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第44卷第1期西安交通大学学报(医学版)Vol.44No.12023年1月JournalofXi’anJiaotongUniversity(MedicalSciences)Jan.2023◇临床研究◇GSTM5在前列腺癌中的表达及其对前列腺癌进展的潜在机制张莹1,孙娜1,郭亚收2,史传道1,刘一笑1(1.陕西中医药大学公共卫生学院,陕西咸阳712046;2.咸阳市中心医院泌尿外科,陕西咸阳712000)摘要:目的基于生物信息学方法探究正常前列腺和前列腺癌(PCa)组织中的差异表达基因,筛选出可能作为PCa潜在生物标志物的基因,为后期临床医学提供科学依据。方法从GEO数据库下载GSE55945、GSE46602和GSE69223三个基因芯片数据集,通过联川生物云平台筛选差异表达基因(DEGs),使用STRING构建DEGs的蛋白质-蛋白质互作网络(PPI),导入Cytoscape后利用CytoHubba插件筛选MCC评分前30位的基因作为关键基因(Hub基因),利用DAVID对关键基因进行GO和KEGG富集分析,采用GraphPadPrism软件绘制ROC曲线,利用GEPIA数据库对关键基因进行验证,并进一步进行生存分析,利用UALCAN验证关键基因的表达与PCaGleason分级是否有相关性。结果GSE55945、GSE46602和GSE69223三个数据集分别得到428、727和1285个差异表达基因。韦恩(Venn)图显示三个数据集中包含的DEGs有105个。105个DEGs对应的PPI网络中筛选MCC评分排名前30位的基因作为Hub基因,其所涉及的生物过程主要包括蛋白激酶B信号的正向调节、细胞分化、转录的正调控、转化生长因子β受体信号通路负调控、细胞迁移的正向调节等,所涉及的通路为粘着斑、雌激素信号通路等。ROC曲线结果显示CAV1、KDR、CAV2、TGFBR1、SLC7A11、GSTM2、GSTM3、GSTM5、MYO6共9个基因同时在3个数据集中的诊断能力有统计学意义。9个Hub基因通过GEPIA网站验证显示,其中CAV1、KDR、CAV2、TGFBR1、GSTM2、GSTM3、GSTM5在PCa中呈低表达,而SLC7A11、MYO6在PCa中呈高表达,生存分析提示GSTM5高表达时PCa患者OS延长。UALCAN结果显示,GSTM5基因的表达与Gleason分级有明显相关性,并且随着Gleason评分的增加,GSTM5基因的表达不断降低。结论9个Hub基因中,CAV1、KDR、CAV2、TGFBR1、GSTM2、GSTM3、GSTM5在PCa中呈低表达,而SLC7A11、MYO6在PCa中呈高表达,其中GSTM5基因与PCa生存率有关,并随着Gleason评分增加,GSTM5基因的表达降低,提示GSTM5可能作为PCa潜在的生物标志物。关键词:GSTM5;前列腺癌;关键基因;生物信息学中图分类号:R737.25文献标志码:ADOI:10.7652/jdyxb202301016TheexpressionofGSTM5inprostatecanceranditspotentialmechanismfortheprogressofprostatecancer1,SUNNa1,GUOYashou2,SHIChuandao1,LIUYixiao1ZHANGYing(1.SchoolofPublicHealth,ShaanxiUniversityofChineseMedicine,Xianyang712046;2.DepartmentofUrology,XianyangCentralHospital,Xianyang712000,China)ABSTRACT:ObjectiveToexplorethedifferentiallyexpressedgenesinnormalprostateandprostatecancer(PCa)tissuesbasedonbioinformaticsandscreenoutpotentialbiomarkersforPCa,soastoprovidescientificbasisforlaterclinicalmedicine.MethodsThreegenechipdatasetsofGSE55945,GSE46602andGSE69223weredownloadedfromGEOdatabase,anddifferentiallyexpressedgenes(DEGs)werescreenedbytheOmicStudiotools,andprotein-proteininteractionnetwork(PPI)ofDEGswasconstructedbySTRING.AfterCytoscapewasimported,CytoHubbaplug-inwasusedtoscreenthetop30genesinMCCscoreaskeygenes(Hubgene).DAVIDwasusedforGOandKEGGenrichmentanalysisofHubgene,andGraphPadPrismsoftwarewasusedtodrawROCcurve.GEPIAdatabasewasusedtoverifythekeygenes,andsurvivalanalysiswasfurthercarriedout.UALCAN收稿日期:2022-04-16修回日期:2022-06-30基金项目:陕西省科技厅重点研发项目(No.2020SF-206);咸阳市2021年重点研发项目(No.2021ZDYF-SF-0017);陕西中医药大学研究生创新项目(No.303-17301032264);咸阳市2019年重点研发项目(No.2019k02-94)SupportedbyKeyResearchandDevelopmentProjectofScienceandTechnologyDepartmentofShaanxiProvince(No.2020SF-206),KeyResearchandDevelopmentProjectofXianyangCityin2021(No.2021ZDYF-SF-0017),GraduateInnovationProjectofShaanxiUniversityofTraditionalChineseMedicine(No.303-17301032264),andKeyResearchandDevelopmentProjectofXianyangCityin2019(No.2019k02-94)通信作者:孙娜,副教授.E-mail:sunna850109@163.com网络出版时间:2022-12-26网络出版地址:https://kns.cnki.net/kcms/detail//61.1399.R.20221221.0934.001.html本刊网址:http://yxxb.xjtu.edu.cn微信公众号:西安交通大学学报医学版
11期张莹,孙娜,郭亚收,等.GSTM5在前列腺癌中的表达及其对前列腺癌进展的潜在机制101wasusedtoverifythecorrelationbetweentheexpressionofkeygenesandGleasongradeofPCa.ResultsThreedatasets(GSE55945,GSE46602andGSE69223)obtained428,727and1285differentiallyexpressedgenes,respectively.TheVenndiagramshowsthatthethreedatasetscontain105DEGs.Among105PPInetworkscorrespondingtoDEGs,thetop30geneswithMCCscorewereselectedasHubgenes.ThebiologicalprocessesinvolvedmainlyincludethepositiveregulationofproteinkinaseBsignal,celldifferentiation,positiveregulationoftranscription,negativeregulationoftransforminggrowthfactorβreceptorsignalingpathway,positiveregulationofcellmigration,etc.Thepathwaysinvolvedareadhesionplaque,estrogensignalingpathway,etc.ROCcurveresultsshowedthatthediagnosticabilityof9genesin3datasetswasstatisticallysignificant,and9HubgeneswereCAV1,KDR,CAV2,TGFBR1,SLC7A11,GSTM2,GSTM3,GSTM5andMYO6.NineHubgeneswereverifiedbyGEPIAwebsite,amongwhichCAV1,KDR,CAV2,TGFBR1,GSTM2,GSTM3andGSTM5showedlowexpressioninPCa,whileSLC7A11andMYO6showedhighexpressioninPCa.SurvivalanalysissuggestedthathighGSTM5expressionprolongedOSinPCapatients.UALCANresultsshowedthattheexpressionofGSTM5genewassignificantlycorrelatedwithGleasongrade,andtheexpressionofGSTM5genedecreasedwiththeincreaseofGleasonscore.ConclusionHubgenesCAV1,KDR,CAV2,TGFBR1,GSTM2,GSTM3andGSTM5arelowexpressioninPCa,whileSLC7A11andMYO6arehighexpressioninPCa.GSTM5geneisrelatedtothesurvivalrateofPCa.TheexpressionofGSTM5decreasedwiththeincreaseofGleasonscore,whichindicatedthatGSTM5maybeapotentialbiomarkerforPCa.KEYWORDS:GSTM5;prostatecancer;keygene;bioinformatics前列腺癌(prostatecancer,PCa)是一种发生在1.3差异表达基因的韦恩图前列腺上皮细胞的恶性肿瘤,发病率在全球男性恶性肿将从3个数据集得到的不同表达基因导入[1]瘤中排名第二。与欧美国家相比,中国的PCa发病率Venny2.1.0在线工具进行交集分析,并绘制韦恩图。和死亡率虽然较低,但近年来其发病率呈迅速上升趋筛选出的三个数据集中共同表达的基因,即是最终的[1-4]势,已成为负担较重的男性恶性肿瘤之一。差异表达基因(DEGs)。PCa病情隐匿,早期检查往往缺乏典型体征,临1.4蛋白-蛋白交互作用(protein-proteininterac-床上主要依靠前列腺肿瘤标志物(prostatespecifictionsnetwork,PPI)[5]antigen,PSA),但其特异性不高。前列腺活检为将最终筛选的DEGs输入STRING数据库其诊断的金标准,但却是一种侵入性操作,而且增加(https.//string-db.org),调节相关参数构建PPI网络。[6]肿瘤转移的可能性。因此,寻找敏感性高的分子标下载PPItsv文件导入Cytoscape3.8.2软件,利用Cyto-志物,早期发现并及时诊断是目前临床面临的重要问Hubba插件筛选MCC(maximalcliquecentrality)评分前题。本研究主要基于生物信息学方法,探究PCa发30位的基因作为关键基因(Hubgenes,Hub基因)。生发展的分子机制,筛选出可能作为PCa的潜在生1.5Hub基因GO功能富集及通路分析物标志物,为后期临床医学提供科学依据。利用DAVID数据库(https://david.ncifcrf.gov/tools.jsp)对Hub基因进行GO和KEGG通路1材料与方法富集分析,结果以柱状图和圈图形式导出。1.1微阵列数据的获取1.6Hub基因的诊断能力评价在GEO(GeneExpressionOmnibus)数据库以对30个Hub基因采用GraphPadPrism软件绘“prostatecancer”为关键词进行检索并下载制ROC曲线(receiveroperatingcharacteristicGSE55945、GSE46602和GSE69223三个基因芯片curve),以期获得同时在3个数据集中有诊断意义的数据集,检测平台均为GPL570,正常前列腺组织与基因。AUC(areaunderthecurve)值代表ROC下PCa组织中的3个数据集分别包括8例和13例、方的面积,越接近于1,表明诊断效果越好,取值在0.714例和36例、15例和15例。~0.9,诊断有一定的准确性。1.2差异表达基因的筛选1.7Hub基因的验证使用联川生物云平台(https://www.omicstu-利用GEPIA数据库对在3个数据集中均有诊dio.cn/index)中R软件limma包对三个数据集进行断意义的Hub基因进行验证,分析其在PCa及正常分析,筛选正常前列腺与PCa患者的差异表达基因,前列腺组织的相对表达水平,同时在GEPIA进行生标准为P<0.05,FC(FoldChange)≥2。存分析,分析9个Hub基因表达水平对患者的总体本刊网址:http://yxxb.xjtu.edu.cn微信公众号:西安交通大学学报医学版
2102西安交通大学学报(医学版)第44卷生存率(OS)的影响。1.8UALCAN分析为了验证Hub基因的表达与PCa的Gleason分级是否有相关性,利用UALCAN(http://ualcan.path.uab.edu/)进行分析,结果具有明显相关性时,可认为该基因的表达与不同Gleason分级有关,其在临床治疗中也存在意义。2结果2.1差异表达基因的筛选结果以P<0.05,FC≥2为标准进行PCa及正常前列腺组织的差异表达基因筛选,GSE55945共获得428个,其中低表达基因291个(68%),高表达基因137个(32%);GSE46602共获得727个,其中低表达基图2PCa及正常前列腺组织的差异表达基因的蛋白-蛋白因444个(61%),高表达基因283个(39%);作用图谱GSE69223共获得1285个,其中低表达基因840个Fig.2Protein-proteinactionmapofdifferentiallyexpressed(65%),高表达基因445个(35%)。geneforPCaandnormalprostate2.2差异表达基因的韦恩图将3个数据集分析得到的差异表达基因(428个、727个和1285个)导入Venny进行交集分析,通过构建韦恩图,最终得到105个共同DEGs(图1)。图3PCa及正常前列腺组织的差异表达基因中前30位Hub基因Fig.3Top30HubgenesofDEGsforPCaandnormalpros-tate2.4Hub基因的GO及KEGG富集分析结果图1PCa及正常前列腺组织的差异表达基因的韦恩图利用DAVID数据库对30个Hub基因进行GOFig.1Venndiagramofdifferentiallyexpressedgenes和KEGG富集分析,共得到生物过程(BP)条目169个,细胞组成(CC)条目58个,分子功能(MF)条目66个,2.3DEGs的PPI网络及Hub基因筛选按照P<0.0001筛选得到BP条目21个,CC条目15将105个DEGs输入STRING进行蛋白-蛋白作用分析,得到一个包含83个节点,179条边的PPI个,MF条目10个,参与的生物过程主要包括蛋白激网络(图2)。利用CytoHubba插件筛选MCC评分酶B信号的正向调节、细胞分化、转录的正调控、转排名前30位的枢纽蛋白及其所对应的枢纽基因,节化生长因子β受体信号通路负调控、细胞迁移的正向点颜色越深代表该基因的MCC评分越高(图3)。调节等,按基因数取每项富集前10进行柱状图绘制MCC评分见表1。(图4)。本刊网址:http://yxxb.xjtu.edu.cn微信公众号:西安交通大学学报医学版
31期张莹,孙娜,郭亚收,等.GSTM5在前列腺癌中的表达及其对前列腺癌进展的潜在机制103表1PCa及正常前列腺组织的差异表达基因中前30位Hub基因MCC评分Tab.1MCCscoreoftop30HubgenesMCC评分MCC评分排名基因名称排名基因名称/分/分1SRC49816SMAD2342CAV147017NOS3323ITGB124018SMAD7303CSK24018UBC305HSP90AA123220SMAD4296FYN20421PDGFRA247EGFR19322SLC3A216图5Hub基因的KEGG通路分析8ITGA115223SLC7A1112Fig.5KEGGpathwayanalysisofHubgene9KDR14123GSTM2122.5Hub基因的诊断能力10ESR112623GSTM312对3个数据集中的30个Hub基因分别绘制11ESR27223GSTM512ROC曲线,结果显示其中9个基因同时在3个数据12ITGB36627MYO611集中诊断能力有统计学意义。9个Hub基因为:13CD445028BSG1013CAV25029DNM29CAV1、KDR、CAV2、TGFBR1、SLC7A11、GSTM2、15TGFBR14730MYO1C8GSTM3、GSTM5、MYO6,其中GSTM5分别在3个数据集中的散点图和ROC曲线显示,曲线下面积分别为0.8269、0.8135和0.9733,诊断能力均较好(图6)。2.6Hub基因的表达验证GEPIA在线网站包含TCGA数据库中492例PCa组织和152例正常前列腺组织相关信息。9个Hub基因通过GEPIA网站验证显示,其中CAV1、KDR、CAV2、TGFBR1、GSTM2、GSTM3、GSTM5在PCa中呈低表达,而SLC7A11、MYO6在PCa中呈高表达,差异有统计学意义(P<0.05,图7)。同时,在GEPIA网站分析9个Hub基因表达对患者的OS的影响,以Hub基因的相对表达中位值为界,结果显示GSTM5高表达时PCa患者OS延长,差异有统计学意义(P<0.05,图8)。2.7GSTM5的表达与Gleason分级的关系采用UALCAN分析验证GSTM5的表达在PCa临床治疗中的意义,结果显示,GSTM5基因的表达与Gleason分级有明显相关性,并且随着Glea-son评分的增加,GSTM5基因的表达减弱(图9)。3讨论PCa已成为全球性的公共卫生问题,严重威胁着[7]男性的生命和健康。在其发生发展过程中,许多基图4Hub基因的GeneOntology(GO)分析[8]因产物表现出异常的调控功能,因此,积极探索Fig.4GeneOntology(GO)analysisofHubgenesPCa发生发展的差异表达基因,阐释其分子机制,筛选KEGG通路富集分析共富集出54条信号通路,出潜在的生物标志物,对于PCa的早期诊断和及时治按照P<0.0001进行筛选得到9条信号通路,主要疗,减少病患负担具有重要的现实意义。本研究选择了涉及粘着斑、雌激素信号通路等(图5)。GEO公共数据库中3个数据集(GSE55945、GSE46602本刊网址:http://yxxb.xjtu.edu.cn微信公众号:西安交通大学学报医学版
4104西安交通大学学报(医学版)第44卷图6GSTM5基因的散点图和ROC曲线Fig.6ScatterplotandROCcurvesofGSTM5图7前列腺癌及正常前列腺组织中9个Hub基因的表达比较Fig.7Validationofexpressionlevelsof9Hubgenesinprostatecancerandnormalprostatetissue和GSE69223),共获得37例正常前列腺和64例PCa过程主要包括蛋白激酶B信号的正向调节、细胞分组织,得到105个DEGs。进一步运用Cytoscape中化、转录的正调控、转化生长因子β受体信号通路负的CytoHubba插件筛选出前30位作为Hub基因。调控、细胞迁移的正向调节等。蛋白激酶B即Akt,Hub基因的功能富集分析表明,其涉及的生物有研究表明Akt信号通路的活化和过度表达与PCa本刊网址:http://yxxb.xjtu.edu.cn微信公众号:西安交通大学学报医学版
51期张莹,孙娜,郭亚收,等.GSTM5在前列腺癌中的表达及其对前列腺癌进展的潜在机制105TGFBR1、SLC7A11、GSTM2、GSTM3、GSTM5和MYO6共9个基因同时在3个数据集中的诊断能力有统计学意义。9个Hub基因通过GEPIA网站验证显示,其中CAV1、KDR、CAV2、TGFBR1、GSTM2、GSTM3、GSTM5在PCa中呈低表达,而SLC7A11、MYO6在PCa中呈高表达,本研究结果与其一致。通过分析9个Hub基因表达与患者的OS间的关系,除GSTM5基因差异有统计学意义外(P<0.05),其余基因均没有统计学意义,且GSTM5高表达时PCa患者OS延长。采用UALCAN分析进一步验证的结果显示,GSTM5基因的表达与Gleason分级有明显相关性,并且随着Gleason评分的增加,GSTM5基因的表达减弱。谷胱甘肽S-转移酶(GST)是谷胱图8GSTM5表达与OS的关系甘肽代谢信号通路中的关键酶,可通过催化亲核性谷Fig.8TherelationshipbetweenGSTM5expressionandOS胱甘肽与亲电子性的外源性化合物结合,在体内具有解毒作用,并且在细胞炎症反应、细胞凋亡、增殖分化[14-19]中也起着重要作用。当前列腺组织出现癌变,机体GST处于较低水平时,对肿瘤细胞的清除作用较弱,从而可通过表达沉默参与PCa的发生。GSTM5[19]属于GST家族,位于人类1号染色体。有研究结果显示,GSTM5在膀胱癌组织中表达低于正常组织,且GSTM5的过表达降低了细胞增殖和迁移的能[20]力。也有研究者发现GSTM5的高表达与胃癌患者的低OS密切相关,GSTM5表达与黏附、血管生成、凋亡过程、细胞生长、增殖、迁移及TGF-β信号通图9GSTM5表达与Gleason分级的关系[21]路相关。亦有研究表明GSTM5是间质分子标Fig.9TherelationshipbetweenGSTM5expressionand[22]记,可能在乳腺癌和PCa的进展中起关键作用,但Gleason有关其在PCa发展中的具体作用机制研究鲜少。的侵袭和转移密切相关,磷酸化Akt的水平伴随综上所述,本研究通过挖掘高通量GEO芯片数据[9]Gleason分级升高而升高,与PCa的存活率有关。库并对差异基因进行系统分析,发现CAV1、KDR、[10]胡余攀学者研究表明,转化生长因子-β(TGF-β)在CAV2、TGFBR1、GSTM2、GSTM3、GSTM5在PCa中肿瘤的初期表现为抑制作用,在晚期发挥促进作用,呈低表达,而SLC7A11、MYO6在PCa中呈高表达,其并且有研究已证明前列腺基质细胞中TGF-β活性的中GSTM5基因与PCa生存率有关,并随着Gleason评[11]丧失,促进了PCa的发生。KEGG通路分析表明分的增加,GSTM5基因的表达减弱。这提示GSTM5Hub基因主要参与粘着斑、雌激素信号通路等。黏可能是PCa潜在的生物标志物。但由于本研究纳入的着斑信号通路参与细胞与细胞外基质的黏附,调节上样本量存在一定局限性,以后尚需进一步进行临床实验皮间质转化(EMT)和肌动蛋白细胞骨架重塑的过验证,以期为临床提供更为确凿的诊疗依据。程,进而调节细胞的黏附和运动,与肿瘤的侵袭和转[7]参考文献:移密切相关。雌激素受体是前列腺发育的重要受体之一,在细胞中雌激素结合并激活雌激素受体[1]AUCHUSRJ,SHARIFIN.Sexhormonesandprostatecancer[12],干预雌[J].AnnuRevMed,2020,71:33-45.ESR1、ESR2,促进细胞有丝分裂和分化[2]SIEGELRL,MILLERKD,JEMALA.Cancerstatistics,2020激素信号通路调控前列腺上皮细胞以及PCa细胞的[J].CA:Acancerjournalforclinicians,2020,70(1):7-30[13]生长增殖等生物学过程。[3]WONGMCS,GOGGINSWB,WANGHHX,etal.Globalin-通过ROC曲线对3个数据集中的Hub基因诊断cidenceandmortalityforprostatecancer:Analysisoftemporal能力进行评价,结果显示其中CAV1、KDR、CAV2、patternsandtrendsin36countries[J].EurUrol,2016,70(5):本刊网址:http://yxxb.xjtu.edu.cn微信公众号:西安交通大学学报医学版
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