夏少懷,李文才,夏學(xué)巍,王文波,陳 力
(桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 神經(jīng)外科,廣西 桂林,541000)
細(xì)胞自噬是存在于真核生物中進(jìn)化上的一種保守的分解代謝過(guò)程,又被稱做“II型細(xì)胞死亡”其過(guò)程主要是將受損的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)輸送至溶酶體進(jìn)行降解[1]。因此它對(duì)控制細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和細(xì)胞器的質(zhì)量和數(shù)量方面具有重要作用。自噬的失調(diào)會(huì)引起多種疾病的發(fā)生,包括神經(jīng)退行性疾病、腫瘤、免疫性疾病及感染性疾病等[2-4]。在腫瘤疾病中,自噬通過(guò)清除受損的細(xì)胞器和異常表達(dá)的蛋白質(zhì)從而減輕細(xì)胞的損傷,抑制腫瘤的早期發(fā)生發(fā)展[5]。然而也有研究表明,自噬使腫瘤細(xì)胞具有了有更加良好的應(yīng)激耐受性,提高了腫瘤細(xì)胞的生存能力,并促進(jìn)了其再生[6]。在化療過(guò)程中抑制自噬可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的死亡,降低耐藥性[7]。盡管有越來(lái)越多的文獻(xiàn)報(bào)道了自噬與腫瘤的關(guān)系,但對(duì)于二者之間的具體的關(guān)系仍舊沒(méi)有定論,進(jìn)一步研究自噬與腫瘤的關(guān)系有其必要性。近年來(lái),自噬相關(guān)基因預(yù)測(cè)乳腺癌、肝癌、膀胱癌患者的臨床預(yù)后得到了證實(shí)[8-10],而對(duì)自噬與神經(jīng)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的相關(guān)性僅有少量文獻(xiàn)報(bào)道。
膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)是成人惡性腦腫瘤中最常見(jiàn)的腫瘤。病理分級(jí)為IV級(jí),是世界衛(wèi)生組織(WHO)腦腫瘤分類(lèi)的最高等級(jí)。即便GBM患者術(shù)后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化療和輔助放療,其中位生存時(shí)間仍然只有12~15個(gè)月[11],針對(duì)其較低的生存時(shí)間,越來(lái)越多醫(yī)師探討GBM的治療方法,比如通過(guò)識(shí)別在實(shí)體瘤的腫瘤細(xì)胞和腫瘤微環(huán)境的主要成分中廣泛表達(dá)的CD155,使用重組脊髓灰質(zhì)炎病毒治療膠質(zhì)母細(xì)胞瘤[12],利用嵌合抗原受體(CAR)改造的T細(xì)胞,靶向腫瘤相關(guān)抗原白細(xì)胞介素13受體α2(IL13Rα2)[13]。但是這些方法目前并不具備向臨床推廣的能力,其臨床有效性也僅在少數(shù)患者身上證實(shí)。近期有文獻(xiàn)報(bào)道了細(xì)胞自噬與膠質(zhì)瘤之間的關(guān)系,提示自噬可能是膠質(zhì)瘤發(fā)生發(fā)展的中必不可少的機(jī)制之一。一項(xiàng)III期臨床試驗(yàn)顯示,唯一經(jīng)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)的且能夠抑制自噬的抗瘧疾藥物氯喹在GBM中具有抗腫瘤作用,其患者在手術(shù)、化療和放療后,中位生存期均有所增加[14]。通過(guò)藥理抑制劑抑制FH535抑制WNT-CTNNB1信號(hào)使得SQSTM1表達(dá)上調(diào),可增加GBM中的自噬通量,從而誘導(dǎo)GBM細(xì)胞凋亡[15]。但大多數(shù)對(duì)于自噬在腫瘤發(fā)生作用的研究都是基于細(xì)胞系或者動(dòng)物模型中的有限的自噬相關(guān)基因,自噬相關(guān)基因?qū)τ谌梭w影響的預(yù)后價(jià)值尚未在GBM中得以體現(xiàn)。本研究基于多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)綜合分析了自噬基因在GBM患者中的臨床病理相關(guān)性及其預(yù)后價(jià)值。
從人類(lèi)自噬數(shù)據(jù)庫(kù)HADb(http://autophagy.lu/clustering/index.html.)獲得了232個(gè)自噬相關(guān)基因。從癌癥基因組圖譜(TCGA)獲取169個(gè)GBM樣本,5個(gè)正常樣本數(shù)據(jù),包含了基因表達(dá)數(shù)據(jù)。在UCSC(https://xenabrowser.net)中下載了對(duì)應(yīng)的臨床數(shù)據(jù)。使用GEPIA網(wǎng)站(http://gepia.cancer-pku.cn/index.html)中的數(shù)據(jù)(207個(gè)GBM樣本,163個(gè)正常樣本)及CGGA數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.cgga.org.cn/index.jsp)中的mRNA325數(shù)據(jù)集(II級(jí)膠質(zhì)瘤樣本103個(gè),III級(jí)膠質(zhì)瘤樣本79個(gè),GBM樣本139個(gè))進(jìn)行驗(yàn)證和分析。
差異基因的篩選方法為limma包(版本1.30.4)中的Wilcoxon秩和檢驗(yàn),GO、KEGG分析使用clusterProfiler包(版本3.10.1),KM分析及COX多因素分析均使用SPSS22.0(IBM Crop.)完成,COX分析使用的方法為Forward:LR,使用GraphPad Prism 8(GraphPad Software,Inc.)生成圖形。通過(guò)survivalROC(版本1.0.3)完成隨時(shí)間依賴性的ROC分析。臨床相關(guān)性分析使用beeswarm包(版本0.2.3)完成。GSEA分析使用軟件GSEA4.03(http://software.broadinstitute.org/gsea/index.jsp),自噬基因相關(guān)圖基因來(lái)源于ARN(http://arn.elte.hu/),數(shù)據(jù)分析使用的R軟件版本為R3.53。
通過(guò)在人類(lèi)基因數(shù)據(jù)庫(kù)HADb下載總共直接或間接參與自噬的232個(gè)基因。提取TCGA中這些自噬相關(guān)基因的表達(dá)數(shù)據(jù)后,使用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)做差異分析,篩選標(biāo)準(zhǔn)為FDR <0.05和| log2(倍數(shù)變化)|>1。得出56個(gè)基因表達(dá)顯著高于正常腦組織,為上調(diào)基因。21個(gè)基因的表達(dá)明顯低于正常腦組織。為下調(diào)基因(見(jiàn)圖1)。運(yùn)用箱線圖顯示這些基因在正常腦組織樣本及腫瘤樣本中的表達(dá)(見(jiàn)圖2)。
圖1 差異自噬基因火山圖和熱圖Fig.1 Differential autophagy gene volcano map and heatmap
圖2 差異自噬基因箱線圖Fig.2 Differential autophagy gene box plot注:77個(gè)ARG在腫瘤組織和正常腦組織的表達(dá)。紅點(diǎn)代表腫瘤組織樣本,綠色代表正常腦組織樣本。
在GO富集分析中的具有顯著分析的生物學(xué)過(guò)程(BP)主要包含:調(diào)節(jié)自噬、凋亡信號(hào)通路的調(diào)控及細(xì)胞對(duì)外界刺激反應(yīng)方面;細(xì)胞組分(CC)主要包含:自噬體膜和自噬小體;分子功能(MF)主要包含:泛素樣蛋白連接酶結(jié)合、半胱氨酸-類(lèi)型肽鏈內(nèi)切酶的活動(dòng)及蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶活性。分析結(jié)果見(jiàn)圖3(P<0.001,FDR<0.05)。在KEGG富集分析中顯示,77個(gè)ARG與動(dòng)物自噬、細(xì)胞凋亡、胰腺癌、類(lèi)NOD受體信號(hào)通路、結(jié)直腸癌、膀胱癌、小細(xì)胞肺癌、ErbB信號(hào)通路、腫瘤壞死因子信號(hào)通路顯著相關(guān)(P<0.001,FDR<0.05)。分析結(jié)果如圖4所示。
圖3 GO分析結(jié)果Fig.3 Results of GO analysis
圖4 KEGG分析結(jié)果Fig.4 Results of KEGG analysis
在剔除掉TCGA數(shù)據(jù)組中沒(méi)有生存數(shù)據(jù)的患者后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)后評(píng)估。KM分析顯示,6個(gè)自噬基因(HSPA5、GAA、P4HB、CASP4、CTSL、MAP1LC3A)及Tmz 化療、Tmz長(zhǎng)期化療、Tmz化療天數(shù)、Stupp方案、放療、術(shù)后放化療、術(shù)后腫瘤殘余、首次治療后腫瘤進(jìn)展時(shí)間與GBM預(yù)后相關(guān)(P<0.05),結(jié)果見(jiàn)表1及圖5。其中6個(gè)自噬基因、術(shù)后腫瘤殘余、腫瘤在6個(gè)月內(nèi)有進(jìn)展為高危因素;Tmz 化療、Tmz 長(zhǎng)期化療、Tmz 化療天數(shù)、Stupp方案、放療、術(shù)后放化療、為保護(hù)因素。隨后,通過(guò)納入Kaplan-Meier分析有意義的及臨床上認(rèn)為與GBM患者預(yù)后顯著相關(guān)的因素(KPS評(píng)分、Stupp治療方案、放療、術(shù)后腫瘤殘余、首次治療后腫瘤進(jìn)展時(shí)間、腫瘤分型、IDH1 狀態(tài)、6個(gè)自噬基因)[16-18]進(jìn)行COX分析,篩選出CTSL(P=0.007,HR=2.605,95%CI=1.303-5.211)和Stupp方案(P=0.032,HR=0.464,95%CI=0.230-0.936)作為GBM總體存活(overall survive,OS)的獨(dú)立預(yù)后指標(biāo)(見(jiàn)表2)。
表1 GBM患者關(guān)鍵自噬基因與臨床病理參數(shù)的單因素分析Table 1 Single factor analysis of key autophagy genes and clinicopathological parameters in GBM patients
續(xù)(表1)變量患者數(shù)中位生存(d)HR(95%CI)Log-rankPG-CIMP是否缺失1114536033940.391(0.144-1.066)10.057CTSL高表達(dá)低表達(dá)80793004541.811(1.233-2.659)10.002CASP4高表達(dá)低表達(dá)80793624471.439(1.051-2.196)10.040GAA高表達(dá)低表達(dá)80793174471.488(1.017-2.178)10.039P4HB高表達(dá)低表達(dá)80793624271.514(1.032-2.221)10.032MAP1LC3A高表達(dá)低表達(dá)80793604271.138(1.017-2.495)10.008HSPA5高表達(dá)低表達(dá)80793564471.465(0.998-2.151)10.049
圖5 Kaplan-Meier分析的結(jié)果圖(A-V)Fig.5 Results of Kaplan-Meier analysis(A-V)
表2 COX分析結(jié)果Table 2 Results of COX analysis
對(duì)CTSL預(yù)測(cè)生存的可靠性分析結(jié)果顯示單個(gè)自噬基因CTSL在1年,3年,5年生存率為(AUC=0.665,AUC=0.628,AUC=0.549),其預(yù)測(cè)預(yù)后的可靠性仍需要探討(見(jiàn)圖6)。
圖6 隨時(shí)間依賴性的ROC分析Fig.6 Results of time-dependent ROC analysis
為了探索CTSL在GBM中的表達(dá)與臨床病理的關(guān)系,從TCGA數(shù)據(jù)庫(kù)獲得并分析了mRNA表達(dá)譜。并列出有差異性的結(jié)果,如圖7(a-d)所示。CTSL表達(dá)的增加與非G-CIMP(P=0.015),TMZ長(zhǎng)期化療(P=0.012),TMZ化療(P=0.012),腫瘤亞型(P<0.001)相關(guān).
圖7 TCGA隊(duì)列中CTSL表達(dá)與臨床病理變量之間的關(guān)聯(lián)Fig.7 Correlation between CTSL expression and clinicopathological variables in TCGA cohort
GEPIA的數(shù)據(jù)分析顯示CTSL表達(dá)在正常人和GBM患者中具有差異性,單因素分析顯示CSTL為高危因素,見(jiàn)圖8(LograngkP=0.007 9,HR=1.6)。CGGA數(shù)據(jù)庫(kù)的mRNA325數(shù)據(jù)集顯示:(1)GBM中CTSL的表達(dá)與II級(jí)膠質(zhì)瘤、III級(jí)膠質(zhì)瘤中CTSL的表達(dá)均具有差異性;(2)以CTSL中位值分組的Kaplan-Meier分析僅在GBM中有差異性(P=0.001 8);(3)IDH野生型GBM及1p/19q 無(wú)缺失型GBM中的CTSL表達(dá)量更高(見(jiàn)圖9)。
圖8 GEPIA分析結(jié)果Fig.8 Results of GEPIA analysis
圖9 CGGA分析結(jié)果Fig.9 Results of CGGA analysis注:(A,B,C)CTSL的高低表達(dá)分組在II級(jí)膠質(zhì)瘤、III級(jí)膠質(zhì)瘤及GBM中KM分析(D)CTSL在II級(jí)膠質(zhì)瘤、II級(jí)膠質(zhì)瘤及GBM中的表達(dá)差異(E,F)CTSL在IDH突變數(shù)據(jù)及1p/19q 編碼數(shù)據(jù)中的表達(dá)。
根據(jù)CTSL表達(dá)的中位值將其分為高、低兩類(lèi),運(yùn)用GSEA進(jìn)行分析,在MSigDB集合(kegg.v6.2.symbols.gmt,h.all.v7.0.symbols.gmt,c5.all.v7.0.symbols.gmt)的富集中觀察到了顯著差異(P<0.05,F(xiàn)DR<0.05)。結(jié)果見(jiàn)圖10及表3,在溶酶體、類(lèi)NOD受體信號(hào)通路、kras通路信號(hào)上調(diào)、活性氧通路、血管生成、低氧癥、細(xì)胞化療、巨噬細(xì)胞遷移、巨噬細(xì)胞遷移的監(jiān)管等與自噬和腫瘤相關(guān)的途徑中,CTSL有顯著富集。
圖10 GSEA分析結(jié)果Fig.10 Results of GSEA analysis
表3 GSEA分析結(jié)果Table 3 Results of GSEA analysis
為了研究自噬基因CTSL在自噬調(diào)節(jié)和膠質(zhì)瘤起到的作用,我們從自噬調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)(ARN)中提取了與它們直接相關(guān)的鄰居。ARN是一個(gè)包含自噬基因相互作用及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。[19]我們發(fā)現(xiàn)與CTSL直接相關(guān)的自噬基因?yàn)?COL18A1,CD74,IGFBP-3,C3.同時(shí)COL18A1和CD74還被證明與膠質(zhì)瘤相關(guān)(見(jiàn)圖11)。
圖11 與CTSL相關(guān)基因圖Fig.11 Gene map related to CTSL
研究中的篩選出的77個(gè)差異自噬基因,GO和KEGG富集分析結(jié)果顯示了其在調(diào)節(jié)自噬和各種腫瘤方面具備重要作用。同類(lèi)型研究顯示通過(guò)自噬基因在GBM中的集中富集在細(xì)胞凋亡,壞死,免疫力和炎癥反應(yīng)中,并通過(guò)COX模型聯(lián)合Kaplan-Meier分析有意義的自噬基因,以風(fēng)險(xiǎn)值為分組,對(duì)于GBM的預(yù)后預(yù)測(cè)更顯著,其中自噬基因P4HB、HSPA5同樣為高危因素,但由于采取統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及數(shù)據(jù)庫(kù)不同,最終篩選結(jié)果具有一定差異[20,21]。Kaplan-Meier生存分析顯示6個(gè)自噬基因(HSPA5、GAA、P4HB、CASP4、CTSL、MAP1LC3A)、術(shù)后腫瘤殘余、腫瘤在6個(gè)月內(nèi)有進(jìn)展、為高危因素;Tmz 化療、Tmz長(zhǎng)期化療、Tmz 化療天數(shù)、Stupp方案、放療、術(shù)后放化療為保護(hù)因素。且臨床廣泛應(yīng)用的STUPP方案在COX結(jié)果中被驗(yàn)證為是一種保護(hù)因素,結(jié)果與其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果和臨床認(rèn)知基本相符[21,22]。同時(shí)本研究顯示43天的TMZ化療(根據(jù)數(shù)據(jù)中位數(shù)分組)似乎更具有意義。但年齡分析并未顯示顯著的差異性,這與Brodbelt等人對(duì)膠質(zhì)瘤的研究并不相符[23],這可能與本文樣本較少有關(guān)。
CTSL是一種溶酶體酸性半胱氨酸蛋白酶,具有促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移的功能,高表達(dá)的CTSL患者生存時(shí)間更短,與正常組織、II級(jí)膠質(zhì)瘤組織、III級(jí)膠質(zhì)瘤組織相比,CTSL在GBM中具有差異性表達(dá),且在COX分析中CTSL的高表達(dá)被確定為一種獨(dú)立危險(xiǎn)因素,有越來(lái)越多的研究顯示CTSL的表達(dá)與腫瘤的臨床及預(yù)后密切相關(guān)。在已有的研究中發(fā)現(xiàn)CTSL在人胃癌組織中具有顯著的高表達(dá),通過(guò)作用于人胃癌中的CDP/Cux/VEGF-D途徑促進(jìn)胃癌組織內(nèi)的血管生成[24]。Dhivya在體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)均證實(shí)了使用KGP94抑制CTSL的表達(dá)能使腫瘤細(xì)胞誘導(dǎo)的血管生成顯著減少,并提出與乳腺癌患者中CTSL的表達(dá)上調(diào)與復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移發(fā)生率增加以及整體生存率下降密切相關(guān)[25],其結(jié)論與本文GSEA結(jié)果顯示CTSL在血管通路富集結(jié)果相符。
臨床相關(guān)性分析顯示CTSL在Tmz化療后表達(dá)更高,而腫瘤細(xì)胞對(duì)Tmz的不敏感性和耐藥性是GBM患者治療失敗和預(yù)后不良的主要原因,自噬抑制劑在臨床、體外與體內(nèi)模型中均表現(xiàn)出與臨床藥物替莫唑胺的優(yōu)異協(xié)同作用[26]。馮建波等人的研究發(fā)現(xiàn)LRRC4與DEPTOR/mTOR復(fù)合物的相互作用抑制了GBM細(xì)胞的自噬并增加了GBM的Tmz治療反應(yīng)[27]。而目前僅有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明抑制CTSL的表達(dá)可以使G2/M細(xì)胞周期停滯從而增加人神經(jīng)膠質(zhì)瘤U251細(xì)胞的放射敏感性[28]。同時(shí)我們研究發(fā)現(xiàn)CTSL在非GCIMP型、間質(zhì)型、IDH野生型及1p/19q無(wú)缺失型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中為高表達(dá),這幾種類(lèi)型的GBM均被證實(shí)為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的高危分型[29-31],提示對(duì)通過(guò)抑制自噬基因CTSL的表達(dá),對(duì)GBM的化療耐藥性及高危型GBM的預(yù)后可能具有改善作用,但這一結(jié)論仍需實(shí)驗(yàn)證實(shí)。與II級(jí)膠質(zhì)瘤、III級(jí)膠質(zhì)瘤相比,CTSL在GBM中具有差異性表達(dá),這提示CTSL的表達(dá)可能可以作為膠質(zhì)瘤的診斷標(biāo)準(zhǔn)。
與CTSL直接相關(guān)的自噬基因?yàn)?COL18A1,CD74,IGFBP-3,C3。單個(gè)COL18A1基因編碼成人類(lèi)膠原蛋白XVIII,而內(nèi)皮抑素位于人類(lèi)膠原蛋白XVIII的C端非膠原結(jié)構(gòu)域的末端[32],其通過(guò)調(diào)節(jié)Bcl-2表達(dá)影響內(nèi)皮細(xì)胞的自噬[33]。且有研究表明經(jīng)膠質(zhì)瘤組織內(nèi)皮抑素水平與惡性程度呈正相關(guān)[34]。CD74通過(guò)AMPK-mTOR-Skp2介導(dǎo)的自噬調(diào)節(jié)作用來(lái)抑制乙醇引起的的心肌功能障礙,炎癥和細(xì)胞凋亡[35]。同時(shí)Zeiner等人實(shí)驗(yàn)表明人類(lèi)神經(jīng)膠質(zhì)瘤中CD74的表達(dá)與患者的生存呈正相關(guān)[36]。IGFBP-3的表達(dá)在缺氧環(huán)境中會(huì)上調(diào),當(dāng)其GRP78結(jié)合后,會(huì)促進(jìn)自噬和應(yīng)激存活,在受到治療劑的挑戰(zhàn)時(shí),可以明顯增強(qiáng)腫瘤的進(jìn)展,也可以幫助腫瘤細(xì)胞存活[37]。與CTSL相關(guān)聯(lián)的C3`通過(guò)和ATG16L1之間的直接相互作用,使得自噬系統(tǒng)可以有效地靶向細(xì)胞[38]。這些結(jié)果表明,CTSL在某種條件下與其他自噬相關(guān)成分相互作用從而影響自噬和膠質(zhì)瘤的進(jìn)展。前期自噬通過(guò)吞噬腫瘤細(xì)胞來(lái)抑制自噬,后期由于腫瘤細(xì)胞的迅速生長(zhǎng),造成缺氧環(huán)境,從而激活自噬,反而保護(hù)腫瘤細(xì)胞,促進(jìn)其增殖與后期的復(fù)發(fā),此結(jié)果在相關(guān)文章中也有提及錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽[3,34,39]。
GBM作為一種惡性程度高,預(yù)后差的疾病,已經(jīng)有學(xué)者通過(guò)生物信息學(xué)方法篩選GBM的核心基因,并提出基因KCNAB2可能為有效靶標(biāo)[40]。本研究則進(jìn)一步探討了自噬基因與GBM的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了自噬基因CTSL的高表達(dá)是獨(dú)立危險(xiǎn)因素,并提出CTSL的高表達(dá)可能與化療耐藥性、高危型GBM的預(yù)后相關(guān)。不足之處在于自噬基因數(shù)據(jù)庫(kù)未能全部覆蓋,且由于膠質(zhì)母細(xì)胞瘤惡性程度高,單一基因預(yù)測(cè)預(yù)后AUC值較低,文章的結(jié)論缺少實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。
1)自噬基因CTSL在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者中顯著高表達(dá),在高危型和接受化療后膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者表達(dá)量更高。
2)自噬基因CTSL高表達(dá)與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者生存時(shí)間負(fù)相關(guān),COX分析顯示為獨(dú)立危險(xiǎn)因素,有作為有效靶標(biāo)的潛質(zhì)。
3)與自噬基因CTSL相關(guān)的成分研究表明其在某種條件下CTSL與其他自噬相關(guān)成分相互作用從而影響自噬和膠質(zhì)瘤的進(jìn)展。