袁蘊(yùn)馨, 付佳音, 莫非1,***, 何蕓
(1.貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 臨床檢驗(yàn)中心, 貴州 貴陽 550004; 2.貴州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)院, 貴州 貴陽 550004)
胃癌是全球常見的消化道惡性腫瘤之一,起源于胃黏膜上皮[1-2]。流行病學(xué)調(diào)查顯示,胃癌發(fā)病率位居全球腫瘤發(fā)病率的第5位,每年全球有超過100萬人診斷為胃癌,且病死率居全球第6,嚴(yán)重威脅人類的健康安全[3-4]。研究表明,慢性潰瘍型結(jié)腸炎、結(jié)腸癌、幽門螺桿菌相關(guān)的慢性胃炎及胃癌等疾病與長(zhǎng)期的非可控性慢性炎癥相關(guān)[5]。在慢性胃炎向胃癌進(jìn)展的過程中,存在Correa經(jīng)典級(jí)聯(lián)反應(yīng)模式,即慢性非萎縮性胃炎→慢性萎縮性胃炎→腸上皮化生→異型增生或上皮內(nèi)瘤變→腸型胃癌的進(jìn)展趨勢(shì)[6]。由于異型增生或上皮內(nèi)瘤變有較高的癌變風(fēng)險(xiǎn),因此稱該階段為癌前病變[7]。臨床上常用的早期胃癌篩查手段,如血清標(biāo)志物、胃蛋白酶等特異性較低,檢出率不高,且因胃癌的惡性程度高、侵襲性強(qiáng),大多數(shù)病例診斷時(shí)已為晚期[8-9]。盡管各項(xiàng)治療手段已經(jīng)取得了進(jìn)展,但胃癌的預(yù)后仍然較差, 在全球的5年生存率低于30%[10]。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的高速發(fā)展,興起了以基因芯片表達(dá)數(shù)據(jù)譜為依據(jù)、對(duì)不同疾病的各種層面開展研究的熱潮[6]。目前,基因芯片測(cè)序技術(shù)廣泛用于疾病的檢測(cè),Li 等[10]通過對(duì)基因芯片表達(dá)數(shù)據(jù)譜的分析,推測(cè)了胃癌的發(fā)生和發(fā)展在表觀遺傳學(xué)中的調(diào)節(jié)機(jī)制,明確樞紐(Hub)基因可作為胃癌診斷的生物標(biāo)志物,并且具有一定的預(yù)后價(jià)值;Zhang等[11]通過綜合分析5個(gè)與胃癌相關(guān)的數(shù)據(jù)表達(dá)譜,篩選出與胃癌相關(guān)的Hub基因。研究結(jié)果顯示這些Hub基因在胃癌組織中高度表達(dá),且其過表達(dá)與胃癌患者生存率低相關(guān),但目前尚未有研究報(bào)道關(guān)鍵Hub基因在胃部“炎癌轉(zhuǎn)化”過程中的作用機(jī)制。因此,本研究旨在利用生物信息學(xué)分析,對(duì)“炎癌轉(zhuǎn)化”發(fā)展過程進(jìn)行系統(tǒng)的分子生物學(xué)研究,尤其是對(duì)驅(qū)動(dòng)癌變各個(gè)階段進(jìn)展的分子事件進(jìn)行分析,以挖掘非侵入性的潛在分子診斷標(biāo)志物,為延緩、阻斷“炎癌轉(zhuǎn)化”進(jìn)程,提高胃癌早期診斷率提供新思路,并為探索“炎癌轉(zhuǎn)化”進(jìn)展的分子機(jī)制提供依據(jù)。
1.1.1數(shù)據(jù)來源 從美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)下的GEO數(shù)據(jù)庫中,以胃炎、胃癌前病變和胃癌為關(guān)鍵詞篩選出GSE130823、GSE55696兩個(gè)微陣列數(shù)據(jù)集作為挖掘?qū)ο?。GSE130823是由Zhang 等[11]利用Agilent公司的8×60 K芯片檢測(cè)的數(shù)據(jù),其實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為GPL17077,其中包括47例胃炎對(duì)照組、17例胃低級(jí)別上皮內(nèi)瘤變、14例胃高級(jí)別上皮內(nèi)瘤變、16例胃腸癌;GSE55696是Xu等[12]利用Agilent公司的4×44 K G4112F芯片檢測(cè)的數(shù)據(jù),其實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為GPL6480,其中包括19例慢性胃炎對(duì)照組、19例低級(jí)別上皮內(nèi)瘤變、20例高級(jí)別上皮內(nèi)瘤變及19例早期胃癌。
1.1.2標(biāo)本來源 選取2020年2月—2022年2月有明確病理診斷的胃炎和胃癌患者各15例,要求符合:(1)所有患者皆簽署知情同意書;(2)胃鏡活檢取材的樣本直徑>2 mm;(3)經(jīng)病理學(xué)分析證實(shí)為胃炎及胃癌,且為初次診斷;(4)既往無癌癥史;(5)患者未接受過任何治療(如激素治療、靶向藥物治療或放療等輔助治療)。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)行放療化療或全身治療等輔助治療的患者;(2)有源于其他腫瘤轉(zhuǎn)移或者合并其他腫瘤可能的患者;(3)有嚴(yán)重感染、凝血障礙及嚴(yán)重肺、肝、腎功能不全的患者等。取胃炎患者胃炎部位的胃組織、胃癌患者的胃癌組織及癌旁組織作為研究標(biāo)本。
1.1.3主要試劑及儀器 蛋白裂解液(RIPA lysis buffer,RIPA)裂解液、聚丙烯酰胺凝膠電泳(polyacrylamide gelelectrophoresis,SDS-PAGE)凝膠制備試劑盒(上海愛必信生物),辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase, HRP)標(biāo)記羊抗兔免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)抗體、RNA提取液、Servicebio?RT First Strand cDNA Synthesis Kit(武漢賽維爾生物),兔抗人H,K-ATPase-α(ATP4A)抗體(美國(guó)LSBio),HyPureTMMolecular Biology Grade Water(美國(guó)HyClone),低溫離心機(jī)(美國(guó)Beckman),兔抗人緊密連接蛋白3(claudin 3,CLDN3)抗體、蛋白定量(bicinchoninic acid assay,BCA)檢測(cè)試劑盒(沈陽萬類生物),熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)儀(美國(guó)Bio-rad)。
1.2.1差異表達(dá)基因(differentially expressed genes,DEGs)的獲取及分析 使用差異分析工具(gene expression omnibus 2R,GEO2R)在線分析工具對(duì)GSE130823、GSE55696進(jìn)行差異表達(dá)分析。設(shè)置P值和差異倍數(shù)(fold change,F(xiàn)C)篩選DEGs。當(dāng)P<0.05,|Log2FC|>1時(shí)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;利用Draw Venn Diagram(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/Venn/)在線韋恩圖繪制工具,取2個(gè)數(shù)據(jù)集中重疊的DEGs。
1.2.2功能注釋分析 為了從闡明DEGs在“炎癌轉(zhuǎn)化”過程當(dāng)中所發(fā)揮的作用,使用注釋、可視化綜合發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(the database for annotation, visualization and integrated discovery,DAVID; https://David.Ncifcrf.gov/) 在線工具對(duì)交集DEGs從生物過程(biological process,BP)、細(xì)胞組成(cellular component,CC)及分子功能(molecular function,MF)3個(gè)角度進(jìn)行基因本體論(gene ontology,GO)分析及京都基因與基因組百科全書(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)富集分析,設(shè)置參數(shù)P<0.05有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
1.2.3蛋白互作( protein protein interaction,PPI) 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建 將重疊DEGs導(dǎo)入交互式基因檢索工具(search tool for recurring instances of neighbouring genes,STRING)中進(jìn)行蛋白質(zhì)相互作用分析,采用Cytoscape(https://cytoscape.org/)軟件將 PPI 網(wǎng)絡(luò)可視化后,使用cytoHubba插件,以degree值為條件,從 PPI 網(wǎng)絡(luò)中篩選出排名前10的模塊,并將該模塊中的基因作為后續(xù)研究對(duì)象。
1.2.4Hub基因的生存分析 通過Kaplan Meier Plotter(http://kmplot.com/analysis/) 在線軟件對(duì)排名前5的Hub基因進(jìn)行生存分析,評(píng)價(jià)其在胃癌患者中預(yù)后判斷的價(jià)值。
1.2.5Hub基因的驗(yàn)證 (1)采用逆轉(zhuǎn)錄-實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(quantitative and reverse transcription polymerase chain reaction,qRT-PCR)驗(yàn)證degree值排名靠前的2個(gè)Hub基因在胃炎、胃癌組織及癌旁組織中的表達(dá)。TRIzol法提取胃炎組織、胃癌組織及癌旁組織中總RNA,并使用Nanodrop 2000檢測(cè)RNA濃度及純度;使用Servicebio?RT First Strand cDNA Synthesis Kit將總RNA逆轉(zhuǎn)錄為互補(bǔ)脫氧核糖核酸(complementary DNA, cDNA)后用于qRT-PCR,引物序列見表1;(2)Western blot驗(yàn)證degree值排名靠前的2個(gè)Hub基因編碼的蛋白在癌旁組織、胃炎組織和胃癌組織中的表達(dá):使用RIPA裂解癌旁組織、胃炎組織及胃癌組織,并提取總蛋白,采用BCA法對(duì)其進(jìn)行蛋白定量并測(cè)定蛋白濃度;進(jìn)行SDS-PAGE凝膠電泳,200 mA 恒定電流轉(zhuǎn)模1.5 h,5%脫脂牛奶封閉2 h,按照1 ∶1 000的比例配制ATP4A一抗稀釋液,1 ∶500的比例配制CLDN3一抗稀釋液,加入抗體孵育盒中,于4 ℃孵育過夜,使用雜交膜清洗液(TBS with tween-20,TBST)漂洗后放于封閉液中,室溫震蕩封閉2 h;TBST洗膜3次,二抗于室溫下孵育1 h;TBST洗膜3次,曝光。
表1 引物序列Tab.1 Primer sequences
采用SPSS 24. 0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,組間比較采用t檢驗(yàn),用Kaplan-Meier Plotter 數(shù)據(jù)庫分析Hub基因與胃癌患者預(yù)后的關(guān)系,P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
使用Sangbox軟件對(duì)GSE130823、GSE55696進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(圖1)。利用GEO2R在線分析工具結(jié)果表明,GSE130823篩選出差異表達(dá)基因312個(gè),GSE55696篩選出差異表達(dá)基因2 493個(gè),二者交集基因有113個(gè),其中73個(gè)上調(diào),40個(gè)下調(diào)(圖2)。
注:A、B分別為GSE130823標(biāo)準(zhǔn)化前、后數(shù)據(jù),C、D分別為GSE55696標(biāo)準(zhǔn)化前、后數(shù)據(jù);藍(lán)色表示標(biāo)準(zhǔn)化前的數(shù)據(jù)分布,紅色表示標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)分布。圖1 GSE130823及GSE55696微陣列數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)化處理Fig.1 Normalization of GSE130823 and GSE55696 microarray datasets
注:藍(lán)色表示GSE55696數(shù)據(jù)集,紅色表示GSE130823數(shù)據(jù)集,紅藍(lán)色交接處表示重疊DEGs。圖2 重疊DEGs篩選結(jié)果Fig.2 Overlapping DEGs screening results
BP變化的DEGs主要富集在G蛋白偶聯(lián)(G-protein coupled receptor signaling pathway)、蛋白質(zhì)分解(proteolysis)、細(xì)胞間連接(cell adhesion)等方面。CC變化的DEGs顯著定位在細(xì)胞膜的有機(jī)組成部分(extracellular space)、細(xì)胞基質(zhì)(plasma membrane)、細(xì)胞外空間(integral component of membrane)等區(qū)域;MF變化的差異基因富集在序列特異性DNA結(jié)合(sequence-specific double-stranded DNA binding)、受體結(jié)合(receptor binding)、分子結(jié)構(gòu)活性(structural molecule activity)等功能上(圖3)。KEGG通路富集分析顯示DEGs主要富集在:(1)胃酸分泌(gastric acid secretion);(2)精氨酸和脯氨酸代謝(arginine and proline metabolism);(3)蛋白質(zhì)的消化與吸收(protein digestion and absorption);(4)細(xì)胞粘附(cell adhesion)等通路上(圖4)。
注:綠色表示BP,橙色表示CC,藍(lán)色表示MF;紅色框線表示文中已說明的內(nèi)容。圖3 重疊DEGs的GO富集結(jié)果Fig.3 GO enrichment results of overlapping DEGs
注:顏色越深表示差異越顯著。圖4 重疊DEGs的KEGG富集結(jié)果Fig.4 KEGG enrichment pathway map of overlapping DEGs
構(gòu)建113個(gè)重疊DEGs的PPI網(wǎng)絡(luò),共包含48個(gè)節(jié)點(diǎn)和76條邊(圖5);使用cytoHubba插件,按degree值篩選出排名前10的DEGs,為Hub基因,包括ATPase-H+/K+exchanging-alpha polypeptide(ATP4A)、claudin 3(CLDN3)、claudin 4(CLDN4)、claudin 7(CLDN7)、Chemokine C-X-C motif ligand 1(CXCL1)、Defensin-alpha 6-Paneth cell-specific(DEFA6)、Glucagon(GCG)、Sucrase-isomaltase(SI)、Cadherin 3(CDH3)、claudin 1(CLDN1),用于后續(xù)分析(圖6)。
圖5 重疊DEGs的PPI網(wǎng)絡(luò)Fig.5 PPI network with overlapping DEGs
注:紅色、粉色、橙色、淺橙色、黃色及淺米色分別表示degree值排名第1、2、3、4、5及6的DEGs;顏色越深排名越靠前。圖6 重疊DEGs中Hub基因的篩選Fig.6 Screening of Hub genes in overlapping DEGs
Kaplan-Meier Plotter數(shù)據(jù)庫對(duì)Hub基因中degree值排名前5的基因進(jìn)行生存分析,結(jié)果表明ATP4A、CLDN3、CLDN4、CLDN7、CXCL1均與胃癌患者的總體生存期(overall survival,OS) 相關(guān)(P<0.05,圖7)。
注:A為ATP4A,B為CLDN3,C為CLDN4,D為CLDN7,E為CXCL1。圖7 Hub基因生存分析Fig.7 Hub genes survival analysis
對(duì)Hub基因中degree值排名前2位的ATP4A與CLDN3進(jìn)行臨床樣本驗(yàn)證,Western blot和qRT-PCR結(jié)果顯示,與癌旁組織相比,ATP4A在胃炎組織中表達(dá)下調(diào),CLDN3在胃炎組織中表達(dá)上調(diào);與胃炎組織相比,ATP4A在胃癌組織中表達(dá)下調(diào),CLDN3在胃癌組織中表達(dá)上調(diào)(P<0.05,圖8)。
注:A為ATP4A、CLDN3的Western blot檢測(cè)結(jié)果,B、C為ATP4A、CLDN3蛋白定量的結(jié)果;D、E為qRT-PCR檢測(cè)ATP4A、CLDN3 mRNA水平的qRT-PCR檢測(cè)結(jié)果;(1)與癌旁組織比較,P < 0. 05;(2)與胃炎組織比較,P<0. 05。圖8 ATP4A、CLDN3蛋白及mRNA的表達(dá)Fig.8 Expression of ATP4A and CLDN3 at protein level and mRNA level
1863年,Rudolf等首先提出癌癥起源于炎癥部位[13]。19世紀(jì),Virchow首次提出“炎癌轉(zhuǎn)化”的構(gòu)想,并指出“炎癌轉(zhuǎn)化”是炎癥疾病從“炎癥-癌前病變-癌癥” 整個(gè)動(dòng)態(tài)過程的總稱[14]。有研究指出,非可控性炎癥可誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)生和發(fā)展,作為非可控炎癥向癌癥惡性轉(zhuǎn)化的經(jīng)典模式,胃部“炎癌轉(zhuǎn)化” 已成為近幾年的研究熱點(diǎn)[15]。
近年來,生物信息學(xué)在各種疾病的研究中得到了廣泛的應(yīng)用,特別是利用GEO數(shù)據(jù)庫篩選潛在的靶基因,這些芯片數(shù)據(jù)集的充分利用,為生命科學(xué)研究提供了寬廣的發(fā)展前景[16]。本研究通過生物信息學(xué)及高通量測(cè)序技術(shù),篩選了2個(gè)高質(zhì)量的表達(dá)譜數(shù)據(jù)集,初步鑒定了113個(gè)DEGs;通過DAVID數(shù)據(jù)庫對(duì)2個(gè)芯片數(shù)據(jù)集中重疊的DEGs 進(jìn)行 GO 與KEGG 富集分析,富集分析表明DEGs富集的GO條目主要有G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)通路、蛋白水解、細(xì)胞粘附等方面,這些基因還介導(dǎo)控制細(xì)胞分化、增殖和凋亡等過程;KEGG通路富集分析顯示DEGs主要參與胃酸分泌、精氨酸和脯氨酸代謝、蛋白質(zhì)的消化與吸收等通路,提示重疊DEGs可能通過這些生物途徑參與胃炎-胃癌“炎癌轉(zhuǎn)化”的過程。此外,為挖掘DEGs相互之間的關(guān)聯(lián),本研究使用Cytoscape軟件對(duì)重疊DEGs進(jìn)行進(jìn)一步的分析,按照degree值進(jìn)行篩選,得到了前10個(gè)最有可能參與“炎癌轉(zhuǎn)化”進(jìn)程的Hub基因,并通過qRT-PCR和Western blot對(duì)排名前2位的Hub基因進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果提示它們的表達(dá)趨勢(shì)與在GEO數(shù)據(jù)庫中一致。
在慢性胃炎向胃癌發(fā)展的過程中,胃酸分泌在炎癥反應(yīng)和腫瘤間發(fā)揮作用[17]。泌酸功能失調(diào)會(huì)影響“炎癌轉(zhuǎn)化”的進(jìn)程,胃酸分泌減少會(huì)直接導(dǎo)致幽門螺桿菌的過度生長(zhǎng)和微生態(tài)的失衡[18]。ATP4A存在于胃粘膜頂細(xì)胞中,編碼H+/K+-ATP酶,并在胃中介導(dǎo)胃酸分泌,從而維持胃內(nèi)的酸性環(huán)境[19]。Lahner等[20]研究表明,ATP4A與萎縮性胃炎有高度相關(guān)性,且其表達(dá)水平的降低與胃癌的發(fā)生相關(guān)。Cao等[19]、Judd等[21]研究顯示,ATP4A-/-小鼠的胃部重量和厚度增加了1倍,會(huì)出現(xiàn)胃酸過多、高胃酸血癥及不完全性腸化生等,并表現(xiàn)為胃黏膜頂細(xì)胞膜的變化和胃黏膜變性,引起干細(xì)胞標(biāo)志物CD44表達(dá)上調(diào)。因此,ATP4A在維持胃部正常功能中起重要作用,其表達(dá)異??赡芘c“炎癌轉(zhuǎn)化”進(jìn)程相關(guān)。
緊密連接蛋白(tight junction ,TJs)是正常上皮細(xì)胞與細(xì)胞黏附的重要功能組成部分,其異常表達(dá)會(huì)導(dǎo)致炎癥、腫瘤等的發(fā)生,在“炎癌轉(zhuǎn)化”過程中,由于細(xì)胞極性喪失,細(xì)胞間的連接頻繁中斷,TJs在這一過程中起重要作用[22-23]。Huang等[24]研究顯示,敲低CLDN1能夠抑制胃癌細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移與侵襲,CLDN1的下調(diào)有助于延緩腫瘤的進(jìn)展。 Wang等[25]研究結(jié)果表明,CLDN1通過β-連環(huán)蛋白-T細(xì)胞因子(β-catenin-T cell factor,β-catenin-TCF)等信號(hào)通路參與腫瘤生成及發(fā)展,且CLDN4在70.6%的胃癌組織中高表達(dá),與胃腫瘤的淋巴轉(zhuǎn)移明顯相關(guān);Okugawa等[26]發(fā)現(xiàn),CLDN3在胃癌及胃黏膜腸上皮化生細(xì)胞中的表達(dá)明顯高于正常胃粘膜細(xì)胞。此外,Wu等[27]發(fā)現(xiàn),CLDN7在胃癌中過表達(dá),能促進(jìn)胃癌細(xì)胞的增殖、侵襲。因此,TJs的表達(dá)在胃癌細(xì)胞中存在異常,有可能為早期胃癌的診斷、預(yù)后等提供新的分子生物學(xué)標(biāo)志物,具有一定的臨床研究?jī)r(jià)值。
趨化因子是一種由腫瘤細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的小分子分泌蛋白,和其相配對(duì)的同源受體結(jié)合可通過直接或間接的方式調(diào)控腫瘤的生長(zhǎng),包括激活信號(hào)通路,直接調(diào)控腫瘤細(xì)胞的增殖與轉(zhuǎn)移。其中,趨化因子CXC亞家族在胃癌細(xì)胞的增殖、侵襲及轉(zhuǎn)移過程中具有促進(jìn)作用;CXCL1在巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞中均有表達(dá),可參與炎癥、創(chuàng)傷愈合等過程,與胃癌的不良預(yù)后呈正相關(guān)[28]。此外,CXCL1可通過激活非受體型蛋白酪氨酸激2-信號(hào)傳導(dǎo)蛋白和轉(zhuǎn)錄激活物3(just another kinase 2- signal transducer and activator of transcription 3,JAK2-STAT3 )通路,增加血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子表達(dá)和微血管密度,促進(jìn)腫瘤的血管生成,介導(dǎo)腫瘤的血行轉(zhuǎn)移節(jié)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移及侵襲[29]。趨化因子不僅參與機(jī)體組織的分化、發(fā)育以及炎癥反應(yīng),對(duì)胃癌的發(fā)生、發(fā)展也能產(chǎn)生重要影響.因此,調(diào)節(jié)趨化因子及其受體的表達(dá)可能成為未來胃癌特異性治療的一種策略,還可通過調(diào)節(jié)趨化因子水平減輕胃粘膜局部炎癥反應(yīng),為減緩“炎癌轉(zhuǎn)化”的發(fā)生提供新的治療途徑。
綜上所述,胃部“炎癌轉(zhuǎn)化”是一個(gè)多因素、多環(huán)節(jié)、多步驟的復(fù)雜過程。本研究通過GEO數(shù)據(jù)庫,篩選出參與“炎癌轉(zhuǎn)化”過程的關(guān)鍵基因及通路,分析它們?cè)凇把装┺D(zhuǎn)化”進(jìn)程中發(fā)揮的作用,從而為今后研發(fā)延緩、阻斷“炎癌轉(zhuǎn)化”的藥物提供新的治療靶點(diǎn)及途徑,并可為早期胃癌診斷和預(yù)防提供潛在的分子生物標(biāo)記物。
貴州醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)2022年5期