組中免疫細胞浸潤情況Figure 5 Analysis of the relationship between immune cell infiltration and TMEM201 expression in HCC A: Spearman correlation analysis results of 24 immune cell infiltration levels and TMEM201 expression levels in HCC tissues;B: Immune cell infiltration status in TMEM201 high-expression and low-expression groups
LinkedOmincs在線工具對TCGA-LIHC數(shù)據(jù)進行分析,分析方法采用Pearson檢驗,尋找TMEM201的共表達基因(圖6)。熱圖分別顯示出與TMEM201前50個正相關(guān)、負相關(guān)最密切的基因。為了挖掘這些基因在HCC中的作用機制,對TMEM201及上述共表達基因繼續(xù)進行GO、KEGG分析,GO分析分別對生物過程、細胞成分、分子功能三個方面進行注釋。結(jié)果顯示與DNA復(fù)制、細胞周期相關(guān)活動、刺激DNA的催化、刺激細胞周期蛋白依賴性蛋白激酶等明顯相關(guān)。KEGG分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),TMEM201及其共表達基因在細胞周期通路顯著富集。隨后應(yīng)用GSEA4.2.2在GSE84402、GSE121248、TCGA-LIHC數(shù)據(jù)集進行基因富集分析,同樣富集到細胞周期通路(圖7A-C)。進一步采用R語言軟件繪制TMEM201與細胞周期相關(guān)蛋白的相關(guān)性,以熱圖的方式呈現(xiàn)。TMEM201與絕大多數(shù)細胞周期相關(guān)蛋白呈正相關(guān)(圖8)。
圖6 TMEM201共表達網(wǎng)絡(luò)及GO功能注釋和KEGG信號通路分析 A-C:Pearson檢驗分析在HCC中TMEM201表達相關(guān)的基因;D-F:TMEM201在HCC中表達相關(guān)基因GO功能注釋;G:TMEM201在HCC中表達相關(guān)基因KEGG信號通路分析Figure 6 TMEM201 co-expression network and analysis of GO functional annotation and KEGG signaling pathway analysis A-C: Pearson correlation analysis of genes associated with TMEM201 expression in HCC; D-F: GO functional annotation of genes associated with TMEM201 expression in HCC; G: KEGG signaling pathway analysis of genes associated with TMEM201 expression in HCC
圖7 多數(shù)據(jù)庫GSEA富集分析結(jié)果 A:GSE84402;B:GSE121248;C:TCGAFigure 7 Multi-database GSEA enrichment analysis results A: GSE84402; B: GSE121248; C: TCGA
在String數(shù)據(jù)庫中分析與TMEM201相互作用的蛋白,結(jié)果顯示與TMEM201互作的前20個基因(P<0.001),其中EMD(Emerin)綜合得分最高(score=0.999)(圖9A)。隨后又在GeneMANIA數(shù)據(jù)庫中再次分析(圖9B),EMD也在相互作用最強的前20個基因之列。為了進一步分析TMEM201與EMD的關(guān)系,利用TCGA數(shù)據(jù)庫分析兩者之間的相關(guān)性,結(jié)果顯示TMEM201與EMD正相關(guān)(r=0.366,P<0.001)(圖9C)。
圖9 TMEM201的PPI網(wǎng)絡(luò) A:String;B:GeneMANIA;C:TMEM201與EMD相關(guān)性Figure 9 PPI network of TMEM201 A: String; B: GeneMANIA; C: Correlation of TMEM201 with EMD
HCC是常見的消化系統(tǒng)惡性腫瘤,約83%病例發(fā)生在世界不發(fā)達地區(qū),對東亞和東南亞國家的健康構(gòu)成了極大的威脅[21]。80%~90%的HCC發(fā)生在肝硬化的基礎(chǔ)上[22],各種原因誘導(dǎo)肝細胞慢性損傷導(dǎo)致肝細胞再生和纖維化的惡性循環(huán),從而增加了HCC發(fā)生的風險。HCC發(fā)展到晚期前一直處于無癥狀狀態(tài),缺乏監(jiān)測和早期診斷精度不高是HCC預(yù)后差、病死率高的重要原因,如果HCC患者可以早期發(fā)現(xiàn),手術(shù)切除可以為其提供良好的預(yù)后,這類患者5年OS率可超70%[23],因此,探索與HCC相關(guān)的基因及其作用機制不僅有利于HCC的早期診斷和提高HCC患者的預(yù)后情況,更有望發(fā)展成為新的治療靶點。
TMEM家族作為一種新發(fā)現(xiàn)的蛋白家族,是各種細胞膜的組成部分,如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體和高爾基膜[24]。目前發(fā)現(xiàn)TMEM家族有200多個成員,Zhang等[6]通過臨床樣本和小鼠肺癌模型中證明TMEM116缺失顯著抑制PDK1/Akt/FOXO3A信號通路,致使TAp63累積,進而阻礙細胞的生長、遷移、侵襲和轉(zhuǎn)移。Shen等[7]證明敲除TMEM45B通過抑制JAK2/STAT3信號通路,抑制胃癌細胞的增殖、轉(zhuǎn)移和侵襲;另外有研究[25]通過生信分析及生物學(xué)功能實驗證實了TMEM106C在HCC中過表達,且TMEM106C低表達通過靶向作用CENPM和DLC-1來抑制腫瘤的進一步發(fā)展。TMEM201(基因ID:199953)是一種新型的TMEM,包含5個預(yù)測的跨膜片段和1個高度保守的含有大量磷酸化位點的C端結(jié)構(gòu)域,這表明其是一種高度保守的蛋白且具有重要的調(diào)節(jié)功能。研究[10]表明,TMEM201在乳腺癌中表達水平顯著升高,并與不良預(yù)后相關(guān),RNA測序分析和驗證表明TMEM201缺乏通過TGF-β通路抑制了上皮細胞向間質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)變,TMEM201與SMAD2/3相互作用可促進SMAD2/3磷酸化、TGF-β的核轉(zhuǎn)位和轉(zhuǎn)錄激活,證明了特異性內(nèi)核膜成分介導(dǎo)的信號依賴性轉(zhuǎn)錄作用促進乳腺癌轉(zhuǎn)移。
本研究基于生物信息學(xué)方法,在多數(shù)據(jù)庫中分析TMEM201在HCC組織中的表達情況,結(jié)果均提示TMEM201在HCC組織中高表達,通過分析TCGA-LIHC數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)高表達的患者預(yù)后較差,單因素與多因素Cox回歸分析發(fā)現(xiàn)TMEM201是影響HCC患者總生存期的獨立危險因素,TCGA的臨床病理分析結(jié)果提示TMEM201表達水平與年齡、體質(zhì)量、腫瘤分級、臨床分期、T分期之間的關(guān)系非常密切。對TMEM201在HCC的機制研究中發(fā)現(xiàn),其與免疫浸潤相關(guān),通路預(yù)測中富集到細胞周期通路,基因相關(guān)性分析提示TMEM201與細胞周期通路調(diào)控正相關(guān)。本院臨床樣本免疫組化實驗結(jié)果表明TMEM201在HCC組織中高表達,在癌旁組織中低表達,且TMEM201高表達與HCC患者的不良預(yù)后有關(guān)。單因素與多因素Cox回歸分析證實TMEM201是影響HCC患者總生存期的獨立危險因素,臨床病理分析結(jié)果顯示TMEM201的表達與T分期、臨床分期密切相關(guān),上述研究結(jié)果與在TCGA數(shù)據(jù)庫中的研究結(jié)果一致。以上結(jié)果表明TMEM201在HCC中發(fā)揮著重要作用,為HCC提供新的潛在治療靶點。
腫瘤浸潤性免疫細胞幾乎存在于所有癌癥中,它們可以通過改變腫瘤微環(huán)境來改變癌癥進展。TMEM家族中TMEM200A在胃癌組織中高表達,具有較好的診斷價值,還可能與免疫細胞浸潤,和免疫檢查點表達顯著相關(guān)[26]。TMEM205已被證明在HCC中高表達,并且與多種腫瘤免疫抑制劑負相關(guān)[27]。在先前的一項研究中,已有學(xué)者[28-29]證明25%的HCC樣本中表達了炎癥反應(yīng)的標志物。因此推測TMEM201與HCC的免疫細胞之間也存在聯(lián)系,生物信息學(xué)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),TMEM201與多種免疫細胞具有較強的相關(guān)性,例如DC[30]、Th17[31]、細胞毒性細胞[32]等具有抗腫瘤作用的免疫細胞與TMEM201表達呈負相關(guān)。表明TMEM201可能在HCC免疫調(diào)節(jié)中抑制免疫系統(tǒng)的抗腫瘤作用,有望成為一個新的免疫治療靶點。
在本研究中,通過String與GeneMANIA數(shù)據(jù)庫分析相互作用密切的蛋白中,EMD蛋白各項評分均最高。EMD由STA基因編碼,其位于Xq28的遠端區(qū)域,是34 kDa的親水蛋白,具有疏水區(qū)域作為跨膜結(jié)構(gòu)域。它被歸類為Ⅱ型整體膜蛋白,其通過膜錨定被動擴散進入細胞核,通過結(jié)合A型層蛋白穩(wěn)定其定位,定位于核膜內(nèi)/核層[33-34],EMD參與基因表達、細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、核和基因組結(jié)構(gòu)的調(diào)控等[35]。EMD有22個的磷酸化位點,在有絲分裂中,EMD的磷酸化是細胞周期依賴性的[36]。已有學(xué)者[37]證明EMD在HCC中高表達,通過筆者研究發(fā)現(xiàn)TMEM201與EMD在PPI中評分最高,且兩者正相關(guān),進一步提示兩者之間可能存在密不可分的聯(lián)系。但二者之間在HCC細胞周期調(diào)控中如何相互作用等需進一步去研究。
本研究大部分結(jié)果僅局限于生物信息學(xué)分析,且生物信息學(xué)分析的結(jié)果需要多數(shù)據(jù)庫進行驗證,同時缺少對機制預(yù)測的實驗驗證,需要后期通過實驗進一步證實。
綜上,以上結(jié)果表明TMEM201在HCC中高表達,且高表達的患者預(yù)后較差,在機制中可能與免疫浸潤的調(diào)節(jié)及細胞周期的調(diào)控相關(guān)。有望作為判斷HCC預(yù)后的標志物,為HCC患者提供潛在的治療靶點。
利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明:孫丹負責采集及分析數(shù)據(jù),文章撰寫;費浩然、仲成成、楊海深負責生物信息學(xué)和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù);司鑫鑫負責對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱及指導(dǎo);胡偉、王仲負責項目研究經(jīng)費、審校稿件和指導(dǎo)課題實施。