关键词:结肠癌;基因芯片;差异表达基因;生物信息学
据 《2015 中国癌症统计》[1],男性结直肠癌标准化发病率为 215.7/10 万,女性为 160.6/10 万,且分别位于肿瘤发病第 5 位和第 4 位;从 2000 年到 2011 年,结直肠癌的发病率呈明显上升趋势.目前我国结直肠癌患者的 5 年生存率为 47.2%,结直肠癌已经成为严重影响我国居民生命质量的疾病.结直肠癌按发病部位可分为结肠癌和直肠癌,结肠癌的发病率高于直肠癌,因此进一步研究结肠癌的发病机制,建立有效的预防、诊断和治疗方法,是目前迫切需要解决的问题.利用基因芯片技术和生物信息学方法系统分析肿瘤相关基因及其调控机制,是当前功能基因组学的重要研究手段.本研究利用公共基因芯片数据库 (GeneExpression Omnibus,GEO) 中结肠癌基因表达的芯片数据,通过生物信息学分析对结肠癌的相关基因进行筛选.
1 资料与方法
1.1 资料来源
登录 GEO 下载结肠癌基因芯片数据.数据集入选条件:(1) 数据集来自全基因组 RNA 表达芯片;(2) 实验使用人类结肠癌患者组织与正常结肠组织对照.
1.2 方法 在 GEO 利用 GEO2R 进行芯片数据分析,获得差异 表达基因. 利 用 DAVID 6.8[2]
对差异表达基因进行 Gene Ontology (GO) 富集分析和信号通路富集分析 [基于京都基因与基因组百科全书(KyotoEncyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)].最后利用 STRING10[3]进行差异基因编码蛋白的相互作用网络 (PP)I 的构建.
2 结 果
2.1 芯片数据
经过检索,共有 7 套结肠癌基因芯片数据纳入研究,基本信息见表 1.
2.2 差异基因选择
利用 GEO2R 对芯片数据进行芯片信号值预处理,筛选差异表达基因.差异基因的条件为:P≤0.05,LogFC≥1.5.7 套结肠癌基因芯片共得差异表达基因 2 993 个,其中上调基因 849 个,下调基因2 034 个.取在≥4 个数据集中有交集的差异表达基因 324 个,其中上调基因 61 个,下调基因 263 个,进行生物信息学分析.
2.3 GO 富集分析
对差异基因进行 GO 富集分析,结果显示这些基因富集在趋化因子介导的信号通路、趋化因子活性、金属内肽酶活性等,细胞定位主要在胞外等生物过程,错误发现率(FDR) 均<0.01.见表 2.
2.4 KEGG 通路分析
对差异基因进行 KEGG 通路分析,共涉及 10 个通路 (P<0.01).主要的基因富集通路有矿物质吸收、胆汁分泌、阿米巴病、化学致癌和药物代谢 - 细胞色素 P450 视黄醇代谢等.见表 3.
2.5 编码蛋白相互作用网络分析
用 STRING10分析差异基因所对应的蛋白之间的相互作用网络.与≥10 个蛋白有相互作用的蛋白有骨形态发生蛋白 2 (BMP2)、CXC 趋化因子配体 1 (CXCL1)、CXC 趋化因子配体 12 (CXCL12)、CXC 趋化因子配体 2 (CXCL2)、胰高血糖素 (GCG)、白细胞介素 8 (IL8)、基质金属蛋白酶 1 (MMP1)、蛋白磷酸酶 2 (PHLPP2) 及酪酪肽 (PYY).见图 1.
3 讨 论
本研究基于 GEO 中的结肠癌基因表达的芯片数据,利用生物信息学进行结肠癌相关基因筛选.共获得 324 个差异表达基因进行 GO 富集分析和KEGG 通路分析,这些基因的功能富集在趋化因子介导的信号通路、趋化因子活性、金属内肽酶活
性、细胞外间隙、胞外体、胞外区及蛋白质的细胞外基质等生物过程;主要参与矿物质吸收、胆汁分泌、化学致癌作用及药物代谢 - 细胞色素P450 等信号通路.其中胆汁分泌与结肠癌的发生有关[4],药物代谢 - 细胞色素 P450 与结直肠癌的发生和预后有关[5].
用 STRING10 对差异基因进行蛋白相互作用网络分析,位于中心节点的基因有 BMP2、CXCL1、CXCL12、CXCL2、GCG、IL8、MMP1、PHLPP2 和PYY.骨形态发生蛋白(BMP)属于转化生长因子-β(TGF-β) 超家族,BMP2 不仅对骨的再生和修复起重要作用,还参与细胞的增殖、分化和凋亡过程;文献报道 BMP2 可抑制结肠癌细胞生长增殖,促进细胞凋亡[6].CXCL1、CXCL2 和 CXCL12 属于 CXC 类趋化因子,CXC 类趋化因子通过其特异性受体 CXCR 直接作用于血管内皮细胞促进血管生成,介导结直肠癌的生长和转移[7].GCG 又名肠促胰高素样肽 1 类似物 (GLP-1),具有刺激胰岛素分泌、保护 β 细胞、延缓胃排空及抑制食欲等功能[8],与糖尿病发病关系密切.DENG 等[9]对 24 项研究进行 Meta 分析发现糖尿病与结直肠癌的发病存在相关性,结肠癌的患病风险受糖尿病的影响较直肠癌大,而且以右半结肠较为明显[10].
结合上述研究,GCG 可能与结肠癌的发生存在相关性,为结肠癌发病机制的研究提供了新的视角.IL-8 是一种多源性趋化因子,文献报道 IL-8 可促进结直肠癌的血管形成、增生与转移等生物学活性[11].基质金属蛋白酶 (MMP) 家族是一类依赖金属锌离子的蛋白水解酶家族,能有效降解细胞外基质,在肿瘤的生长、转移过程中均起重要作用.LIU 等[12]认为 MMP1 可增加结直肠癌的患病风险.PHLPP 是一种蛋白磷酸酶,具有抑癌基因的功能.PHLPP2 是 PHLPP 的一种,在结直肠癌的发生和发展过程中起负调节功能[13].PYY 是一种食欲调节激素,文献报道 PYY 不仅与肥胖的发生密切相关[14],还与炎症和肿瘤的生长有关系[15],但本次文献检索尚未发现 PYY 与结肠癌相关性研究的近期报道.
本研究所选择的芯片来源于不同人群,包括东亚人群、白种人群和非裔人群等,但目前 GEO中由我国学者提交的数据不多.通过筛选不同种族所共同表达有差异的与结肠癌发生相关的基因,本研究发现,结肠癌发病可能与 GCG 和 PYY 等基因有关,为结肠癌病因研究提供了新的方向,也为我国居民结肠癌危险因素的研究提供了依据.
参考文献
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