DIP2A對(duì)肺腺癌的作用機(jī)制和藥物敏感度分析

孫詩(shī)卓,劉思奇,呂 錚,周 月,張繼旭,蘆小單,,丁亦男

(1.長(zhǎng)春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130032;2.吉林省人民醫(yī)院,吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引言

中國(guó)肺癌的發(fā)病率和死亡率均在惡性腫瘤中居首位,同時(shí)肺癌的死亡率在全球癌癥死亡率中也占有較大比例。非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)約占所有肺癌病例的85%,而肺腺癌(LUAD)是非小細(xì)胞肺癌中最常見的類型[1]。近年來(lái),盡管在LUAD的診斷和治療方面取得了一些進(jìn)展,但是對(duì)LUAD患者進(jìn)行抗癌藥物的特定篩選仍然是一個(gè)相對(duì)不明確的領(lǐng)域。

分離相互作用蛋白2同源物A(Disconnected interacting protein 2 homolog A,DIP2A)位于人類染色體21q22.3上,屬于DIP2蛋白家族。DIP2A在細(xì)胞存活、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞遷移等多個(gè)生物過程中發(fā)揮著重要作用[2-3]。

在腫瘤學(xué)研究中,研究人員發(fā)現(xiàn)DIP2A在多種癌癥中表達(dá)水平升高,包括結(jié)直腸癌[4]和骨肉瘤[5]。降低DIP2A的表達(dá)被發(fā)現(xiàn)能夠促使抗腫瘤免疫的增強(qiáng),這揭示了DIP2A在腫瘤免疫逃逸中的一定作用[6]。在非小細(xì)胞肺癌中,阻斷DIP2A相關(guān)通路被證明對(duì)患者具有良好的預(yù)后[7]。這表明DIP2A在非小細(xì)胞肺癌中的抑制可能為患者的治療提供了新的方向。

然而,對(duì)于DIP2A在肺腺癌中的詳細(xì)機(jī)制研究仍然相對(duì)有限,特別是抗癌相關(guān)藥物與DIP2A表達(dá)水平之間的關(guān)系。為填補(bǔ)這一研究空白,本研究運(yùn)用生物信息學(xué)方法,通過對(duì)肺腺癌中DIP2A表達(dá)水平的高低進(jìn)行篩選,尋找與DIP2A表達(dá)量相關(guān)的肺腺癌抗癌藥物。

這一研究的結(jié)果將有助于揭示DIP2A在肺腺癌中的藥物敏感性,為未來(lái)的治療策略提供新的思路。通過深入挖掘肺腺癌與DIP2A之間的關(guān)系,我們有望為患者提供更加有效和定制的治療方案,推動(dòng)肺腺癌的診療取得新進(jìn)展。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

從TCGA(The Cancer Genome Atlas)下載肺腺癌(LUAD)的TPM(Transcripts Per Million)標(biāo)準(zhǔn)化的mRNA表達(dá)矩陣。其中正常組59個(gè)樣本,腫瘤組526個(gè)樣本。

1.2 DIP2A在LUAD中的表達(dá)分析

對(duì)正常組和腫瘤組進(jìn)行Wilcoxon秩和檢驗(yàn),以驗(yàn)證在這兩組之間是否存在DIP2A基因的表達(dá)差異,用ggplot2繪制箱線圖。

1.3 差異表達(dá)分析和富集分析

從LUAD-TPM數(shù)據(jù)中去除正常樣本,保留腫瘤樣本。計(jì)算DIP2A表達(dá)量的五分位數(shù),將DIP2A表達(dá)量高于第四分位數(shù)的樣本歸為高表達(dá)組(DIP2A-HIGH),DIP2A表達(dá)量低于第一分位數(shù)的樣本歸為低表達(dá)組(DIP2A-LOW)。隨后,利用R語(yǔ)言中的Wilcoxon秩和檢驗(yàn)對(duì)這兩組樣本進(jìn)行差異基因分析,篩選差異表達(dá)基因(DEGs),篩選條件為:|log2FC|>1且P<0.05,其中FC表示差異倍數(shù),即高表達(dá)組與低表達(dá)基因表達(dá)量的比值。

通過clusterProfiler包對(duì)獲得的 DEGs進(jìn)行基因本體論 (Gene Ontology,GO)富集分析及京都基因和基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)分析,篩選條件為:P<0.05。GO富集分析包括分子功能(MF)、生物過程(BP)和細(xì)胞成分(CC)三類;KEGG富集分析揭示了主要的信號(hào)通路。

1.4 藥物敏感度分析

利用oncoPredict包對(duì)去除正常樣本的LUAD-TPM進(jìn)行藥物敏感度分析,計(jì)算得到各個(gè)樣本與198種抗癌藥物的半抑制濃度(IC50)。然后,根據(jù)DIP2A的表達(dá)量和得到的198種抗癌藥物IC50進(jìn)行相關(guān)性分析。保留相關(guān)性系數(shù)低于-0.3且相關(guān)性檢驗(yàn)P值小于0.05的結(jié)果(R<-0.30,P<0.05)。最后,借助ggplot2包,繪制散點(diǎn)圖以直觀展示它們的相關(guān)性關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 DIP2A在LUAD中的表達(dá)分析

對(duì)正常組和腫瘤組進(jìn)行Wilcoxon秩和檢驗(yàn),結(jié)果表明,DIP2A在LUAD中高表達(dá),且有顯著性(圖1)。

圖1 DIP2A在正常組與腫瘤組之間的差異表達(dá)水平

2.2 差異表達(dá)分析和富集分析

對(duì)DIP2A-HIGH與DIP2A-LOW進(jìn)行Wilcoxon秩和檢驗(yàn)差異分析,篩選出826個(gè)差異基因(DEGs),其中813個(gè)上調(diào)基因,13個(gè)下調(diào)基因。

對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行GO分析與KEGG分析,如圖2所示。在GO分析中,富集到的通路為翻譯活性的調(diào)控和抑制、mRNA 堿基配對(duì)翻譯抑制活性、核小體以及核小體裝配、RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體。在KEGG分析中,富集到的通路為miRNAs在癌癥中的發(fā)生。

圖2 GO分析以及KEGG分析富集到的通路

上述富集到的通路均與翻譯過程的調(diào)控和miRNAs有關(guān)。

2.3 藥物敏感度分析

通過對(duì)DIP2A的表達(dá)量和198種抗癌藥物的IC50進(jìn)行相關(guān)性分析,篩選出與DIP2A表達(dá)水平負(fù)相關(guān),具有顯著性(R<-0.30,P<0.05)的藥物。從198種藥物中,得到了11種藥物,它們分別是阿法替尼(Afatinib)、阿培利司(Alpelisib)、PIM抑制劑(AZD1208)、Dot1l的有效選擇性抑制劑(EPZ004777)、林西替尼(Linsitinib)、馬來(lái)酰亞胺類似物(MIRA-1)、口服生物的小分子BCL-2抑制劑(Navitoclax)、奈拉濱(Nelarabine)、奧希替尼(Osimertinib)、索拉非尼(Sinularin)以及選擇性的極光激酶抑制劑(ZM447439)(圖3)。

圖3 DIP2A與11種抗癌藥物IC50之間的相關(guān)性分析

3 討論

肺腺癌是肺癌的常見類型之一,DIP2A基因的高表達(dá)是導(dǎo)致肺腺癌發(fā)生的因素之一,其高表達(dá)也是腫瘤異質(zhì)性的核心。

基于TCGA數(shù)據(jù),本研究發(fā)現(xiàn)LUAD中DIP2A的表達(dá)量明顯高于正常組,這與多項(xiàng)已發(fā)表研究的結(jié)果基本一致[6]。

以DIP2A的五分位數(shù)將腫瘤組分為DIP2A高表達(dá)組與低表達(dá)組,并進(jìn)行差異分析,結(jié)果顯示有826個(gè)差異基因,均為在DIP2A高表達(dá)組的差異基因。在這些基因中,引起關(guān)注的是MIR499A這一miRNA。2019年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),MIR499A通過mTOR信號(hào)通路促進(jìn)肺腺癌細(xì)胞的增殖[8]。

除了MIR499A之外,在分析得到的差異基因中還包括MIR421、MIR6075。其中,MIR421在非小細(xì)胞肺癌中的過度表達(dá)與患者總生存期較短相關(guān),其過表達(dá)可以促進(jìn)NSCLC細(xì)胞的增殖和細(xì)胞周期的進(jìn)展[9];MIR6075在肺癌切除術(shù)后的診斷指數(shù)顯著降低[10]。

根據(jù)上述研究結(jié)果,DIP2A的高表達(dá)可能與上述miRNAs的異常表達(dá)相關(guān),而這些miRNAs可能在肺腺癌的發(fā)展中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了對(duì)這些miRNAs深入研究的重要性,以加深對(duì)肺腺癌發(fā)病機(jī)制的理解。

在差異分析中,還發(fā)現(xiàn)了一些核仁小核糖核酸(snoRNAs),其中SNORA7B的敲除減少了肺癌細(xì)胞的增殖[11],SNORA22則有助于細(xì)胞侵襲性和腫瘤的轉(zhuǎn)移[12]。此外,NSCLC細(xì)胞中SNORA80E的敲低可抑制體外和體內(nèi)的致瘤性,肺腫瘤組織標(biāo)本中SNORA80E的表達(dá)與NSCLC患者的生存呈負(fù)相關(guān)[13],因此,SNORA80E的激活可能在肺腫瘤發(fā)生中發(fā)揮致癌作用,并為惡性腫瘤提供潛在的診斷和治療靶點(diǎn)。

在GO富集分析中,富集到的通路與翻譯的調(diào)控和抑制相關(guān),通過Stéphan Vagner等的研究顯示,由于翻譯的能量成本較高,癌細(xì)胞在整體水平上會(huì)降低翻譯的啟動(dòng)[14]。這主要通過誘導(dǎo)整合應(yīng)激反應(yīng)(ISR)和抑制mTORC1來(lái)實(shí)現(xiàn),或者通過抑制翻譯的延伸過程來(lái)完成。整合應(yīng)激反應(yīng)(ISR)是一種復(fù)雜的細(xì)胞應(yīng)激響應(yīng)機(jī)制,它在細(xì)胞受到各種壓力和刺激時(shí)被激活。在癌細(xì)胞中,ISR的激活有助于調(diào)節(jié)翻譯過程,從而減少能量的浪費(fèi),使細(xì)胞更好地適應(yīng)惡劣的環(huán)境[15]。mTORC1是一個(gè)關(guān)鍵的細(xì)胞信號(hào)通路,控制蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞生長(zhǎng)。癌細(xì)胞可能通過抑制mTORC1來(lái)降低蛋白質(zhì)合成的速率,從而節(jié)約能量和資源,促使細(xì)胞更好地適應(yīng)癌癥微環(huán)境的壓力。另外,癌細(xì)胞也可能通過抑制翻譯的延伸過程來(lái)減少蛋白質(zhì)的合成。這種策略有助于維持細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)平衡,并確保資源的有效利用,從而支持癌細(xì)胞的生存和增殖。總體而言,癌細(xì)胞通過調(diào)控翻譯的啟動(dòng)和延伸過程,以適應(yīng)惡劣的生存環(huán)境,這為癌癥細(xì)胞的生存和增殖提供了一種有效的適應(yīng)策略[16]。

在KEGG富集分析中,富集到的通路為miRNAs在癌癥中的發(fā)生,miRNAs通過調(diào)節(jié)細(xì)胞周期、轉(zhuǎn)移、血管生成、新陳代謝和細(xì)胞凋亡,在腫瘤發(fā)生過程中發(fā)揮著重要作用[17]。這也驗(yàn)證了差異基因大多為miRNAs。

藥物敏感度分析結(jié)果顯示,有11種抗癌藥物隨DIP2A表達(dá)量的增高,IC50下降,這一發(fā)現(xiàn)與前文中我們觀察到的miRNAs和snoRNAs的異常表達(dá)可能存在關(guān)聯(lián)。miRNAs在肺腺癌的發(fā)展中起到關(guān)鍵作用,而snoRNAs與肺癌細(xì)胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移等方面相關(guān)。因此,DIP2A的高表達(dá)可能通過影響miRNAs和snoRNAs的表達(dá),進(jìn)而影響藥物敏感度。

4 結(jié)論

在LUAD-TPM的DIP2A高表達(dá)組中,有813個(gè)上調(diào)的DEGs和13個(gè)下調(diào)的DEGs,其中大多為非編碼RNA,差異基因的富集通路是與翻譯的抑制與調(diào)控以及miRNAs在癌癥中的發(fā)生相關(guān),由此推斷出DIP2A的表達(dá)影響翻譯的抑制與調(diào)控以及miRNAs的表達(dá)。藥物敏感性分析得到11種抗癌藥物,隨DIP2A表達(dá)量的增高,IC50下降,這一發(fā)現(xiàn)與非編碼RNA的異常表達(dá)可能存在關(guān)聯(lián),非編碼RNA與肺癌細(xì)胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移等方面相關(guān)。DIP2A的異?？赡芡ㄟ^影響非編碼RNA的表達(dá),進(jìn)而影響藥物敏感度。