多胺代謝途徑關(guān)鍵酶ODC1的生物信息學(xué)分析

王玉祥,袁冬冬,李 樂

癌癥作為全球第二大疾病,目前已成為發(fā)病率與病死率最高的疾病之一[1]。報(bào)告顯示,2018年全球癌癥新發(fā)病例1810萬例,死亡病例960萬例[2],即平均每天有接近5萬人確診癌癥,有2.6萬人死于癌癥。在中國,每年新發(fā)癌癥病例達(dá)429萬,死亡病例達(dá)281萬例[3]。因此,抗癌已成為全球性的目標(biāo),治療癌癥是維護(hù)人類生命健康的重要途徑,積極尋求有效的治療方法也是更多科研工作者義不容辭的責(zé)任。

多胺代謝是細(xì)胞內(nèi)一種重要的生物化學(xué)過程,包括多種生物活性胺類分子的合成、分解和調(diào)控。多胺代謝的異常調(diào)節(jié)與腫瘤的發(fā)生和治療抵抗有關(guān),一些研究發(fā)現(xiàn)抑制ODC1可以減緩腫瘤細(xì)胞的生長,這為多胺代謝酶成為潛在的抗癌藥物靶點(diǎn)提供了依據(jù)[4]。鳥氨酸脫羧酶1(ODC1)是多胺代謝途徑的關(guān)鍵酶。ODC1作為影響腫瘤細(xì)胞增殖的關(guān)鍵酶之一,其活性的增加和多胺平衡的失調(diào)均可能誘導(dǎo)癌癥的發(fā)生[5]。在腫瘤治療方面,ODC1被認(rèn)為是腫瘤分期及療效的重要指標(biāo),通過使用酶抑制劑等方法降低ODC1的活性,從而降低體內(nèi)多胺的水平[6],抑制腫瘤細(xì)胞的增殖,發(fā)揮抗癌效應(yīng)。因此,ODC1也可作為一個(gè)潛在抗癌藥物的作用靶點(diǎn)。

1 資料與方法

1.1 ODC1蛋白定位數(shù)據(jù)的獲取:ODC1蛋白質(zhì)定位數(shù)據(jù)的獲取:從The Human Protein Atlas(http:∥www.Proteinat las.org/)數(shù)據(jù)庫中獲取ODC1蛋白質(zhì)定位數(shù)據(jù),篩選條件為ODC1、Cells Atlas。

1.2 ODC1蛋白-蛋白互作網(wǎng)絡(luò)分析:在STRING數(shù)據(jù)庫(https://string-db.org/)中在線分析ODC1蛋白-蛋白互作網(wǎng)絡(luò),篩選條件為Protein Name-ODC1、Organism-Homo.sapiens。

1.3 ODC1mRNA在多種癌癥中的差異表達(dá):利用Oncomine數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù),篩選條件見表1。獲取數(shù)據(jù)后將各項(xiàng)數(shù)據(jù)匯總至GraphPad Prism 8軟件繪制圖表,正常細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞之間的ODC1 mRNA表達(dá)的差異采用t檢驗(yàn),以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 ODC1mRNA在多種癌癥中差異表達(dá)的篩選條件

1.4 ODC1表達(dá)與多種癌癥患者的預(yù)后關(guān)系:利用Oncomine數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù),篩選條件見表2,獲取數(shù)據(jù)后將各項(xiàng)數(shù)據(jù)匯總至GraphPad Prism 8軟件繪制Kaplan-Meier生存曲線,ODC1的表達(dá)與癌癥患者的預(yù)后關(guān)系,采用Log-rank(Mantel-Cox)檢驗(yàn),以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表2 ODC1表達(dá)與多種癌癥患者的預(yù)后關(guān)系篩選條件

2 結(jié)果

2.1 ODC1蛋白質(zhì)定位結(jié)果:利用The Human Protein Atlas數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)ODC1蛋白主要定位于細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞膜,在細(xì)胞其他位置未發(fā)現(xiàn)ODC1蛋白,因此可以推測ODC1在細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞膜發(fā)揮其生物學(xué)功能。

2.2 ODC1蛋白-蛋白互作網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果:利用STRING數(shù)據(jù)庫在線分析ODC1蛋白-蛋白互作網(wǎng)絡(luò),結(jié)果顯示在ODC1蛋白-蛋白互作網(wǎng)絡(luò)中,以O(shè)DC1蛋白質(zhì)為核心,有著許多與ODC1蛋白質(zhì)相互作用的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)與ODC1蛋白質(zhì)有著明顯的相互作用,構(gòu)成了復(fù)雜的蛋白-蛋白互作網(wǎng)絡(luò),見圖1(封三)和表3。

表3 與ODC1蛋白質(zhì)相互作用的幾種蛋白質(zhì)的主要功能

2.3 ODC1 mRNA在多種癌癥中差異表達(dá)結(jié)果:將從Oncomine數(shù)據(jù)庫提取的數(shù)據(jù)匯總至GraphPad Prism 8繪制散點(diǎn)圖發(fā)現(xiàn),在膀胱癌、腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)癌、結(jié)直腸癌、食管癌、頭頸癌、肝癌中,癌細(xì)胞與正常細(xì)胞相比較,癌細(xì)胞中ODC1 mRNA的表達(dá)量顯著高于正常細(xì)胞,這說明因腫瘤細(xì)胞快速增殖的特性,腫瘤細(xì)胞中ODC1基因表達(dá)處于高水平狀態(tài)。

2.4 ODC1表達(dá)與多種癌癥患者的預(yù)后關(guān)系:將從Oncomine數(shù)據(jù)庫提取的數(shù)據(jù)匯總至GraphPad Prism 8,繪制Kaplan-Meier生存曲線發(fā)現(xiàn),ODC1的表達(dá)水平對(duì)患者的總生存時(shí)間有著顯著的影響。與低表達(dá)組相比,ODC1高表達(dá)組的肝癌、肉瘤和宮頸癌患者的總生存時(shí)間顯著降低,ODC1高表達(dá)組患者的預(yù)后較差。

3 討論

ODC1可通過對(duì)多胺水平的調(diào)控進(jìn)而影響到細(xì)胞的生長與增殖,腫瘤細(xì)胞快速增殖的特性與侵襲性也依賴于ODC1的高表達(dá),因此,ODC1已成為一個(gè)潛在的治療癌癥藥物的作用靶點(diǎn)。

分析The Human Protein Atlas數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),ODC1廣泛存在于生物體細(xì)胞中,主要定位于細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞膜。已有研究表明,ODC1主要分布在細(xì)胞質(zhì)內(nèi),約占細(xì)胞可溶性蛋白質(zhì)的0.016%[7],這與本研究分析數(shù)據(jù)的結(jié)果一致。

蛋白-蛋白互作網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成對(duì)細(xì)胞的生長、基因表達(dá)調(diào)節(jié)、能量和物質(zhì)代謝等方面都有著顯著的影響。因此,在本研究中通過進(jìn)一步對(duì)ODC1蛋白-蛋白互作網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),有多個(gè)蛋白質(zhì)與ODC1有明顯的相互作用,對(duì)ODC1有著多種生物學(xué)功能的影響。其中,OAZ家族蛋白可以調(diào)控ODC1的活性,從而調(diào)控多胺代謝;OAT可以催化鳥氨酸與α-酮戊二酸的轉(zhuǎn)氨基作用從而生成谷氨酸與半胱氨酸,ARG1與ARG2可以催化精氨酸生成鳥氨酸,與ODC1催化鳥氨酸生成精氨酸的作用相反;SRM、SAT1、AOC1、AGMAT在合成與降解腐胺、亞精胺和精胺中起著重要作用,從而可以影響細(xì)胞內(nèi)多胺的含量,這些蛋白與ODC1構(gòu)成了復(fù)雜的蛋白-蛋白互作網(wǎng)絡(luò)。有研究表明,ODC1的表達(dá)影響著腫瘤細(xì)胞的表型與侵襲性[8]。在腫瘤細(xì)胞中ODC1的表達(dá)處于高表達(dá)狀態(tài),這有益于腫瘤細(xì)胞的快速增殖與侵襲。Deng[9]等的研究表明,乳腺癌組織和細(xì)胞中的ODC1表達(dá)水平顯著高于正常組織和細(xì)胞,其mRNA水平也明顯高于正常組織及細(xì)胞。這與本實(shí)驗(yàn)中從Oncomine數(shù)據(jù)庫獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的結(jié)果一致,本研究通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),ODC1 mRNA在膀胱癌、結(jié)直腸癌、肝癌等癌癥中的表達(dá)量顯著高于正常細(xì)胞,這表明在腫瘤細(xì)胞中ODC1基因的高表達(dá)對(duì)于腫瘤細(xì)胞的快速增殖與侵襲具有重要意義。

預(yù)后是指對(duì)疾病患者最后結(jié)果的預(yù)測,除了了解患者的臨床表現(xiàn)、病因、病情等方面外,還需要制定相關(guān)的近期及遠(yuǎn)期治療方案,預(yù)后對(duì)于疾病治療有著關(guān)鍵性的作用。本研究從Oncomine數(shù)據(jù)庫中獲取多種癌癥患者的預(yù)后數(shù)據(jù),并使用GraphPad Prism 8軟件繪制Kaplan-Meier生存曲線,結(jié)果顯示ODC1高表達(dá)組的患者總體生存率相較低表達(dá)組顯著降低,高表達(dá)組患者的預(yù)后更差。

綜上所述,通過生物信息學(xué)的方法,分析得到ODC1蛋白主要定位于細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞膜,并且有著復(fù)雜的蛋白-蛋白互作網(wǎng)絡(luò)。在多種癌癥中,與正常細(xì)胞相比,腫瘤細(xì)胞中ODC1的表達(dá)更高,ODC1的高表達(dá)也導(dǎo)致了癌癥患者的預(yù)后更差。