舒智雄,吳傳城,吳曉麗,劉寶英*
(福建醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,福建 福州350122)
胃癌是世界范圍內(nèi)常見(jiàn)的惡性腫瘤之一,居消化系統(tǒng)腫瘤的首位[1],是我國(guó)農(nóng)村地區(qū)上消化道腫瘤死亡首要原因[2],福建省仙游縣更是我國(guó)惡性腫瘤尤其是胃癌的高發(fā)區(qū)[3]。大量研究表明自噬功能紊亂會(huì)導(dǎo)致腫瘤發(fā)生、影響腫瘤進(jìn)展及預(yù)后[4],近年來(lái)細(xì)胞自噬與胃癌的關(guān)系引起廣泛關(guān)注[5]。自噬的激活涉及眾多信號(hào)通路,其中磷脂酰肌醇3-激酶、絲蘇氨酸激酶和雷帕霉素靶蛋白(phosphatidylinositol 3-kinase/serine-threonine kinase/mechanistic target of rapamycin,PI3K/Akt/mTOR)等信號(hào)通路在自噬體的形成和成熟過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用[6],抑制其信號(hào)傳導(dǎo)可使自噬水平提高進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞的增殖[7]。PI3K/Akt/mTOR 通路上基因單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)(single nucleotide polymorphisms,SNPs)的存在可能導(dǎo)致其信號(hào)傳遞受阻,從而參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展[8],但目前尚未見(jiàn)系統(tǒng)性分析該通路上與自噬相關(guān)的基因單核苷酸多態(tài)性與胃癌的關(guān)聯(lián)性的研究報(bào)道。因此,本研究采用SNP芯片聯(lián)合生物信息學(xué)篩檢仙游縣胃癌患者血液中與對(duì)照人群間差異的PI3K/Akt/mTOR 通路上相關(guān)基因SNPs,采用病例-對(duì)照研究分析篩選出來(lái)的SNPs與胃癌易感性的關(guān)系。
采用1∶1 配對(duì)的病例-對(duì)照研究,胃癌病例來(lái)源于福建省仙游縣醫(yī)院的胃癌新發(fā)病例。大樣本納入標(biāo)準(zhǔn)為:經(jīng)手術(shù)或內(nèi)窺鏡取得組織標(biāo)本,經(jīng)病理確診的新發(fā)病例;確診日期為2013 年4 月—2017 年3 月;在仙游本地居住10年以上。芯片組納入標(biāo)準(zhǔn)是在此基礎(chǔ)上選擇男性,年齡50~70 歲,經(jīng)病理確診為胃腺癌的患者。排除標(biāo)準(zhǔn):經(jīng)病理確診為胃部炎癥、良性病變及病情危重或不能清晰回答問(wèn)題者及腫瘤繼發(fā)病例和復(fù)發(fā)病例。
健康對(duì)照納入標(biāo)準(zhǔn):按性別、年齡、地區(qū)與病例進(jìn)行配對(duì),其中芯片健康對(duì)照選擇年齡±3歲與病例進(jìn)行配對(duì),大樣本健康對(duì)照選擇年齡±5歲與病例進(jìn)行配對(duì)。選在仙游本地居住10年以上。排除標(biāo)準(zhǔn)為:胃癌或慢性萎縮性胃炎的直系家屬。
以上標(biāo)本均要求資料和血樣完整,最后SNP芯片檢測(cè)階段我們納入病例和對(duì)照各96例,均為男性,年齡分布在52~71 歲。其中病例組平均年齡(63.8±4.6)歲,對(duì)照組平均年齡(63.8±4.7)歲。
在驗(yàn)證階段納入確診胃癌病例622 例,正常對(duì)照622 例,其中男性466 對(duì),女性156 對(duì)。病例組由312例賁門(mén)癌患者和310 例非賁門(mén)癌患者組成。病例組年齡分布在39~89 歲,平均年齡為(67.3±9.7)歲;對(duì)照組年齡分布在41~87 歲,平均年齡為(67.2±9.7)歲。經(jīng)均衡性檢驗(yàn),病例組與對(duì)照組在年齡、性別、職業(yè)等方面差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。文化程度和婚姻狀況差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。病例組中高中及以上的文化程度比例低于對(duì)照組,已婚的婚姻狀況比例高于對(duì)照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)的調(diào)查表,進(jìn)行面對(duì)面的訪談式調(diào)查,內(nèi)容包括研究對(duì)象的年齡、性別、文化程度、婚姻狀況、職業(yè)史等相關(guān)因素,病例的病史資料經(jīng)患者本人及醫(yī)院同意后通過(guò)摘錄電子病例獲得。同時(shí)采集病例及對(duì)照人群的空腹外周靜脈血5 mL,抽取的血樣置于EDTA抗凝管,3 000 r/min離心10 min后,分裝成血漿、白細(xì)胞、紅細(xì)胞,置-80 ℃低溫冰箱保存。本研究涉及的調(diào)查數(shù)據(jù)及人體數(shù)據(jù),均已通過(guò)福建醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究倫理委員會(huì)的審查,符合醫(yī)學(xué)倫理相關(guān)規(guī)定和要求。
1.3.1 芯片基因分型原理利用Affymetrix 生產(chǎn)的920K Axiom Precision Medicine Research Array 對(duì)病例和對(duì)照的外周血白細(xì)胞中的總DNA進(jìn)行單核苷酸多態(tài)性基因型檢測(cè)?;蛐酒中图夹g(shù)采用酶介導(dǎo)及單堿基測(cè)序的全自動(dòng)化流程,共包含可檢測(cè)的位點(diǎn)92萬(wàn)余個(gè),其中80 多萬(wàn)個(gè)SNPs 及臨床相關(guān)變異位點(diǎn)經(jīng)過(guò)GWAS 研究分析,對(duì)主要的祖先群體具有最佳的基因組覆蓋率。
1.3.2 PI3K/Akt/mTOR通路上相關(guān)基因SNPs的篩選方法通過(guò)KEGG pathway 網(wǎng)站和Gene Ontology 數(shù)據(jù)庫(kù) 匯 總 PI3K/Akt/mTOR、 Autophagy 通 路(Homo sapiens) 上所有基因, 利用Ensemble 數(shù)據(jù)庫(kù)和HaploView 軟件查找二者交集基因SNPs,并與芯片中的取交集,得到芯片中PI3K/Akt/mTOR 通路上與自噬有關(guān)基因SNPs,利用SPSS和Excel 軟件通過(guò)卡方檢驗(yàn)篩選出以上SNPs 在病例組和對(duì)照組中表達(dá)有差異(P<0.05)的位點(diǎn)。同時(shí)將以上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義SNPs所在的基因通過(guò)STRING、Cytoscape 軟件做蛋白互作網(wǎng)絡(luò)(protein protein interaction network,PPI network)分析基因編碼蛋白間的相互作用,篩選關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因。根據(jù)1000 Genomes Browser (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/variation/tools/1000genomes/)查找以上關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因SNPs 在中國(guó)南方漢族人群中的最小等位基因頻率(minor allele frequency,MAF),選擇MAF 在0.15~0.4的位點(diǎn),篩選功能預(yù)測(cè)有相應(yīng)功能的SNPs,對(duì)各多態(tài)性位點(diǎn)進(jìn)行Hardy-Weinberg 遺傳平衡度(H-W 平衡)檢驗(yàn),選取基因型頻率分布在健康對(duì)照人群中符合H-W平衡(P>0.05)的位點(diǎn)作為候選基因位點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。過(guò)程如圖1。
1.3.3 大樣本人群中基因分型原理與方法在622對(duì)病例對(duì)照人群樣本中將5個(gè)候選SNPs區(qū)域的DNA模板通過(guò)PCR技術(shù)擴(kuò)增,再使用特異的延伸引物與PCR產(chǎn)物進(jìn)行單堿基延伸反應(yīng)。采用基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry,MALDITOF-MS)技術(shù),檢測(cè)延伸產(chǎn)物分子質(zhì)量,應(yīng)用專用的分析軟件,通過(guò)判斷分子大小的差異進(jìn)行SNP分型檢測(cè)。
對(duì)5個(gè)候選SNPs進(jìn)行基因型鑒定,使用Sequenom公司Genotyping Tools 及Mass ARRAY Assay Design軟件設(shè)計(jì)待測(cè)SNPs 的PCR 擴(kuò)增引物及單堿基延伸引物,序列見(jiàn)表1。
表1 5個(gè)SNP位點(diǎn)引物序列
按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制:①所有病例均經(jīng)過(guò)病理確診;②剔除DNA 總量<0.6 μg、存在降解、有小片段RNA污染及未能檢測(cè)出基因型的樣本;③芯片分型過(guò)程中使用評(píng)估信號(hào)值分布與背景信號(hào)值的差異(Dish QC)對(duì)樣品進(jìn)行質(zhì)控,剔除Dish QC 低于0.82的樣品;④基因型的檢測(cè)和判讀采用盲法;⑤芯片檢測(cè)與MALDI-TOF-MS技術(shù)檢測(cè)進(jìn)行結(jié)果一致性的比較。
本次實(shí)驗(yàn)Dish QC 均大于0.82,所有樣品都通過(guò)質(zhì)量檢測(cè)。所有樣本選擇2%的SNPs 進(jìn)行重復(fù)檢測(cè),一致性為98.47%。前兩批采用MALDI-TOF-MS 檢測(cè)的42個(gè)SNPs與芯片中的取交集得到5個(gè)位點(diǎn),比較這5 個(gè)位點(diǎn)分型結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩種方法檢測(cè)結(jié)果一致性好,且分型失敗率低,說(shuō)明芯片分型結(jié)果可靠,如表2所示。
表2 兩種檢測(cè)方法檢測(cè)相同SNP的一致性情況
所有實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)經(jīng)復(fù)查和核對(duì)后應(yīng)用EpiData3.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入并建立數(shù)據(jù)庫(kù)。采用χ2檢驗(yàn)計(jì)算對(duì)照組的各基因多態(tài)性位點(diǎn)分布是否符合H-W平衡,并進(jìn)行一般人口學(xué)資料的均衡性及兩組間的SNPs的表達(dá)是否有差異的檢驗(yàn);采用Cox Regression 命令擬合條件Logistic模型對(duì)單個(gè)位點(diǎn)的基因型、等位基因在不同胃癌部位進(jìn)行單因素Logistic 分析,計(jì)算其比值比OR(odds ratio,OR)及95%可信區(qū)間(confidential interval,CI),模型中對(duì)相關(guān)混在因素進(jìn)行調(diào)整。以上分析均使用SPSS 24.0 軟件包完成。所有P 值基于雙側(cè)檢驗(yàn),統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。
按照上述篩選策略,各步結(jié)果如圖1。根據(jù)基因編碼蛋白網(wǎng)絡(luò)圖顯示至少與4 個(gè)蛋白相互作用(圖2),且Confidence Score>0.8(表3)篩選得到IRS1、PIK3CD、PIK3R1、AKT1、RPS6KB1、PPP2CA 等 關(guān) 鍵 節(jié) 點(diǎn) 基因。與胃癌相關(guān)的PI3K/Akt/mTOR 通路上自噬相關(guān)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中滿足MAF 和H-W 標(biāo)準(zhǔn)的共4 個(gè)基因5 個(gè)SNPs,分別為IRS1 rs10205233、PIK3CD rs3934934、PIK3R1 rs706711、PIK3R1 rs706714、AKT1 rs35285446,詳見(jiàn)表4。
圖1 PI3K/Akt/mTOR通路上自噬相關(guān)基因篩選結(jié)果圖
圖2 PI3K/Akt/mTOR 通路上與胃癌相關(guān)的自噬相關(guān)基因編碼蛋白網(wǎng)絡(luò)圖
表3 與胃癌相關(guān)基因編碼蛋白在STRING數(shù)據(jù)庫(kù)分析相互作用的綜合得分
本次選取的5 個(gè)SNPs 位點(diǎn)的基因型頻率分布在622例對(duì)照組中符合H-W平衡(P>0.05)。Cox回歸分析結(jié)果顯示,在調(diào)整了婚姻狀況與文化程度之后,IRS1 rs10205233 的多態(tài)性變異(C>T)顯著降低了胃癌的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[共顯性模型、顯性模型的OR(95%CI)分別為0.761(0.595,0.975)、0.764(0.601,0.973)],進(jìn)一步分層分析,該位點(diǎn)顯性模型、隱形模型、共顯性模型以及等位基因在賁門(mén)癌和非賁門(mén)癌人群中均未見(jiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。此外,尚未發(fā)現(xiàn)其余4個(gè)位點(diǎn)的共顯性模型、等位基因、顯性模型及隱性模型與胃癌、賁門(mén)癌、非賁門(mén)胃癌的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)存在關(guān)聯(lián)。結(jié)果詳見(jiàn)表5~9。
我們所研究的PIK3R1基因2個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)的連鎖不平衡分析(圖3)顯示2 位點(diǎn)間具有強(qiáng)連鎖不平衡關(guān)系,2位點(diǎn)共可產(chǎn)生4個(gè)單體型SNP位點(diǎn),排列順序依次為rs706711、rs706714,結(jié)果單體型1、2、3、4 在病例和對(duì)照組的分布差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。表10。
圖3 rs706711與rs706714之間的連鎖關(guān)系分析
細(xì)胞自噬的生物學(xué)功能在許多類型腫瘤中已得到證實(shí),在細(xì)胞廢物清除、結(jié)構(gòu)重建、生長(zhǎng)發(fā)育中起重要作用[9]。自噬的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的受?chē)?yán)格調(diào)節(jié)的細(xì)胞內(nèi)容物的降解和再循環(huán)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,涉及多條信號(hào)通路,并由將近40個(gè)自噬相關(guān)基因編碼的自噬相關(guān)蛋白調(diào)節(jié)[10]。其中PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)作為一條經(jīng)典的抗凋亡、促存活通路,其異常激活在腫瘤形成中有著
極其重要作用[11]。Singh 等[12]通過(guò)分析PIK3CA、PTEN、mTOR 等分子作用機(jī)制,并使用PI3K/Akt/mTOR 通路抑制劑觀察胃癌細(xì)胞的惡化狀態(tài),發(fā)現(xiàn)胃癌細(xì)胞中存在PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路,推斷出使用PI3K/Akt/mTOR 通路抑制劑能改善胃癌細(xì)胞惡化狀態(tài)。此外,Liu 等[13]研究發(fā)現(xiàn),在胃癌細(xì)胞中,PI3K/Akt/mTOR 通路相關(guān)蛋白的含量較正常細(xì)胞多,并且人體對(duì)細(xì)胞異變的防衛(wèi)組織會(huì)排斥這種蛋白,這也說(shuō)明該通路蛋白是導(dǎo)致胃癌發(fā)生的一個(gè)重要原因。由此可知,PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路可調(diào)控胃癌細(xì)胞的增殖生長(zhǎng),是使胃部細(xì)胞惡化的重要通路。但目前尚未見(jiàn)系統(tǒng)性分析自噬通路相關(guān)基因與胃癌關(guān)聯(lián)性的研究,因此我們采用SNP 芯片較系統(tǒng)地研究PI3K/Akt/mTOR 通路上自噬相關(guān)基因SNPs 與胃癌易感性的關(guān)聯(lián)。
表5 IRS1基因rs10205233位點(diǎn)與胃癌易感性的Cox回歸分析
表8 PIK3R1基因rs706714位點(diǎn)與胃癌易感性的Cox回歸分析
表9 AKT1基因rs35285446位點(diǎn)與胃癌易感性的Cox回歸分析
表10 PIK3R1不同單體型與胃癌遺傳易感性的關(guān)系
本研究首先通過(guò)KEGG 等數(shù)據(jù)庫(kù)篩選出45 個(gè)PI3K/Akt/mTOR 通路上自噬相關(guān)基因極其445 558 個(gè)標(biāo)簽SNPs,為了更廣泛地篩選自噬通路新基因SNPs,我們將以上所有標(biāo)簽SNPs 與SNP 芯片中的位點(diǎn)做交集,發(fā)現(xiàn)有1 304 個(gè)PI3K/Akt/mTOR 通路上自噬相關(guān)基因SNPs位于芯片中。通過(guò)卡方檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)有38 個(gè)SNPs 基因分型在胃癌病例和對(duì)照中分布差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但這些位點(diǎn)有些在人群中的變異率很低,有些所對(duì)應(yīng)的基因并不直接受調(diào)控因素的影響,而是通過(guò)基因間相互作用,間接受調(diào)控因素變化影響。因此我們進(jìn)一步通過(guò)生物信息學(xué)分析篩選出PI3K/Akt/mTOR 通路上可能與胃癌有關(guān)聯(lián)的4 個(gè)自噬相關(guān)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因(IRS1、PIK3CD、PIK3R1、AKT1)及其5個(gè)SNPs,然后對(duì)其進(jìn)行大樣本驗(yàn)證,最后發(fā)現(xiàn)IRS1 rs10205233位點(diǎn)與胃癌的易感性相關(guān),而其他位點(diǎn)與胃癌發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)無(wú)關(guān)聯(lián),并且5 個(gè)位點(diǎn)均未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道與腫瘤相關(guān)。
在許多癌癥研究中證實(shí),PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路作為聯(lián)系胞外信號(hào)和胞內(nèi)應(yīng)答效應(yīng)的橋梁分子,可對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、増殖、凋亡、遷移等一系列的生理功能產(chǎn)生作用,從而影響癌癥的發(fā)生及轉(zhuǎn)歸。Beclin1蛋白在調(diào)節(jié)自噬起始囊泡形成的過(guò)程中起關(guān)鍵作用,Beclin1 是酵母ATG6 在哺乳動(dòng)物中調(diào)節(jié)自噬的同源基因,是自噬第一階段不可或缺的基因[14],而在Beclin1依賴的自噬中,PI3K 活性在自噬體形成中至關(guān)重要[15]。PI3K是一類脂質(zhì)激酶,其主要的生化功能是促使磷酸肌醇的3-羥基基團(tuán)磷酸化。研究認(rèn)為,通過(guò)酪氨酸激酶受體、細(xì)胞黏附分子、G 蛋白偶聯(lián)受體等的活化,PI3K 可以催化磷脂肌醇(PI)產(chǎn)生PIP3、PIP4 和PIP5。PIP3 結(jié)合并激活蛋白激酶B(protein kinase B,PKB 或Akt)和PDK-1,從而使哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)磷酸化,進(jìn)而激活一系列下游信號(hào)通路,抑制自噬的發(fā)生[16]。mTOR 信號(hào)作為調(diào)控自噬的一條經(jīng)典通路,在自噬體的形成和成熟過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用,同時(shí)也具有聯(lián)系多種自噬調(diào)控信號(hào)通路的作用,抑制mTOR 信號(hào)可使自噬水平提高進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞的增殖。mTOR 蛋白是一種絲/蘇氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶,而PI3K/Akt 具有Ser/Thr 激酶的活性,是mTOR 的上游信號(hào)。已有大量實(shí)驗(yàn)研究證明[17-18],PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路可調(diào)控許多與細(xì)胞代謝、凋亡、增殖和分化有關(guān)的蛋白,因此該通路上相關(guān)基因單核苷酸多態(tài)性的改變可能會(huì)影響多種蛋白活性,影響通路的生物學(xué)功能,進(jìn)而影響腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[19]。
我們擴(kuò)大樣本量后的病例對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路上IRS1 rs10205233 位點(diǎn)(C>T)多態(tài)性變異降低了胃癌的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。而胰島素受體底物1(insulin receptor substrate,IRS1)又是PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路的上游信號(hào),Lecker SH 等[20]發(fā)現(xiàn),IRS1/PI3K/AKT1信號(hào)通路的啟動(dòng)取決于IRS1的活性,當(dāng)細(xì)胞外的胰島素信號(hào)通過(guò)胰島素受體和IRS1傳遞到胞內(nèi)以后,活化的IRS1 激活PI3K,再使其下游的信號(hào)分子AKT1 磷酸化,進(jìn)而將信號(hào)傳遞到mTOR 通路。多項(xiàng)研究表明IRS1 單核苷酸多態(tài)性與腫瘤有關(guān)[21-22],如Jung 等[23]的研究發(fā)現(xiàn)IRS1 rs1801123、IRS1 rs1801278與年齡等因素的聯(lián)合作用顯著增加了患結(jié)直腸癌的風(fēng)險(xiǎn)。因此,我們推測(cè)IRS1 rs10205233 位點(diǎn)突變后,使IRS1 轉(zhuǎn)錄翻譯受阻,無(wú)法將信號(hào)傳遞給PI3K/Akt,進(jìn)而抑制mTOR的激活,引起細(xì)胞周期G1期的延緩或阻滯,誘導(dǎo)胃癌細(xì)胞凋亡[24],并提高自噬水平將癌細(xì)胞吞噬降解,從而抑制癌細(xì)胞的增殖。
rs10205233 位點(diǎn)可能是新的胃癌患者的遺傳易感標(biāo)志物,與福建省胃癌高發(fā)區(qū)仙游縣的胃癌發(fā)生發(fā)展有關(guān)。胃癌的發(fā)生發(fā)展受到多通路、復(fù)雜的級(jí)聯(lián)調(diào)控,節(jié)點(diǎn)基因交織在一起,形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),調(diào)節(jié)著自噬水平,基因突變?nèi)菀资蛊鋯适?duì)自噬的調(diào)控從而導(dǎo)致胃癌的發(fā)生。本研究從信號(hào)通路入手,通過(guò)Affymeytrix Axiom 芯片技術(shù)與生物信息學(xué)方法,更科學(xué)、有效地篩選出符合要求的基因位點(diǎn),為胃癌的分子機(jī)制研究提供基礎(chǔ)資料,為篩查胃癌易感人群和胃癌早期診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但同時(shí)也需要更多相關(guān)的功能性研究來(lái)闡明所發(fā)現(xiàn)陽(yáng)性位點(diǎn)的生物學(xué)致病機(jī)理以及探索更多未知信號(hào)通路,繪制全面的胃癌發(fā)生發(fā)展的信號(hào)通路圖,更深入地了解自噬相關(guān)基因變異在胃癌發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制。