基于生物信息學(xué)分析TGFBI基因在頭頸部鱗癌中的表達(dá)及其預(yù)后意義

胡婷 盧詩(shī)麗 李鈺穎 劉潔蘭 侯沅林 莫麗梅 唐玉蓮

【摘要】 目的 探討轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β誘導(dǎo)基因（transforming growth factor β-induced gene， TGFBI）在頭頸部鱗癌（head and neck squamous carcinoma，HNSC）中的表達(dá)及其預(yù)后意義。

方法 首先通過(guò)TIMER2.0數(shù)據(jù)庫(kù)分析TGFBI基因在泛癌中的表達(dá)水平；并進(jìn)一步利用UALCAN數(shù)據(jù)庫(kù)和GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)檢索TGFBI基因在HNSC與正常組織中的表達(dá)水平，以及TGFBI基因與患者種族、年齡、性別、腫瘤分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移狀況等相關(guān)臨床特征的關(guān)系；通過(guò)STRING數(shù)據(jù)庫(kù)分析TGFBI基因的互作蛋白，借助DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)其與互作蛋白基因進(jìn)行功能富集分析；最后通過(guò)GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)分析TGFBI基因在HNSC中的生存意義。

結(jié)果 發(fā)現(xiàn)TGFBI在HNSC中的表達(dá)明顯高于正常組織（P<0.05），TGFBI高表達(dá)的患者總生存期明顯低于低表達(dá)的患者（P<0.05）。蛋白互作分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)N1、MMP14、ITGA3、ITGAM、ITGAV、ITGB1、ITGB2、ITGB3、TGIF2和TGIF2LX這10個(gè)蛋白基因與TGFBI存在緊密聯(lián)系，此外，TGFBI及相關(guān)基因功能富集分析顯示它們主要參與了5個(gè)生物學(xué)程序、4個(gè)細(xì)胞組分、3個(gè)分子功能、4個(gè)信號(hào)通路。

結(jié)論 TGFBI在HNSC中的表達(dá)水平較正常組織明顯升高，且與患者預(yù)后不良有關(guān)，有望成為HNSC診斷和治療的生物學(xué)靶點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β誘導(dǎo)基因；頭頸部鱗癌；生物信息學(xué)；預(yù)后

中圖分類號(hào)：R739.6?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2023.02.002

Analysis of expression of TGFBI gene in head and neck squamous cell carcinoma and its prognostic significance based on bioinformatics

HU Tinga， LU Shilib， LI Yuyingb， LIU Jielanb， HOU Yuanlinb， MO Limeia， TANG Yulianb

（a. School of Clinical Medicine， b. School of Laboratory Medicine， Youjiang Medical University for Nationalities， Baise 533000， Guangxi， China）

【Abstract】 Objective To investigate the expression of transforming growth factor β-induced （TGFBI） gene in head and neck squamous carcinoma （HNSC） and its prognostic significance.

Methods First， the expression level of TGFBI gene in pan-cancers was analyzed by TIMER2.0 database. Furthermore， UALCAN database and GEPIA database were used to search the expression levels of TGFBI gene in HNSC and normal tissues and the relationship of TGFBI gene with relative clinical characteristics such as race， age， gender， tumor stage and lymph node metastasis status. The interacting proteins of TGFBI gene were analyzed by STRING database， and the functional enrichment analysis was performed on TGFBI gene and its interacting protein genes through DAVID database. Finally， the survival significance of TGFBI gene in HNSC was analyzed through GEPIA database.

Results It was found that the expression level of TGFBI in HNSC was significantly higher than that in normal tissues （P<0.05）， and the overall survival time of patients with high expression level of TGFBI was significantly lower than that of patients with low expression （P<0.05）. Protein interaction analysis showed that there was a close relationship between TGFBI and 10 proteins： FN1， MMP14， ITGA3， ITGAM， ITGAV， ITGB1， ITGB2， ITGB3， TGIF2， and TGIF2LX. In addition， the functional enrichment analysis of TGFBI and related genes showed that they were mainly involved in 5 biological processes， 4 cell components， 3 molecular functions and 4 signal pathways.

Conclusion The expression level of TGFBI in HNSC is significantly higher than that in normal tissues and is related to the poor prognosis of patients， which is expected to become a biological target for the diagnosis and treatment of HNSC.

【Key words】 transforming growth factor β-induced? gene （TGFBI）; head and neck squamous carcinoma （HNSC）; bioinformatics; prognosis

頭頸部鱗癌（head and neck squamous carcinoma， HNSC）是最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，其高發(fā)病率和死亡率給人類的身體健康造成了嚴(yán)重威脅，盡管現(xiàn)在的治療技術(shù)不斷進(jìn)步，但當(dāng)前患者年生存率仍較低（低于65%）［1-3］。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β誘導(dǎo)基因（transforming growth factor β-induced gene， TGFBI），也稱Betaig-h3基因。TGFBI蛋白被認(rèn)為是一種細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrixc， ECM）蛋白，其已被證實(shí)參與各種生理過(guò)程，如形態(tài)發(fā)生、細(xì)胞增殖、黏附、遷移、分化和炎癥的激活［4］。在腫瘤微環(huán)境的特定成分中，特別是ECM蛋白，對(duì)腫瘤發(fā)生過(guò)程中的轉(zhuǎn)移有一定的影響，其在早期階段有限制癌癥發(fā)生的作用，并推動(dòng)疾病向惡性腫瘤發(fā)展［5］。據(jù)報(bào)道，TGFBI同時(shí)具有腫瘤抑制因子和促進(jìn)腫瘤發(fā)展的作用，早期的研究主要集中在腫瘤抑制方面［6］，現(xiàn)在有越來(lái)越多的研究表明TGFBI在促進(jìn)腫瘤進(jìn)展方面具有顯著作用［7-8］。目前，TGFBI的研究大多是在角膜營(yíng)養(yǎng)不良［9］和促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞［10］增殖及遷移中的作用。然而，TGFBI在HNSC中表達(dá)缺乏相關(guān)報(bào)道，本研究基于多種數(shù)據(jù)庫(kù)分析TGFBI在HNSC中的表達(dá)情況，為臨床診斷提供有效依據(jù)，對(duì)降低HNSC高發(fā)病率和死亡率具有一定意義。

1 資料與方法

1.1 TIMER2.0數(shù)據(jù)庫(kù)

利用TIMER2.0數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//timer.cistrome.org/），進(jìn)入“Cancer Exploration”下的“Gene_DE”模塊來(lái)檢索TGFBI在多種癌癥中的表達(dá)情況。

1.2 UALCAN數(shù)據(jù)庫(kù)

基于UALCAN（http：//ualcan.path.uab.edu/）數(shù)據(jù)庫(kù)的TCGA（TCGA Gene analysis）模塊下的“Expression”分析TGFBI在HNSC與正常組織中的差異表達(dá)及其與臨床病理特征（年齡、性別、腫瘤分期和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移狀況等）的相關(guān)性。并利用GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//gepia.cancer-pku.cn/）下的“Boxplot”模塊進(jìn)一步驗(yàn)證TGFBI在HNSC與正常組織中的表達(dá)。

1.3 STRING數(shù)據(jù)庫(kù)

采用STRING數(shù)據(jù)庫(kù)（https：//www.string-db.org/），“Organism”選擇“Homo sapiens”，其余條件默認(rèn)下分析TGFBI基因的互作蛋白，并構(gòu)建蛋白互作網(wǎng)絡(luò)。

1.4 DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)（https：//david.ncifcrf.gov/home.jsp）進(jìn)入“Start Analysis”模塊下的“Upload”。在“Step1”處輸入TGFBI基因及互作蛋白基因；“Step2”處選擇“OFFICIAL_GENE_SYMBOL”；“Step2a”處選擇“Homo sapiens”；“Step3”處設(shè)置為“Gene List”。最后在“Functional Annotation Clustering”模塊下得到數(shù)據(jù)（t2t_CA7F8C7F18621633430373215），進(jìn)而對(duì)TGFBI基因與互作蛋白基因進(jìn)行功能富集分析。

1.5 GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)

運(yùn)用GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//gepia.cancer-pku.cn/）下的“Boxplot”模塊分析TGFBI在HNSC與正常組織中的差異表達(dá)。并在“Survival Analysis”板塊下檢索患者總生存曲線圖，輸入TGFBI基因，設(shè)置“Group Cutoff”為“Quartile”［即“Cutoff-High（%）”值為75；“Cutoff-Low（%）”值為25］，其余條件默認(rèn)，分析患者的總生存情況。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

數(shù)據(jù)的分析多通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)默認(rèn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法進(jìn)行。采用 Wilcoxon 檢驗(yàn)分析TGFBI基因在各種常見(jiàn)腫瘤組織與正常組織間的表達(dá)；使用單因素方差分析TGFBI基因在 HNSC與正常組織中的表達(dá)水平；運(yùn)用 Pearson 相關(guān)進(jìn)行TGFBI與其共表達(dá)基因的相關(guān)性分析 ；通過(guò) Logrank 檢驗(yàn)分析TGFBI高、低表達(dá)組的生存期。檢驗(yàn)水準(zhǔn)：α=0.05，雙側(cè)檢驗(yàn)。

2 結(jié)? 果

2.1 TGFBI基因在泛癌中的表達(dá)

TIMER2.0數(shù)據(jù)庫(kù)分析發(fā)現(xiàn)TGFBI基因在多種腫瘤中高表達(dá)，包括在HNSC中。見(jiàn)圖1。

2.2 TGFBI基因在HNSC和正常組織中的差異表達(dá)

GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)和UALCAN數(shù)據(jù)庫(kù)分析結(jié)果均表明，TGFBI在HNSC中的表達(dá)明顯高于正常組織（P<0.05）。見(jiàn)圖2。

2.3 TGFBI基因與HNSC患者臨床病理特征的關(guān)系

UALCAN數(shù)據(jù)庫(kù)分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于正常組織，TGFBI與HNSC患者的種族、性別、年齡、分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和TP53突變均密切相關(guān)，比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。見(jiàn)圖3。

2.4 TGFBI基因蛋白互作網(wǎng)絡(luò)

STRING數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建TGFBI及其蛋白的互作網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FN1、MMP14、ITGA3、ITGAM、ITGAV、ITGB1、ITGB2、ITGB3、TGIF2和TGIF2LX這10個(gè)蛋白基因與TGFBI存在緊密聯(lián)系。見(jiàn)圖4。

2.5 TGFBI及相關(guān)基因功能富集

通過(guò)DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)TGFBI及相關(guān)基因進(jìn)行功能富集，結(jié)果顯示，它們主要參與了5個(gè)生物學(xué)程序（biological process， BP），如細(xì)胞外基質(zhì)組織、白細(xì)胞遷移和細(xì)胞黏附等，4個(gè)細(xì)胞組分（cell component， CC），如整合素復(fù)合體、細(xì)胞表面和胞外體等，3個(gè)分子功能（molecular function， MF），如蛋白酶結(jié)合、金屬離子結(jié)合和纖維連接蛋白結(jié)合，4個(gè)信號(hào)通路（kegg pathway， KEGG），如PI3K-Akt信號(hào)通路、ECM受體相互作用和肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的調(diào)節(jié)。見(jiàn)表1。

2.6 TGFBI基因與HNSC預(yù)后的關(guān)系

TGFBI在HNSC中的總生存狀況中，TGFBI高表達(dá)較TGFBI低表達(dá)的生存期縮短（P<0.05）。見(jiàn)圖5。

3 討? 論

腫瘤轉(zhuǎn)移是癌癥患者死亡的主要原因。有研究表明，腫瘤微環(huán)境中ECM的分子改變?cè)谀[瘤轉(zhuǎn)移過(guò)程中有一定的影響。它不僅調(diào)節(jié)組織發(fā)育和平衡，還是腫瘤的組成部分之一，腫瘤細(xì)胞黏附到ECM的增加可以繞過(guò)許多正常的生長(zhǎng)抑制途徑并促進(jìn)惡性轉(zhuǎn)化［11］。TGFBI是由TGF-β誘導(dǎo)的ECM蛋白，作為ECM的重要組成部分，在許多細(xì)胞類型中，與其他基質(zhì)蛋白（如膠原蛋白、纖維素）相互作用，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、黏附和遷移等［12］。其外分泌TGFBI還促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、入侵和轉(zhuǎn)移，而細(xì)胞遷移和侵襲過(guò)程是腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的生物學(xué)基礎(chǔ)。先前研究描述TGFBI在癌癥進(jìn)展中具有相互矛盾的作用，可作為癌癥發(fā)生發(fā)展的促進(jìn)者或抑制因子［13］。但近年來(lái)，越來(lái)越多的研究顯示TGFBI在癌癥中起促進(jìn)作用，其已被證實(shí)在結(jié)直腸癌［14］、膀胱癌［15］、乳腺癌［16］和胰腺癌［17］中表達(dá)?？梢?jiàn)，TGFBI在腫瘤發(fā)病機(jī)理中是重要的正向或負(fù)向調(diào)節(jié)劑，這表明了它可能作為生物標(biāo)志物或治療靶點(diǎn)發(fā)揮潛在作用。目前，尚未見(jiàn)有TGFBI基因在HNSC中的研究，因此TGFBI具有重要的研究?jī)r(jià)值。我們的研究表明TGFBI基因在HNSC中的表達(dá)明顯高于正常組織，其高表達(dá)與相關(guān)臨床特征（年齡、種族、性別、腫瘤分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和TP53突變等）存在緊密聯(lián)系。TGFBI的作用不同可能取決于腫瘤類型和腫瘤分期，在晚期患者診斷中，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)是HNSC預(yù)后不良的主要原因［18］，進(jìn)而導(dǎo)致高死亡率。而靶向TGFBI的機(jī)制在治療晚期癌癥方面具有潛在的臨床效用。此外，我們?cè)诜治鯤NSC患者生存情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)TGFBI基因高表達(dá)對(duì)HNSC患者的總生存時(shí)間存在顯著影響。因此，TGFBI基因可能是評(píng)估腫瘤進(jìn)展的生物標(biāo)志物。

進(jìn)一步分析TGFBI基因的互作蛋白，發(fā)現(xiàn)FN1、MMP14、ITGA3、ITGAM、ITGAV、ITGB1、ITGB2、ITGB3、TGIF2和TGIF2LX這10個(gè)蛋白基因與TGFBI蛋白存在緊密聯(lián)系。纖維連接蛋白1（fibronectin 1， FN1）在胃癌和結(jié)直腸癌［19-20］等惡性腫瘤的調(diào)控中發(fā)揮了重要作用。有研究表明，F(xiàn)N1是HNSC放射抗性的潛在生物標(biāo)志物［21］，作為一種ECM糖蛋白，在細(xì)胞黏附和細(xì)胞遷移中起重要作用。MMP14調(diào)節(jié)多種細(xì)胞外和質(zhì)膜蛋白的活性，影響細(xì)胞間和ECM的通信，調(diào)節(jié)ECM降解和重塑、細(xì)胞侵襲和癌癥轉(zhuǎn)移等過(guò)程，并且在大量的實(shí)驗(yàn)研究中顯示MMP14與腫瘤大小、分化和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等呈正相關(guān)，是腫瘤入侵的關(guān)鍵［22］。整合素是異源二聚體跨膜受體的一大家族，由α和β亞基組成。ITGA3、ITGAM和ITGAV為α亞基基因；ITGB1、ITGB2和ITGB3為β亞基基因。然而，整合素在生理上參與細(xì)胞增殖、分化和遷移的信號(hào)通路，重點(diǎn)是轉(zhuǎn)移過(guò)程和腫瘤細(xì)胞與ECM之間的相互作用［23］。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)有許多腫瘤的整合素異常表達(dá)，包括乳腺癌、胰腺癌、胃癌、前列腺癌和結(jié)直腸癌等，并通過(guò)介導(dǎo)細(xì)胞遷移和侵襲來(lái)促進(jìn)腫瘤的惡性表型。這表明了整合素與腫瘤的形成和發(fā)展密切相關(guān)。TGIF2是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑，通過(guò)與TGF-β 相互作用來(lái)充當(dāng)轉(zhuǎn)錄抑制因子。已有研究表明TGIF2可能通過(guò)基因擴(kuò)增機(jī)制在一些卵巢腫瘤的發(fā)育和/或進(jìn)展中發(fā)揮重要作用［24］。TGIF2LX（轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β誘導(dǎo)的因子2樣，X連鎖）是一種同源域（HD）蛋白，與細(xì)胞信號(hào)通路的負(fù)調(diào)節(jié)相關(guān)，其已被暗示為人類惡性腫瘤發(fā)生的腫瘤抑制基因。

功能富集分析顯示它們?cè)谛盘?hào)通路中主要參與了PI3K-Akt信號(hào)通路，PI3K-Akt信號(hào)通路是細(xì)胞增殖和凋亡不可或缺的，也是癌癥中最常見(jiàn)的受管制途徑之一，在許多癌癥的發(fā)病機(jī)制中起著重要的作用［25］。據(jù)報(bào)道，PI3K-Akt信號(hào)通路在90% HNSC中過(guò)度活躍，具有調(diào)節(jié)腫瘤增殖、代謝、活力和轉(zhuǎn)移的作用［26］。在分子功能方面主要參與了纖維連接蛋白結(jié)合、金屬離子結(jié)合和蛋白酶結(jié)合。TGFBI通常作為連接蛋白，通過(guò)集成物相互連接ECM分子，并誘導(dǎo)細(xì)胞相互作用，不同類型腫瘤細(xì)胞中的癌性纖維連接蛋白在實(shí)驗(yàn)和臨床上與腫瘤惡性、轉(zhuǎn)移或預(yù)后不良相關(guān)［27］。在金屬結(jié)合方面，金屬離子在生物體中是必不可少的，然而其在人體內(nèi)的作用是復(fù)雜的。如鋅、鐵、氦和銅，這些微量元素以酶的共生體的形式參與各種生化反應(yīng)，并通過(guò)與受體和轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合來(lái)控制重要的生物過(guò)程，在化學(xué)、分子和生物水平上對(duì)細(xì)胞功能起到重要作用［28］。大量臨床證據(jù)表明，細(xì)胞內(nèi)和組織水平的金屬平衡調(diào)節(jié)不良導(dǎo)致許多不同類型癌癥的發(fā)生發(fā)展，其觸發(fā)細(xì)胞的腫瘤轉(zhuǎn)化或降低免疫細(xì)胞的抗腫瘤功能［29］。此外，它們對(duì)于穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)和維持基因組穩(wěn)定性具有重要作用；在蛋白酶結(jié)合方面，蛋白酶涉及許多重要的正常生理過(guò)程，包括蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)、營(yíng)養(yǎng)消化、受精、細(xì)胞分化和生長(zhǎng)、免疫反應(yīng)和凋亡。其除了調(diào)節(jié)ECM代謝外，還通過(guò)處理細(xì)胞間和細(xì)胞基質(zhì)黏附分子，為腫瘤的發(fā)生提供了重要的優(yōu)勢(shì)［30］。由此可見(jiàn)，TGFBI的表達(dá)和功能受到多種機(jī)制的嚴(yán)格調(diào)節(jié)，與TGFBI緊密互作的蛋白基因的功能和信號(hào)通路與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。

綜上所述，TGFBI基因在HNSC中的表達(dá)水平高于正常組織，且與種族、年齡、性別、腫瘤分期和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等都密切相關(guān)；生存分析顯示，TGFBI基因高表達(dá)與患者預(yù)后不佳相關(guān)，高表達(dá)TGFBI基因的HNSC患者的總生存期（OS）較低表達(dá)者縮短；蛋白互作發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)N1、MMP14、ITGA3、ITGAM、ITGAV、ITGB1、ITGB2、ITGB3、TGIF2和TGIF2LX這10個(gè)蛋白基因與TGFBI緊密互作；它們共同的功能富集分析發(fā)現(xiàn)，其與癌癥發(fā)展和轉(zhuǎn)移的重要信號(hào)通路——PI3K-Akt信號(hào)通路相關(guān)。故多項(xiàng)證據(jù)表明，TGFBI基因可能參與HNSC的發(fā)展與轉(zhuǎn)移，其可能作為HNSC潛在的早期診斷標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2021-11-23 修回日期：2022-05-13）

（編輯：梁明佩）