纯生信4+骨形成蛋白家族表达谱与胃癌预后

Deregulated bone morphogenetic proteins and their receptors are associated with disease progression of gastric cancer

骨形成蛋白家族基因表达下调与胃癌预后相关

一.研究背景

  • 胃癌(gastric cancer,GC)是常见的胃肠恶性肿瘤之一，也是在全世界肿瘤相关的死亡的第二大原因。迄今为止，GC患者的预后极差，五年生存率只有25-30%，像是针对表皮生长因子受体的治疗效果也很差。因此，需要更进一步了解胃癌发生的分子机制，寻找新的分子标志用于个性化治疗过程中。本篇文章通过分析骨形成蛋白及其受体基因在胃癌组织中的mRNA表达量以及和一些表型的相关性，发现了一些与胃癌进展相关的分子，对进一步了解胃癌的发生发展机制和提出创新的治疗方法有重要意义。

  • 骨形成蛋白(Bone morphogenetic proteins ,BMPs)属于TGF-β超家族的一员。BMPs的受体包括BMPR-I(ACVRL1,ACVR1, BMPR1A, ACVR1B, TGFBR1, BMPR1B, ACVR1C,也称作ALK1-7)和BMPRⅡ（TGFBR2, TGFBR3, BMPR2, ANCR2A ，ANCR2B）。BMPs和受体的结合可以诱导间质细胞的分化，形成软骨和骨组织.BMPs在不同组织或器官的形成过程中起到重要作用，也有研究发现BMPs也参与到了许多肿瘤的形成过程中。

二.分析流程

三.结果解读

1.BMPs及其受体在人胃癌组织中异常表达

作者先在TCGA-STAD胃癌病人队列中分析274个胃癌病人的RNA-seq数据，比较胃癌组织中各个BMPs/BMPRs的mRNA表达量，数据标准化后以箱线图的形式展示(图1.A, B)，并探究癌组织和正常组织(n=33)中的BMPs及其受体是否有显著的差异表达(图1.A, D)。此外还用了GEO数据库中的GSE33335(25对配对的癌组织和正常组织芯片数据)和GSE27342(80对配对样本数据)数据进一步验证差异表达的存在(图1.A,C)。可以看到BMP3，BMP5在胃癌组织低表达；和正常组织比，其在癌组织内表达显著降低。而BMPs的受体ACVRL1、ACVR1、TGFBR1和BMPR2(涵盖了两种类型的BMPs受体)在胃癌组织中表达显著升高。

图1.BMPs/BMPRs在胃癌组织中异常表达

2.胃癌组织中BMPs/BMPRs的异常表达对疾病的进展和预后有影响

验证完表达差异后，作者利用LinkedOmics在线分析网站进一步研究了TCGA-STAD队列中BMPs/BMPRs的表达在不同分级的胃癌病人中是否有差异以及与病人预后是否有关。图2.A-B展示了TCGA-STAD队列中274个病人BMPs/BMPRs的表达量在不同肿瘤分期(T1-4)，以及有无淋巴结转移(N+/-)的病人中是否有差异。可以看到BMPs/BMPRs在肿瘤晚期的病人癌组织中高表达；BMP受体ACVR1, TGFBR1, TGFBR2和BMPR2基因mRNA表达量在发生了淋巴结转移(N+)的病人癌组织中高表达(虽然表达差异不大，但都是统计显著的即p<0.05)。TCGA-STAD队列的生存分析结果在表1中，median指中位表达值，cut off是截取值(自动选择，以此区分高低表达组)，对高低表达组的中位生存期进行比较。

表1.TCGA-STAD队列的生存分析结果

再使用在线的KM plotter网站对其数据库中胃癌病人根据BMPs/BMPRs的mRNA表达量进行生存分析，自动选取cut-off值将病人分为高低表达组(图2.C)。BMP3，TGFBR1，BMPR1B，TGFBR2，BMPR2的高表达与更差的预后相关(这里ACVR1不显著)。结果与上文TCGA-STAD队列的生存分析一致。

图2.BMP/BMPR的差异表达与胃癌的进展及预后的关系

3.胃癌组织中BMPs/BMPRs的表达与肿瘤生长相关

作者这里以MKI67和PCNA这两个与细胞增殖正相关的分子的mRNA表达量象征细胞增殖这一表型，对BMPs及其受体的表达和MKI67，PCNA两分子在胃癌病人中的表达做相关性分析，这里计算的是Pearson相关系数，并用热图和散点图展示(图3)。可以看出BMP3，BMP5，ACVRL1，TGFBR1，TGFBR2和TGFBR3与细胞增殖呈负相关(作者用红框圈出，绿色表示负相关，程度与颜色深度正比)。

图3.GC中BMPs/BMPRs与肿瘤生长的相关性

之后作者又分析了BMPs/BMPRs和细胞周期促进因子(CCNA2，CCNB1，CCNB2，CCNE2，CDK1，CDK3等)以及抑制因子(CDKN2B，CDKN1C)的表达相关性，同样以热图和散点图展示(图4)。可以看出BMPs及其受体与细胞周期促进因子表达呈负相关(图中已圈出)，与抑制因子表达呈正相关。综上，论证了BMPs/BMPRs表达可以抑制肿瘤生长。

图4.BMPs/BMPRs的表达与细胞周期调控因子的关系

4.胃癌组织中BMPs/BMPRs与胃癌侵袭转移相关

因为低分化，干性，侵袭能力，发生上皮间质转化EMT是癌细胞的特征，作者想进一步探究BMPs/BMPRs和这些表型的关系。这里分析了BMPs/BMPRs和EMT相关基因(SNAI1，SNAI2，TWIST1)，基质金属蛋白酶基因MMP以及细胞干性标志基因(CD34，CD44，CD133)之间的表达相关性，同样以热图和散点图展示(图5-6)。大多BMPs/BMPRs都和这些表型相关分子呈现正相关性，相关性较强的分子再热图中被圈出。

图5.BMPs/BMPRs基因表达与MMPs的相关性

图6.BMPs/BMPRs与EMT和干性的相关性

5.胃癌组织中BMPs/BMPRs与肿瘤血管新生相关

肿瘤血管新生在消化系统的癌症中是个促进肿瘤发展的因素。作者分别在TCGA-STAD和GSE84433 (n=357)两个队列中对BMPs/BMPRs和血管新生相关基因的表达进行相关性分析(图7.A)，发现大多分子与血管新生相关基因的表达呈正相关。对两个数据集中的呈正相关的基因取交集(图7.B)，留下了基因AACVR1，TGFBR1, BMPR1B，TGFBR2，TGFBR3，BMPR2和BMP3。之后研究这八个与血管新生呈正相关的基因的mRNA总表达量与胃癌病人临床的肿瘤TMN分期的关系(图7C-E)，八个基因总表达量除了在TCGA队列中与肿瘤大小(T)显著相关外，其余都无统计学意义(p>0.05)。之后分别根据两个数据集中这八个与血管新生呈正相关的基因mRNA总表达量，对病人的预后情况做生存分析(图7.F)，高的总表达量预示着病人更差的预后。

图7.BMPs/BMPRs与血管新生的相关性

6.胃癌组织中BMPs/BMPRs与淋巴管新生和淋巴结转移相关

因为淋巴管新生可以促进癌细胞的转移，在肿瘤转移中起到重要作用。作者分别在TCGA-STAD和GSE84433两个队列中对BMPs/BMPRs和淋巴管新生相关基因的表达进行相关性分析(图8.A)，发现CVRL1，TGFBR2，TGFBR3，BMPR2，TGFBR1，ACVR1，BMP6和BMP4这八个基因在两个队列中都与淋巴管新生因子呈正相关(图8.B)。并对前五个基因的mRNA总表达量和胃癌病人临床的TMN肿瘤分期的关系进行分析(图8.C-E)，在两个队列中总表达量在淋巴结转移的病人中都显著上升(p<0.05)。最后分别根据两个队列中这5个与淋巴管新生呈正相关的基因mRNA总表达量，对病人的预后情况做生存分析(图8.F)，但结果并不显著，这几个基因的mRNA总表达量无法预测胃癌患者预后(p>0.05)。

图8.BMPs/BMPRs与胃癌淋巴管新生的相关性

该篇文章从主变量BMPs/BMPRs入手，利用TCGA-STAD和GSE84433两个队列的胃癌病人mRNA表达数据，先论证胃癌组织中BMPs/BMPRs基因mRNA表达量有差异，再通过研究这些基因和表型相关基因的相关性来确定BMPs/BMPRs和多种癌症表型的关系，再加上常见的预后分析，就完成了该篇文章的论证。看似图表很多，其实都是探究主变量和多个表型间关系的重复工作，值得我们借鉴。好啦，今天的分享就告一段落了，期待我们下一次的见面，您的关注就是我不断前进的动力。

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编辑：炒年糕

校审：糯米饭

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