結(jié)腸癌microRNA表達(dá)譜檢測及生物信息學(xué)分析

黃幼生，翁陽，解娜，張藝馨，羅志飛，薛逢貴

(海南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院病理科，海南海口570102)

結(jié)腸癌microRNA表達(dá)譜檢測及生物信息學(xué)分析

黃幼生，翁陽，解娜，張藝馨，羅志飛，薛逢貴

(海南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院病理科，海南?？?70102)

目的探討miRNA(microRNA，微小RNA)在結(jié)腸癌組織中的表達(dá)特征及生物學(xué)功能。方法選取臨床特征相似的3對結(jié)腸癌組織及其配對正常黏膜組織，應(yīng)用Exiqon miRNA芯片檢測miRNA在結(jié)腸癌及其配對組織中差異表達(dá)情況；3個差異表達(dá)的miRNA被選取進(jìn)行qPCR驗證；生物信息學(xué)分析差異表達(dá)的miRNA及其靶向基因在結(jié)腸癌進(jìn)展中的作用機(jī)制。結(jié)果芯片結(jié)果顯示，在3對結(jié)腸癌組織中有201個miRNA出現(xiàn)上調(diào)表達(dá)，94個下調(diào)表達(dá)(差異倍數(shù)＞2)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。qPCR結(jié)果顯示，與對照組織比較，選取的3個miRNA中hsa-miR-18b-3p、hsa-miR-31-5p在結(jié)腸癌組織中表達(dá)上調(diào)，hsa-miR-142-3p表達(dá)下調(diào)，與芯片結(jié)果一致，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。GO及pathway分析顯示差異表達(dá)的miRNA涉及結(jié)腸癌細(xì)胞的分化、遷移、定位、增生及RNA、蛋白合成等功能調(diào)控，與細(xì)胞粘附、結(jié)腸癌發(fā)生發(fā)展等信號途徑的激活相關(guān)。結(jié)論結(jié)腸癌組織中miRNA存在異常表達(dá)，可能涉及結(jié)腸癌的發(fā)生、發(fā)展。

miRNA；結(jié)腸癌；差異表達(dá)；生物信息學(xué)；miRNA芯片

結(jié)腸癌是我國常見的惡性腫瘤之一，發(fā)病率居第五位[1]。轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)的晚期結(jié)腸癌患者主要依靠藥物治療，雖然靶向治療取得了一定的成效，但因靶向藥物少，易耐藥等缺點，使得轉(zhuǎn)移性結(jié)腸癌患者的預(yù)后仍然不理想，因而闡明結(jié)腸癌發(fā)病的分子機(jī)制、尋找分子靶標(biāo)、開發(fā)靶向藥物是改善治療措施、提高患者預(yù)后的關(guān)鍵[1-2]。miRNA(microRNA，微小RNA)是一類非編碼RNA，大小21～25個核苷酸，由約70 nt大小的可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的前體加工而來，其作用是在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)產(chǎn)生抑制性作用[3]。越來越多的資料顯示，miRNA結(jié)構(gòu)或表達(dá)的異常與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)，涉及腫瘤的浸潤、轉(zhuǎn)移、分期及預(yù)后等[3-5]。許多研究證實miRNA異常表達(dá)參與了結(jié)腸癌的發(fā)生發(fā)展，是結(jié)腸癌診斷、治療或判斷預(yù)后的候選生物標(biāo)志[6-7]。

本課題利用Exiqon miRNA寡核苷酸芯片，檢測3對結(jié)腸癌及其配對組織的miRNA表達(dá)特征。應(yīng)用生物信息學(xué)分析差異表達(dá)的miRNA生物學(xué)功能及其在結(jié)腸癌發(fā)生發(fā)展中所起的作用，為闡明結(jié)腸癌的發(fā)病機(jī)制、尋找分子靶標(biāo)、開發(fā)靶向藥物奠定分子理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料3對結(jié)腸癌及其配對正常的結(jié)腸黏膜組織(距離腫瘤邊緣5 cm)均來自海南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院2014年1月手術(shù)切除標(biāo)本，其使用已獲得患者知情同意。患者信息從臨床病例信息中心提取，所有病例術(shù)前均未接受放化療，病理診斷、分型、分期由兩位高級職稱病理專家HE切片確診。

1.2 主要試劑miRCURYTM Array Power標(biāo)記試劑盒(Cat#208032-A)、miRCURYTM LNA芯片(v.18.0)購自Exiqon公司產(chǎn)品。TRIzol?Reagent為Invitrogen life technologies產(chǎn)品；RNasey Mini試劑盒購自QIAGEN公司；miRcute miRNA第一鏈cDNA合成試劑盒、miRcute miRNA熒光定量檢測試劑盒購于北京天根生物技術(shù)有限公司。

1.3 組織總RNA提取及純化3對結(jié)腸癌及其配對組織使用BioPulverizer?進(jìn)行組織破碎勻漿，使用TRIzol試劑盒提取組織總RNA，具體提取及純化步驟按TRIzol及RNasey Mini試劑盒使用說明書進(jìn)行。RNA濃度及純度使用NanoDrop ND-1000測量，1.5%凝膠電泳檢測RNA完整性。

1.4 RNA標(biāo)記與芯片雜交RNA標(biāo)記及芯片雜交具體操作由上?？党缮镉邢薰就瓿?，簡而言之，采用Fluorescent label(Hy3TM)標(biāo)記純化的RNA。標(biāo)記完成后，根據(jù)Exiqon的實驗方法將樣品與miRCURYTM LNAArray(v.18.0)芯片雜交：(1)25 μL的樣品與25 μL的雜交緩沖液混合，95℃變性2 min，隨即置于冰上2 min。(2)應(yīng)用雜交系統(tǒng)(Nimblegen Systems，Inc，Madison，WI，USA)，將樣品與芯片56℃下雜交18 h。(3)雜交完成后，使用Wash buffer kit(Exiqon)清洗芯片，應(yīng)用Axon GenePix 4000B芯片掃描儀掃描芯片。

1.5 數(shù)據(jù)分析GenePix Pro6.0軟件讀取芯片圖像、提取探針信號值，相同的探針取中值合并。保留在所有樣品中均≥30.0的探針，進(jìn)行中值標(biāo)準(zhǔn)化，篩選差異表達(dá)探針。使用倍數(shù)變化(＞2.0)及P值(P＜0.05)篩選兩組樣品間差異表達(dá)的miRNA。最后，對差異表達(dá)miRNAs進(jìn)行聚類并繪制聚類圖。miRNA Raw數(shù)據(jù)提交至美國國立生物技術(shù)信息中心(National Center for Biotechnology Information，NCBI)的基因表達(dá)綜合數(shù)據(jù)庫(Gene Expression Omnibus database，GEO)，通過號為GSE101502。

1.6 實時定量PCR(qPCR)驗證應(yīng)用Primer 6.0軟件設(shè)計3個被選取進(jìn)行qPCR驗證的miRNA引物，由英駿生物公司合成，引物序列見表1。應(yīng)用ABI ViiA7 Real-time PCR儀進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄及PCR反應(yīng)，簡述如下：采用miRcute miRNA第一鏈cDNA合成試劑盒進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄，miRcute miRNA熒光定量檢測試劑盒進(jìn)行PCR反應(yīng)，具體操作按試劑盒說明書進(jìn)行。反應(yīng)體系：2×SYBR Green mix 10 μL，通用引物(10μmol/L)0.4 μL，特異引物(10μmol/L)0.4 μL，cDNA 1 μL，50×ROX Reference Dye 1 μL，RNase-free水補(bǔ)充至體積20 μL。反應(yīng)條件：94℃預(yù)反應(yīng)2 min，94℃20 s、60℃34 s，共40個循環(huán)。采用2-ΔΔCt法計算miRNA相對表達(dá)值，U6 snRNA為內(nèi)參。

1.7 生物信息學(xué)分析檢索miR2Disease與miRCancer數(shù)據(jù)庫中癌癥相關(guān)miRNA，BioVenn軟件在線篩選本文中差異表達(dá)的miRNA與兩大數(shù)據(jù)庫下載的腫瘤相關(guān)miRNA三方重疊數(shù)據(jù)。應(yīng)用mircocosm、targetscan及miranda在線軟件預(yù)測差異表達(dá)miRNA可能的靶向基因，利用在線miRTarBase軟件(http://mirtarbase.mbc.nctu.edu.tw/)下載差異表達(dá)miRNA實驗已驗證的靶向基因，剔除兩者重復(fù)項，應(yīng)用在線數(shù)據(jù)庫DAVID系統(tǒng)(http://david.ncifcrf.gov/)將獲得的靶向基因進(jìn)行GO(Gene ontology)及KEGG pathways富集分析。

表1 miRNA特異性引物及U6引物列表

1.8 統(tǒng)計學(xué)方法miRNA芯片及qPCR數(shù)據(jù)均為計量資料，以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x-±s)表示。miRNA芯片檢測數(shù)據(jù)采用芯片顯著性分析(significance analysis of microarray，SAM)；qPCR檢測數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS18.0統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行Student'st檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 標(biāo)本信息及RNA提取3對結(jié)腸癌病例為近期手術(shù)切除標(biāo)本，患者病理及臨床資料相對接近。3例均為男性，62～64歲(平均年齡62.7歲)，TNM分期Ⅱ的高分化結(jié)腸管狀腺癌患者?？俁NA提取完成后，NanoDrop檢測顯示各標(biāo)本總RAN OD260/280在1.97～2.01之間，總含量均超過30 μg；1.5%凝膠電泳鑒定顯示，各標(biāo)本均有3條清晰的泳帶，28S、18S清晰明亮。表明提取的總RNA含量充足，可用于芯片檢測及qPCR分析。

2.2 miRNA芯片表達(dá)分析芯片結(jié)果顯示超過2 000個miRNA在結(jié)腸癌組織中存在表達(dá)，295個miRNA在癌組織及其配對組織間出現(xiàn)不同程度的差異表達(dá)(具體請查詢GEO：GSE101502)。其中，相對配對組織，有201個miRNA在結(jié)腸癌組織內(nèi)出現(xiàn)上調(diào)表達(dá)，94個出現(xiàn)下調(diào)表達(dá)(差異倍數(shù)＞2)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。前10上調(diào)及下調(diào)表達(dá)的miRNA見表2。為更直觀地了解結(jié)腸癌及其配對正常黏膜組織中miRNA的表達(dá)特征，無監(jiān)督層次聚類與相關(guān)分析被執(zhí)行。結(jié)果顯示6組miRNA很清晰的分為兩大組，對應(yīng)結(jié)腸癌組織及其配對組(圖1)，表明與正常黏膜組織比較，miRNA在結(jié)腸癌組織中的表達(dá)出現(xiàn)異常變化。

表2 差異表達(dá)前10的miRNA(結(jié)腸癌/配對正常結(jié)腸黏膜組織)

2.3 qPCR驗證為了驗證miRNA芯片數(shù)據(jù)的可靠性，3個差異表達(dá)的miRNA(hsa-miR-18b-3p、hsa-miR-142-3p、hsa-miR-31-5p)被選取執(zhí)行qPCR檢測。結(jié)果顯示，在這3對結(jié)腸癌組織中，相比對照組織，hsa-miR-18b-3p、hsa-miR-31-5p出現(xiàn)上調(diào)表達(dá)，hsa-miR-142-3p下調(diào)表達(dá)(表3)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，與芯片檢測的結(jié)果基本一致，表明miRNA芯片檢測結(jié)果真實有效(圖2)。

2.4 生物信息學(xué)分析從miR2Disease、miRCancer數(shù)據(jù)庫下載癌癥相關(guān)miRNA，剔除重復(fù)項，共獲得700余個miRNA，其中結(jié)腸癌相關(guān)miRNA 252個。將本研究中差異表達(dá)的miRNA與這兩群數(shù)據(jù)相比較，通過BioVenn在線軟件分析發(fā)現(xiàn)有14個miRNA與兩大數(shù)據(jù)庫結(jié)腸癌相關(guān)miRNA重疊，包括：hsa-miR-31-5p及hsa-miR-142-3p。本研究以qPCR驗證有差異表達(dá)的hsa-miR-31-5p、hsa-miR-142-3p為模板，應(yīng)用mircocosm、targetscan及miranda數(shù)據(jù)庫在線預(yù)測其可能的靶向基因，Bio-Venn分析三大數(shù)據(jù)庫重疊的基因(87條)作為預(yù)測可靠的靶向基因，再從mitarBASE數(shù)據(jù)庫[8]下載已有實驗驗證的靶向基因(86條，至少有兩種方法證實)，剔除重復(fù)項，共計獲得149個靶向基因。應(yīng)用DAVID數(shù)據(jù)庫對這149個靶基因進(jìn)行在線GO及KEGG pathways富集分析，分析發(fā)現(xiàn)，這些miRNA的靶向基因與細(xì)胞分化、細(xì)胞遷移、細(xì)胞定位、細(xì)胞增生、RNA及蛋白合成等功能調(diào)控有關(guān)，涉及細(xì)胞粘附、結(jié)腸癌發(fā)生發(fā)展等相關(guān)信號途徑的激活(圖3)。

圖1 結(jié)腸癌組織差異表達(dá)miRNA聚類分析圖

表3 3個miRNAs在結(jié)腸癌及其配對組織中的qPCR檢測結(jié)果(x-±s)

圖2 qPCR/miRNA芯片檢測miRNA表達(dá)結(jié)果比較圖

圖3 KEGG分析P值前10信號途徑

3 討論

miRNAs是具有調(diào)控mRNA表達(dá)功能的非編碼RNA，調(diào)控大概三分之一人類基因mRNA的表達(dá)。miRNA通過與靶基因互補(bǔ)結(jié)合，切割mRNA，抑制靶基因的翻譯，調(diào)控基因表達(dá)[3-4]。越來越多的研究表明，miRNA的異常表達(dá)可引起腫瘤相關(guān)基因的激活或失活，參與調(diào)控細(xì)胞分化、凋亡、增生及腫瘤的浸潤、轉(zhuǎn)移等，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展[3-7]。

目前，生物芯片的應(yīng)用越來越廣泛，是篩選疾病相關(guān)miRNA最常用的方法之一。應(yīng)用該項技術(shù)發(fā)現(xiàn)每種腫瘤都有其特異的miRNA表達(dá)譜，更能準(zhǔn)確地進(jìn)行組織分類及腫瘤分型[3-5,9]。Volinia等[10]應(yīng)用540例各種癌癥組織標(biāo)本進(jìn)行miRNA表達(dá)譜差異分析，發(fā)現(xiàn)miRNA在的表達(dá)具有組織特異性，組合性檢測上調(diào)表達(dá)的21個miRNA能正確區(qū)分、前列腺癌、胰腺癌、結(jié)腸癌、乳腺癌和肺癌等組織。本研究應(yīng)用Exiqon miRNA芯片檢測3對結(jié)腸癌組織及其配對正常組織，發(fā)現(xiàn)相比配對正常組織，有201個miRNA在結(jié)腸癌組織中上調(diào)表達(dá)，94個下調(diào)表達(dá)，qPCR的驗證結(jié)果與芯片一致，表明miRNA在結(jié)腸癌組織中存在表達(dá)異常。

近年來，研究miRNA在結(jié)直腸癌組織中表達(dá)情況的報道逐漸增多[6,7,11-13]。通過文獻(xiàn)復(fù)習(xí)分析發(fā)現(xiàn)有接近600個miRNA被發(fā)現(xiàn)在結(jié)直腸癌組織中存在差異表達(dá)，主要上調(diào)表達(dá)的有miR-181b，miR-106b，miR-92a，miR-31，miR-29a，miR-29b，miR-21，miR-20a，miR-19a，miR-18a，miR-17等，下調(diào)表達(dá)的主要有miR-192，miR-142，miR-133a，miR-129，miR-101，miR-34a，miR-30a，miR-30c，miR-9，let-7a，miR-1等，涉及腫瘤細(xì)胞的分化、增生、浸潤、轉(zhuǎn)移、藥物抗性等多種生物學(xué)功能，認(rèn)為能夠作為結(jié)腸癌診斷、預(yù)后、復(fù)發(fā)及藥物療效的標(biāo)記物。然而異常表達(dá)的miRNA在不同的研究中重合率較低，重復(fù)性差。本文通過檢索miRCancer與miR2Disease數(shù)據(jù)庫，共獲得252個結(jié)腸癌相關(guān)miRNA，來源于500余篇文獻(xiàn)，分散度大。本文發(fā)現(xiàn)的295個差異表達(dá)的miRNA僅僅14個曾報道與結(jié)腸癌相關(guān)。造成重復(fù)性差的原因可能與結(jié)腸癌組織的異質(zhì)性、個體和種族的差異性及采用的研究方法等的不同有關(guān)。

miRNA通過靶向序列的互補(bǔ)性調(diào)控靶基因的表達(dá)，發(fā)揮其生物學(xué)功能，根據(jù)miRNA序列預(yù)測其靶基因是研究miRNA功能的常用方法之一[3-5,9]。目前，預(yù)測miRNA靶向基因的在線軟件比較有名的有Targetscan，miRbase、mircocosm及miranda等[14]。本研究采取Targetscan，mircocosm及miranda預(yù)測(miRNA hsa-miR-31、hsa-miR-142)的靶向基因，三者重疊的靶基因作為可靠的預(yù)測結(jié)果。本文通過檢索mitarBASE數(shù)據(jù)庫[8]獲取已有實驗驗證的miRNA(hsa-miR-31、hsa-miR-142)靶向基因，兩種方法共獲得149個靶向基因。GO及KEGG分析發(fā)現(xiàn)這些miRNA的靶向基因與細(xì)胞分化、細(xì)胞遷移、細(xì)胞定位、細(xì)胞增生、RNA及蛋白合成等功能調(diào)控有關(guān)，涉及細(xì)胞粘附、結(jié)腸癌發(fā)生發(fā)展等相關(guān)信號途徑的激活。

綜上所述，多量的miRNA在結(jié)腸癌組織中存在表達(dá)異常，這些異常表達(dá)的miRNA可能參與結(jié)腸癌的發(fā)生、發(fā)展。更多的實驗去探索這些差異表達(dá)的miRNA在結(jié)腸癌組織中的功能及作用方式有助于闡明結(jié)腸癌生物學(xué)進(jìn)程的分子機(jī)制。

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Expression profile of microRNAs and bioinformatics analysis in human colon cancer tissues.

HUANG You-Sheng,WENG Yang,XIE Na,ZHANG Yi-xin,LUO Zhi-fei,XUE Feng-gui.Department of Pathology,the First Affiliated Hospital of Hainan Medical University,Haikou 570102,Hainan,CHINA

ObjectiveTo investigate the expression profile and biological functions of miRNAs(microRNA)in human colon cancer tissues.MethodsThe expression profiles of miRNAs were compared between 3 pairs of colon cancer and its adjacent normal tissues using a Exiqon miRNA array,following which quantitative PCR(qPCR)was employed to confirm the results of the miRNA array,and 3 differentially expressed miRNAs were selected for qPCR validation.Bioinformatics was used to analyze the biological function of the differentially expression miRNAs and its target genes in colon cancer.ResultsCompared with adjacent normal mucosal tissues,201 miRNAs were up-regulated and 94 miRNAs were down-regulated in colon cancer tissues(fold＞2),the difference was statistically significant(P＜0.05).The qPCR results showed that,compared with the control group,the expression of hsa-miR-18b-3p and hsa-miR-31-5p were up-regulated and the expression of hsa-miR-142-3p was down regulated in colon cancer tissues,which were consistent with microarray-based expression analysis,with statistically significant difference(P＜0.05).Furthermore,the online GO and KEGG pathwany analysis revealed that the differentially expressed miRNAs may be involving cell differentiation,migration,localization,proliferation,synthesis of RNA and protein and other biological functions,and perhaps related to cell adhesion and activation of signaling pathways of colon cancer development.ConclusionThere are abnormal expression of miRNAs in colon cancer tissues,which may be related to colon cancer tumorigenesis.

microRNA;Colon cancer;Differential expression;Bioinformatics;microRNAarray

R735.3+5

A

1003—6350（2017）18—2928—04

2017-07-17)

10.3969/i.issn.1003-6350.2017.18.002

國家自然科學(xué)基金(編號：81260321)

黃幼生。E-mail：hys768811@163.com