DIP2A对肺腺癌的作用机制和药物敏感度分析

孙诗卓,刘思奇,吕 铮,周 月,张继旭,芦小单,,丁亦男

(1.长春师范大学生命科学学院,吉林 长春 130032;2.吉林省人民医院,吉林 长春 130021)

0 引言

中国肺癌的发病率和死亡率均在恶性肿瘤中居首位,同时肺癌的死亡率在全球癌症死亡率中也占有较大比例。非小细胞肺癌(NSCLC)约占所有肺癌病例的85%,而肺腺癌(LUAD)是非小细胞肺癌中最常见的类型[1]。近年来,尽管在LUAD的诊断和治疗方面取得了一些进展,但是对LUAD患者进行抗癌药物的特定筛选仍然是一个相对不明确的领域。

分离相互作用蛋白2同源物A(Disconnected interacting protein 2 homolog A,DIP2A)位于人类染色体21q22.3上,属于DIP2蛋白家族。DIP2A在细胞存活、信号转导、细胞生长和细胞迁移等多个生物过程中发挥着重要作用[2-3]。

在肿瘤学研究中,研究人员发现DIP2A在多种癌症中表达水平升高,包括结直肠癌[4]和骨肉瘤[5]。降低DIP2A的表达被发现能够促使抗肿瘤免疫的增强,这揭示了DIP2A在肿瘤免疫逃逸中的一定作用[6]。在非小细胞肺癌中,阻断DIP2A相关通路被证明对患者具有良好的预后[7]。这表明DIP2A在非小细胞肺癌中的抑制可能为患者的治疗提供了新的方向。

然而,对于DIP2A在肺腺癌中的详细机制研究仍然相对有限,特别是抗癌相关药物与DIP2A表达水平之间的关系。为填补这一研究空白,本研究运用生物信息学方法,通过对肺腺癌中DIP2A表达水平的高低进行筛选,寻找与DIP2A表达量相关的肺腺癌抗癌药物。

这一研究的结果将有助于揭示DIP2A在肺腺癌中的药物敏感性,为未来的治疗策略提供新的思路。通过深入挖掘肺腺癌与DIP2A之间的关系,我们有望为患者提供更加有效和定制的治疗方案,推动肺腺癌的诊疗取得新进展。

1 材料与方法

1.1 数据来源

从TCGA(The Cancer Genome Atlas)下载肺腺癌(LUAD)的TPM(Transcripts Per Million)标准化的mRNA表达矩阵。其中正常组59个样本,肿瘤组526个样本。

1.2 DIP2A在LUAD中的表达分析

对正常组和肿瘤组进行Wilcoxon秩和检验,以验证在这两组之间是否存在DIP2A基因的表达差异,用ggplot2绘制箱线图。

1.3 差异表达分析和富集分析

从LUAD-TPM数据中去除正常样本,保留肿瘤样本。计算DIP2A表达量的五分位数,将DIP2A表达量高于第四分位数的样本归为高表达组(DIP2A-HIGH),DIP2A表达量低于第一分位数的样本归为低表达组(DIP2A-LOW)。随后,利用R语言中的Wilcoxon秩和检验对这两组样本进行差异基因分析,筛选差异表达基因(DEGs),筛选条件为:|log2FC|>1且P<0.05,其中FC表示差异倍数,即高表达组与低表达基因表达量的比值。

通过clusterProfiler包对获得的 DEGs进行基因本体论 (Gene Ontology,GO)富集分析及京都基因和基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)分析,筛选条件为:P<0.05。GO富集分析包括分子功能(MF)、生物过程(BP)和细胞成分(CC)三类;KEGG富集分析揭示了主要的信号通路。

1.4 药物敏感度分析

利用oncoPredict包对去除正常样本的LUAD-TPM进行药物敏感度分析,计算得到各个样本与198种抗癌药物的半抑制浓度(IC50)。然后,根据DIP2A的表达量和得到的198种抗癌药物IC50进行相关性分析。保留相关性系数低于-0.3且相关性检验P值小于0.05的结果(R<-0.30,P<0.05)。最后,借助ggplot2包,绘制散点图以直观展示它们的相关性关系。

2 结果

2.1 DIP2A在LUAD中的表达分析

对正常组和肿瘤组进行Wilcoxon秩和检验,结果表明,DIP2A在LUAD中高表达,且有显著性(图1)。

图1 DIP2A在正常组与肿瘤组之间的差异表达水平

2.2 差异表达分析和富集分析

对DIP2A-HIGH与DIP2A-LOW进行Wilcoxon秩和检验差异分析,筛选出826个差异基因(DEGs),其中813个上调基因,13个下调基因。

对差异表达基因进行GO分析与KEGG分析,如图2所示。在GO分析中,富集到的通路为翻译活性的调控和抑制、mRNA 碱基配对翻译抑制活性、核小体以及核小体装配、RNA诱导沉默复合体。在KEGG分析中,富集到的通路为miRNAs在癌症中的发生。

图2 GO分析以及KEGG分析富集到的通路

上述富集到的通路均与翻译过程的调控和miRNAs有关。

2.3 药物敏感度分析

通过对DIP2A的表达量和198种抗癌药物的IC50进行相关性分析,筛选出与DIP2A表达水平负相关,具有显著性(R<-0.30,P<0.05)的药物。从198种药物中,得到了11种药物,它们分别是阿法替尼(Afatinib)、阿培利司(Alpelisib)、PIM抑制剂(AZD1208)、Dot1l的有效选择性抑制剂(EPZ004777)、林西替尼(Linsitinib)、马来酰亚胺类似物(MIRA-1)、口服生物的小分子BCL-2抑制剂(Navitoclax)、奈拉滨(Nelarabine)、奥希替尼(Osimertinib)、索拉非尼(Sinularin)以及选择性的极光激酶抑制剂(ZM447439)(图3)。

图3 DIP2A与11种抗癌药物IC50之间的相关性分析

3 讨论

肺腺癌是肺癌的常见类型之一,DIP2A基因的高表达是导致肺腺癌发生的因素之一,其高表达也是肿瘤异质性的核心。

基于TCGA数据,本研究发现LUAD中DIP2A的表达量明显高于正常组,这与多项已发表研究的结果基本一致[6]。

以DIP2A的五分位数将肿瘤组分为DIP2A高表达组与低表达组,并进行差异分析,结果显示有826个差异基因,均为在DIP2A高表达组的差异基因。在这些基因中,引起关注的是MIR499A这一miRNA。2019年的一项研究发现,MIR499A通过mTOR信号通路促进肺腺癌细胞的增殖[8]。

除了MIR499A之外,在分析得到的差异基因中还包括MIR421、MIR6075。其中,MIR421在非小细胞肺癌中的过度表达与患者总生存期较短相关,其过表达可以促进NSCLC细胞的增殖和细胞周期的进展[9];MIR6075在肺癌切除术后的诊断指数显著降低[10]。

根据上述研究结果,DIP2A的高表达可能与上述miRNAs的异常表达相关,而这些miRNAs可能在肺腺癌的发展中发挥着重要的调控作用。这进一步强调了对这些miRNAs深入研究的重要性,以加深对肺腺癌发病机制的理解。

在差异分析中,还发现了一些核仁小核糖核酸(snoRNAs),其中SNORA7B的敲除减少了肺癌细胞的增殖[11],SNORA22则有助于细胞侵袭性和肿瘤的转移[12]。此外,NSCLC细胞中SNORA80E的敲低可抑制体外和体内的致瘤性,肺肿瘤组织标本中SNORA80E的表达与NSCLC患者的生存呈负相关[13],因此,SNORA80E的激活可能在肺肿瘤发生中发挥致癌作用,并为恶性肿瘤提供潜在的诊断和治疗靶点。

在GO富集分析中,富集到的通路与翻译的调控和抑制相关,通过Stéphan Vagner等的研究显示,由于翻译的能量成本较高,癌细胞在整体水平上会降低翻译的启动[14]。这主要通过诱导整合应激反应(ISR)和抑制mTORC1来实现,或者通过抑制翻译的延伸过程来完成。整合应激反应(ISR)是一种复杂的细胞应激响应机制,它在细胞受到各种压力和刺激时被激活。在癌细胞中,ISR的激活有助于调节翻译过程,从而减少能量的浪费,使细胞更好地适应恶劣的环境[15]。mTORC1是一个关键的细胞信号通路,控制蛋白质合成和细胞生长。癌细胞可能通过抑制mTORC1来降低蛋白质合成的速率,从而节约能量和资源,促使细胞更好地适应癌症微环境的压力。另外,癌细胞也可能通过抑制翻译的延伸过程来减少蛋白质的合成。这种策略有助于维持细胞内的蛋白质平衡,并确保资源的有效利用,从而支持癌细胞的生存和增殖。总体而言,癌细胞通过调控翻译的启动和延伸过程,以适应恶劣的生存环境,这为癌症细胞的生存和增殖提供了一种有效的适应策略[16]。

在KEGG富集分析中,富集到的通路为miRNAs在癌症中的发生,miRNAs通过调节细胞周期、转移、血管生成、新陈代谢和细胞凋亡,在肿瘤发生过程中发挥着重要作用[17]。这也验证了差异基因大多为miRNAs。

药物敏感度分析结果显示,有11种抗癌药物随DIP2A表达量的增高,IC50下降,这一发现与前文中我们观察到的miRNAs和snoRNAs的异常表达可能存在关联。miRNAs在肺腺癌的发展中起到关键作用,而snoRNAs与肺癌细胞的增殖、侵袭和转移等方面相关。因此,DIP2A的高表达可能通过影响miRNAs和snoRNAs的表达,进而影响药物敏感度。

4 结论

在LUAD-TPM的DIP2A高表达组中,有813个上调的DEGs和13个下调的DEGs,其中大多为非编码RNA,差异基因的富集通路是与翻译的抑制与调控以及miRNAs在癌症中的发生相关,由此推断出DIP2A的表达影响翻译的抑制与调控以及miRNAs的表达。药物敏感性分析得到11种抗癌药物,随DIP2A表达量的增高,IC50下降,这一发现与非编码RNA的异常表达可能存在关联,非编码RNA与肺癌细胞的增殖、侵袭和转移等方面相关。DIP2A的异常可能通过影响非编码RNA的表达,进而影响药物敏感度。