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經(jīng)典生信思路：構(gòu)建腫瘤代謝相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型
導(dǎo)讀
前段時(shí)間我們公眾號推了一篇與腫瘤代謝和腫瘤免疫相關(guān)的文章，在那篇文章的思路擴(kuò)展中就提到了用生信的角度解讀腫瘤代謝和腫瘤免疫。今天和大家一起學(xué)習(xí)一篇發(fā)表在《Frontiers in Immunology》的一篇文章，在這篇文章中，作者構(gòu)建一個(gè)與代謝相關(guān)的基因圖譜來預(yù)測前列腺癌(PCa)的復(fù)發(fā)和治療反應(yīng)。因?yàn)镻Ca是男性最常見的惡性腫瘤。雖然近幾十年來PCa的臨床治療取得了很大進(jìn)展，但是，一旦其對治療產(chǎn)生耐受性，PCa會在復(fù)發(fā)后會迅速發(fā)展。并且PCa從早期腫瘤轉(zhuǎn)變?yōu)橥砥谀[瘤的過程中一直表現(xiàn)出一種獨(dú)特的代謝重編程。然而，對于PCa代謝格局的改變與腫瘤復(fù)發(fā)和治療反應(yīng)的關(guān)系缺乏系統(tǒng)和全面的研究。
結(jié)果解讀：
為了在基因水平上系統(tǒng)和全面地研究PCa的代謝情況，作者先從TCGA PCa數(shù)據(jù)集中篩選出了代謝相關(guān)的差異表達(dá)基因 (mDEGs)（圖1A）。接下來作者使用GO分析和KEGG分析來研究這些基因的功能。GO分析顯示mDEGs與脂肪代謝、氨基酸代謝、激素代謝和羧酸生物合成等有關(guān) (圖1B)。KEGG富集分析結(jié)果表明，mDEGs與藥物、花生四烯酸、酪氨酸和嘌呤代謝途徑顯著相關(guān)(圖1C)。為了研究代謝變化是否與PCa的復(fù)發(fā)和進(jìn)展有關(guān)，作者根據(jù)mDEGs的表達(dá)情況，用一致性聚類法將腫瘤組織分為3組不同的亞組（圖1D，E）。三種代謝亞型的無病生存率(DFS)顯示出顯著差異（圖 1F）?？偟膩碚f，這些結(jié)果表明腫瘤代謝重編程在 PCa 復(fù)發(fā)和進(jìn)展中起重要作用。
首先，作者通過STRING數(shù)據(jù)庫構(gòu)建蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(PPI)網(wǎng)絡(luò)，以確定1186個(gè)mDEG的中樞基因。根據(jù)connection score，前100個(gè)中樞基因可能在PCa的進(jìn)展中發(fā)揮更重要的作用（圖2A）。KEGG分析結(jié)果表明，關(guān)鍵的mDEGs富集到突觸通路、能量代謝通路(PI3K-AKT、MAPK和PARP)、藥物代謝通路、膽固醇代謝通路、內(nèi)分泌抵抗和類固醇激素生物合成通路，這些通路與前列腺癌的發(fā)展有關(guān)。GO分析表明這些mDEGs與類固醇和激素代謝過程、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔、GTPase復(fù)合物和代謝物條帶有關(guān)（圖2B、C），這表明關(guān)鍵 mDEGs 在代謝和 PCa 進(jìn)展中具有重要作用。然后采用單因素COX回歸分析，篩選出與DFS相關(guān)的mDEGs。在前100個(gè)基因中，有25個(gè)基因與DFS顯著相關(guān)，其中10個(gè)基因與危險(xiǎn)因素相關(guān)，15個(gè)基因顯示保護(hù)作用（圖2D）。如圖2E所示，大多數(shù)與生存相關(guān)的關(guān)鍵mDEGs相互關(guān)聯(lián)，這表明PCa的代謝重編程是一個(gè)整體的變化，而不是單個(gè)基因的變化。
為了構(gòu)建一個(gè)全面有效的代謝相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)模型(MRM)來預(yù)測患者的預(yù)后，作者對DFS相關(guān)的關(guān)鍵mDEGs進(jìn)行了Lasso Cox回歸分析。交叉驗(yàn)證后，5個(gè)基因(APOE、AHSG、BGN、SLC2A4和CYP2D6)最為突出(圖3A、B)。然后進(jìn)行多因素COX回歸分析，進(jìn)一步驗(yàn)證獨(dú)立的預(yù)后相關(guān)基因，并獲得基因指數(shù)。如圖3C所示，APOE、AHSG、BGN和CYP2D6是獨(dú)立的危險(xiǎn)因素，SLC2A4是獨(dú)立的保護(hù)因素。然后作者根據(jù)這個(gè)模型計(jì)算MRS（代謝相關(guān)危險(xiǎn)評分），并根據(jù)MRS的中位數(shù)將492例PCa患者分為high-MRS亞組(n=246)和low-MRS亞組(n=246)(圖3D)。如圖3E，F(xiàn)所示，high-MRS亞組的DFS率明顯低于low-MRS亞組，表明high-MRS意味著更高的復(fù)發(fā)率。ROC曲線表明 MRM且具有良好的敏感性和特異性（圖3G）。此外，ROC曲線顯示MRM預(yù)測DFS的準(zhǔn)確性優(yōu)于其他臨床參數(shù)(Gleason評分、前列腺特異性抗原(PSA)水平、TNM分期和年齡)(圖3H)。此外，作者還探討了MRS、臨床特征和TCGA中PCa數(shù)據(jù)庫中關(guān)鍵mDEGs表達(dá)水平之間的關(guān)系。圖3I的熱圖顯示APOE、BGN、AHSG和CYP2D6在high-MRS亞組的表達(dá)增加，而SLC2A4則相反。MRS與Gleason評分、TNM分期呈正相關(guān)，與PSA水平無關(guān)。單因素COX回歸分析顯示Gleason評分、PSA水平、T分期和MRS與PCa的DFS密切相關(guān)(圖3J)，多因素COX回歸分析發(fā)現(xiàn)MRS的p值最低，提示MRS可能是PCa最重要的獨(dú)立預(yù)后指標(biāo)(圖3K)。因此，與目前使用的預(yù)后因素相比，MRM可能是預(yù)測PCa患者DFS的更好的指標(biāo)。
為了驗(yàn)證模型的預(yù)后價(jià)值，經(jīng)過篩選，作者選擇在Taylor 和ICGC兩個(gè)數(shù)據(jù)集驗(yàn)證MRM的可靠性，與TCGA數(shù)據(jù)庫得出的結(jié)果類似，MRS越高的患者DFS時(shí)間或BCR時(shí)間越短，復(fù)發(fā)的可能性越大，預(yù)后也越差(圖4A)。Taylor PCa隊(duì)列中1、3和5年BCR的AUC值分別為0.75、0.73和0.69，ICGC PCA中的AUC值分別為0.82、0.85和0.80，表明MRM可能是預(yù)測PCa患者DFS的一個(gè)潛在臨床特征，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性(圖4B)。此外，如圖4C所示，由Taylor和ICGC PCa隊(duì)列得出的ROC曲線表明，MRM的預(yù)測準(zhǔn)確性最優(yōu)。Taylor和ICGC隊(duì)列的結(jié)果與TCGA的結(jié)果一致。在Taylor中，單因素和多因素Cox回歸分析顯示Gleason評分、PAS水平、T分期和MRS均與DFS密切相關(guān)，可作為PCa的獨(dú)立預(yù)后指標(biāo)(圖4D)。在ICGC PCa隊(duì)列中，單因素COX回歸分析顯示Gleason評分、T分期和MRS與DFS密切相關(guān)；多變量COX回歸分析發(fā)現(xiàn)只有T分期和MRS是PCa的獨(dú)立預(yù)后指標(biāo)，但Gleason評分不是PCa的獨(dú)立預(yù)后指標(biāo)(圖4e)，這可能與樣本量、數(shù)據(jù)源的異質(zhì)性和構(gòu)成有關(guān)。因此，這些數(shù)據(jù)表明，在兩個(gè)獨(dú)立的PCA隊(duì)列中，MRM是DFS或BCR的最佳獨(dú)立預(yù)測因子。
接下來，作者使用鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院收集的組織來研究MRM在真是世界研究（RWS）的價(jià)值。如圖4F所示，與正常前列腺組織相比，APOE、AHSG、BGN和CYP2D6在前列腺癌組織中顯著上調(diào)，而SLC2A4則顯示出相反的結(jié)果。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，MRS和pMRS（蛋白質(zhì)水平的MRS）與Gleason評分和T分期密切相關(guān)，pMRS與N分期和分級呈正相關(guān)(圖4G)。
首先，作者用GSEA來預(yù)測PCa TCGA隊(duì)列中high-MRS組和low-MRS組之間的基因集變化。結(jié)果顯示，high-MRS樣本的基因富集在與增殖和細(xì)胞周期有關(guān)的通路上，而low-MRS樣本富集到基因集則包含PCa下調(diào)和轉(zhuǎn)移腫瘤下調(diào)的基因 (圖5A)，這表明MRM亞組之間的腫瘤生長和轉(zhuǎn)移存在顯著差異。然后作者進(jìn)行基因表達(dá)分析，通過比較high-和low-MRS組鑒定出1258個(gè)基因(圖5B)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，DEGs主要存在于多種代謝過程、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)體復(fù)合體和酶活性中(圖5C)。KEGG分析還表明，這些DEGs與代謝途徑密切相關(guān)，如PPAR信號通路、cAMP信號通路、類固醇激素生物合成、膽固醇代謝和藥物代謝(圖5D)。KEGG分析顯示出具有代表性的代謝途徑，特別是脂肪代謝和氨基酸代謝途徑（圖5E）。此外，GO和KEGG富集分析表明，DEGs還與突觸、細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞因子有關(guān)，這表明MRM與神經(jīng)內(nèi)分泌轉(zhuǎn)化有關(guān)，并且不同亞群具有不同的微環(huán)境(圖5C，D)。
TME是腫瘤細(xì)胞周圍的微環(huán)境，包括免疫細(xì)胞、周圍血管、成纖維細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和各種信號分子。首先，作者探討了MRS和TME之間的關(guān)系。MRS與TME評分呈正相關(guān)，high-MRS組免疫細(xì)胞浸潤和間質(zhì)評分高于低MRS組(圖6A)。high-MRS樣本的基因組富集到免疫反應(yīng)相關(guān)的通路 (圖6B)。隨后，作者進(jìn)一步研究了MRS與PCa免疫細(xì)胞浸潤的相關(guān)性，MRS相關(guān)的免疫環(huán)境的特征如圖6C所示。作者篩選和收集了經(jīng)典的免疫檢查點(diǎn)，然后應(yīng)用這些基因來定義不同MRS組之間的免疫和分子功能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MRS與PDCD1、PDL1、CTLA4等30個(gè)免疫檢查點(diǎn)的表達(dá)密切相關(guān)（Figure 6D）。值得注意的是，CTLA4和PDCD1的表達(dá)在高M(jìn)RS樣本中顯著升高(圖6E)，這表明免疫療法可能是這些患者相對有效的治療方法。另外，在預(yù)測免疫治療反應(yīng)方面，MRM的AUC值是臨床特征中最高的(圖6E)，表明這一新特征MRM可能是預(yù)測PCa患者免疫治療反應(yīng)的潛在指標(biāo)。最后，作者進(jìn)行了多重免疫熒光(mIF)檢測出免疫檢查點(diǎn)在PCa中的表達(dá)相對較弱，但high-MRS亞組的CTLA4和PDCD1表達(dá)均高于low-MRS亞組(圖6F)。正如預(yù)測的那樣，這些結(jié)果表明high-MRS亞組比low-MRS亞組更有可能從免疫治療中受益。
作者假設(shè)不同MRS亞組的患者對藥物的敏感性不同。作者通過KEGG富集分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)分泌治療耐藥、DNA修復(fù)基因、甲基化沉默和阿霉素耐藥相關(guān)的通路與high-MRS相關(guān)，而藥物反應(yīng)相關(guān)的基因與低MRS呈正相關(guān)(圖7A)。隨后作者比較了高 MRS 組和低 MRS 組對常見抗癌藥物的敏感性，以指導(dǎo)不同 PCa 患者的治療選擇。在標(biāo)準(zhǔn)藥物選擇方面，低 MRS 亞組患者對抗雄激素（阿比特龍）更敏感，而高 MRS 組患者對化療（多西他賽和吉西他濱-順鉑（GC）化療）更敏感（圖 7B）。在推薦藥物選擇方面，低 MRS 亞組患者對 EGFR 抑制劑（如阿法替尼）、BI-2536（PLK1 和 BRD4）、HDAC 抑制劑（他西地那林）和 TGF-β 受體抑制劑（SB- 505124），而高 MRS 亞組的患者對 CDK 抑制劑（例如 AZD 5438）、PARP 抑制劑（例如 niraparib）和鐵死亡激動劑（RSL3，erastin）更敏感（圖 7C、D）
全文總結(jié)：
該文作者構(gòu)建一個(gè)與代謝相關(guān)的基因圖譜，來預(yù)測PCa的復(fù)發(fā)和治療反應(yīng)。并且作者還證明了它可以作為一種臨床特征，更準(zhǔn)確地評估預(yù)后，指導(dǎo)PCa患者選擇合適的治療方法。該方法在臨床上也有進(jìn)一步的應(yīng)用前景。從思路上看，這篇文章是一篇經(jīng)典的生信文章，而且在驗(yàn)證時(shí)也加入“濕”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。這進(jìn)一步提高分析思路的創(chuàng)新性和說服力，值得我們學(xué)習(xí)。
參考文獻(xiàn)
1. Zhou L, Fan R, Luo Y, et al. A Metabolism-Related Gene Landscape Predicts Prostate Cancer Recurrence and Treatment Response. Front Immunol. 2022;13:837991.
