代谢基因如何做生信？这篇6分文章思路很简单

今天和大家分享的是2020年1月发表在cancers（IF=6.126）上的一篇文章：“Survival-Associated Metabolic Genes in Human Papillomavirus-Positive Head and Neck Cancers”，作者对TCGA中的RNA-seq数据进行表达差异分析，并通过KM生存分析对7种代谢基因对HPV阳性/阴性的TCGA-头颈部鳞状细胞癌（HNSCC）患者预后影响进行比较，从而成功将HPV阳性/阴性患者之间的代谢基因表达差异定义为一个新的HNSCC预后标志物。

Survival-Associated Metabolic Genes in Human Papillomavirus-Positive Head and Neck Cancers

与人乳头瘤病毒阳性的头颈部鳞状细胞癌预后相关的代谢基因

一、研究背景

HNSCC是常见于口腔、咽部、喉部的恶性肿瘤，而在先前的研究中人乳头瘤病毒（HPV）感染就已经被认定为HNSCC的重要致病因素；HPV阳性（HPV+）与HPV阴性（HPV-）的HNSCC肿瘤有着表观遗传学和蛋白表达谱的差异，其中二者的代谢表型有着显著差异，故本文作者对HPV+/-的HNSCC患者的代谢基因表达差异进行分析，试图发现HNSCC的多种代谢靶点，从而获取有效的抗代谢疗法。

二、分析流程

三、结果解读

1、HPV+/-的HNSCC患者的代谢基因表达差异

  • 图1中作者选取了12中代谢相关的信号通路中的229个代谢基因（补表1）做差异表达分析，图中y轴的正值代表成对比较中前者相对上调的基因比例，负值则相反。图1的结果反映了：与HPV-HNSCC相比，大多数糖酵解基因在HPV+HNSCC中下调；而与三羧酸循环（TCA）、氧化磷酸化、过氧化氢化相关的代谢基因在HPV+HNSCC中上调。

    与此同时，图1中的结果表明：不论HPV+还是HPV-HNSCC的代谢基因表达水平都低于正常对照组，这满足Warburg效应，也就是肿瘤细胞的呼吸率低于正常组织。

补表1.做差异表达分析的基因列表

图1.HPV+/-HNSCC的代谢相关通路中的基因表达差异

2、编码线粒体呼吸链组分的多个基因与HPV+HNSCC的预后关系

  • 作者对229个代谢基因做单因素cox回归分析（Benjamini-Hochberg方法校正FDR，设置阈值为0.1），选出了7个（绿色标记）与HPV+HNSCC患者生存率相关的基因（SDHC、COX7A1、COX16、COX17、ELOVL6、GOT2、SLC16A2），并在接下来的研究中，针对这7个基因表达与HPV+HNSCC预后的关系进行分析。（补表2）

  • 另外，作者利用GO分析对这7个基因进行了富集分析，发现SDHC、COX7A1、COX16、COX17、GOT2与线粒体相关信号通路有关，由于HPV+HNSCC比HPV-HNSCC具有更高水平的氧化磷酸化，而氧化磷酸化过程需要通过线粒体呼吸链复合体进行电子传递，所以与线粒体相关的这5个基因将作为后面的研究重点

补表2.229个代谢基因高/低表达对HPV+/-HNSCC患者的预后影响（仅给出一个sheet的结果）

  • 首先作者对编码线粒体呼吸链复合体II的SDHC进行分析，图2.A箱线图表明SDHC在HNSCC患者中下调，但在HPV+/-HNSCC患者中没有明显差异。

  • 图2.B、C中作者对SDHC高/低表达组患者进行KM生存分析，发现SDHC低表达与HPV+患者生存率提高有关，而与HPV-患者的生存率变化没有明显关联

图2.SDHC表达对HPV+/-HNSCC患者的预后影响

  • 接着作者对编码线粒体呼吸链复合体IV的COX7A1、COX16、COX17进行分析，

  • 图3.A、D、G用箱线图展示了COX7A1、COX16、COX17在HPV+/-HNSCC患者中的表达差异

  • KM生存分析显示：COX7A1（图3.B、C），COX16（图3.E、F），COX17（图3.H、I）低表达均与HPV+HNSCC患者的生存率提高有关，而与HPV-HNSCC患者的生存率变化没有明显关联

图3.COX7A1、COX16、COX17表达对HPV+/-HNSCC患者的预后影响

3、ELOVL6、GOT2、SLC16A2与HPV+HNSCC的预后关系

  • 图4.A、D、G用箱线图展示了ELOVL6、GOT2、SLC16A2在HPV+/-HNSCC患者中的表达差异

  • KM生存分析显示：ELOVL6（图4.B、C），GOT2（图4.E、F），SLC16A2（图4.H、I）低表达均与HPV+HNSCC患者的生存率提高有关，而与HPV-HNSCC患者的生存率变化没有明显关联

图4.ELOVL6、GOT2、SLC16A2表达对HPV+/-HNSCC患者的预后影响

4、对代谢基因预后影响的独立性检验

  • 对7种代谢基因进行了单因素和多因素cox回归，结果如表1:7种代谢基因的HR均小于1，表明它们的低表达与生存率提高相关；而多因素cox的结果则表明COX16、COX17、SLC16A2三种基因对HPV+HNSCC患者预后影响具有独立性（表1）

表1.对7种代谢基因的单因素、多因素cox回归分析结果

  • 作者猜测以上三种对预后影响具有独立性的代谢基因在同时低表达时会对生存率有更明显的影响，于是将三种基因两两组合，进行同时低表达后与同时高表达组进行KM生存分析，发现三种双低表达组的生存率均明显高于双高表达组（图5）

图5.对COX16、COX17、SLC16A2两两一组双高/低表达的KM生存分析

  • 为了让图5的结论更有说服力，作者对COX16、COX17、SLC16A2两两一组分别绘制了它们表达水平的散点图，证明了SLC16A2与其他两基因的表达无显著相关性，进一步说明了这三种基因低表达对预后的改善是相互独立的。（补图2）

补图2.COX16、COX17、SLC16A2两两一组的表达水平散点图

5、针对代谢基因的抗癌药物分析

  • 先前研究中已经发现一些酪氨酸激酶抑制剂（TKI）对SLC16A2具有抑制作用，通过TKI对SLC16A2的抑制作用，可以抑制SLC16A2介导的甲状腺激素跨膜运输，从而抑制ATP在HPV+HNSCC中的产生，达到改善HPV+HNSCC的目的，于是作者将几种TKI分别应用于HPV+（6株）和HPV-（21株）细胞株，绘制药物B-score的箱线图，发现达沙替尼（dasatinib）对HPV+细胞株具有明显的细胞毒性，而对HPV-没有细胞毒性。（补图2）

    这一结果进一步证实了HPV+HNSCC与HPV-HNSCC是两种不同的肿瘤实体

补图2.几种TKI对HPV+/-HNSCC患者作用

小结

本文中作者利用单因素、多因素cox和KM生存分析等途径对7种代谢相关基因对HPV阳性的HNSCC患者的预后价值进行了详细分析，证明了下调肿瘤细胞代谢有利于提高患者预后生存率，且7种代谢基因的抑制剂可能成为HPV+HNSCC的新型治疗药物；同时强化了HPV+与HPV-HNSCC是两种不同的肿瘤实体这一结论。

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