TOP2A在肺腺癌中的表達及相關免疫機制

徐健 楊琦 吳翠暉 段鴻露

肺癌是最常見的惡性腫瘤之一，已成為全球癌癥相關性死亡的主要原因[1]。2018年，全球新增肺癌病例約210萬，相關死亡病例約180萬[2]。肺腺癌（lung adenocarcinoma,LUAD）是肺癌最常見類型，約占肺癌總病例的40%[3]。盡管早期診斷和治療取得了顯著進展，但5年相對總生存率低于20%[4]。免疫療法被譽為LUAD的創新治療策略。但有限的臨床療效、缺乏有效的預測生物標志物等因素限制了其更廣泛的臨床應用。有研究報道：腫瘤浸潤淋巴細胞、中性粒細胞等與腫瘤免疫治療的療效和預后密切相關[5-6]。因此，明確腫瘤-免疫相互作用的免疫表型，尋找新的LUAD免疫治療靶點非常迫切。拓撲異構酶2-α（topoisomeraseⅡalpha,TOP2A）是一種控制DNA拓撲變化、染色體分離、冷凝和染色體形成的酶。研究發現：TOP2A已成為阿霉素、依托泊苷等化療藥物的主要靶點[7-8]，但其抑制和殺傷細胞的確切機制尚不明確[9]。TOP2A在腎上腺皮質癌、鼻咽癌等多種癌組織中高表達，本研究利用多種生物信息學工具對TOP2A進行多角度分析，以期探明其在LUAD中的表達及其對腫瘤轉移等作用的內在機制，為LUAD患者的預后生物標志物和新的潛在生物靶點候選提供參考。

1 材料和方法

1.1 Oncomine[10]數據庫及檢測指標 利用Oncomine數據庫（http://www.oncomine.org）檢測不同類型癌組織與正常組織中TOP2A表達差異。

1.2 GEPIA[11]數據庫及檢測指標 利用GEPIA數據庫（http://gepia.cancer-pku.cn/）檢測TOP2A在LUAD中的表達水平。

1.3 GEO[12]數據庫及檢測指標 利用GEO數據庫（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/）中 GSE31210數據集分析TOP2A在LUAD中的表達水平。

1.4 Ualcan[13]數據庫及檢測指標 利用Ualcan數據庫（http://ualcan.path.uab.edu/analysis.html）提供的基因表達和生存曲線的圖表，分析LUAD不同臨床病理特征中TOP2A表達差異。

1.5 Kaplan-Meier Plotter[14]數據庫及檢測指標 將患者樣本中TOP2A按中位表達分為兩組（高表達和低表達），利用Kaplan-Meier生存曲線（https://kmplot.com/analysis/index.php）評估TOP2A表達對LUAD預后的影響。

1.6 HPA[15]數據庫及檢測指標 利用HPA數據庫（http://www.proteinatlas.org/）分析TOP2A在LUAD組織和正常組織中的蛋白表達差異。

1.7 cBioPortal[16]數據庫及檢測指標 利用cBioPortal數據庫（http://www.cbioportal.org/）獲取TOP2A突變信息及其對LUAD預后的影響。

1.8 TIMER[17]數據庫及檢測指標 利用TIMER數據庫（https://cistrome.shinyapps.io/timer/）分析TOP2A在不同類型癌組織中的表達，分析LUAD中TOP2A表達與免疫細胞（B細胞、CD4+T細胞、CD8+T細胞、中性粒細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞）浸潤的相關性。

1.9 TISIDB[18]數據庫及檢測指標 利用TISIDB數據庫（http://cis.hku.hk/TISIDB/）分析TOP2A的表達與趨化因子和免疫檢查點調節劑基因表達的關系，以|r|作為確定TOP2A表達對免疫系統影響的標準，|r|為相關系數絕對值。|r|＞0.1認為TOP2A表達對免疫系統有影響；按照|r|大小排序，選取排序前6個基因。

1.10 統計學處理 Oncomine、GEPIA、GEO、Ualcan、HPA、cBioPortal、TIMER和TISIDB等數據庫分析通過在線工具進行，P＜0.05為差異有統計學意義。利用Kaplan-Meier Plotter工具生成生存曲線，采用HR、95%CI和log-rankP值描述結果；采用Spearman秩相關分析評估基因表達與免疫細胞浸潤水平、趨化因子和免疫檢查點調節劑基因的相關性，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 TOP2A在不同類型癌組織中的表達 Oncomine和TIMER數據庫對TOP2A在不同癌組織及正常組織中表達的分析結果表明：相比正常組織，TOP2A在肺癌、膀胱癌、乳腺癌、膽管癌等多種癌組織中高表達（均P＜0.05）。見圖1。

圖1 TOP2A在不同類型癌組織中的表達（a：Oncomine數據庫；b：TIMER數據庫）

2.2 不同數據庫中TOP2A在LUAD中和正常組織中的表達差異 Oncomine數據庫顯示：有9個研究發現TOP2A在LUAD中表達上調。對各數據集的合并分析顯示：TOP2A的表達中位數為30（P＜0.05）。Ualcan、GEPIA及GEO數據庫顯示：與正常組織相比，TOP2A在LUAD中顯著過表達（均P＜0.05）。見圖2。

圖2 TOP2A在LUAD和正常組織中的表達（a：Oncomine數據庫；b：Ualcan數據庫；c：GEPIA數據庫；d：GEO數據庫）

2.3 TOP2A在不同臨床病理特征LUAD中的表達差異 Ualcan數據庫分析發現：與正常組相比，LUAD患者TOP2A在不同人種、性別、年齡、吸煙史等臨床病理特征中的表達差異均有統計學意義（均P＜0.05）。具體表現為：男性LUAD患者TOP2A表達高于女性患者，吸煙LUAD患者高于非吸煙者或戒煙者，戒煙＞15年患者TOP2A高于戒煙＜15年者。對不同LUAD臨床分期和淋巴結轉移情況患者TOP2A表達差異的分析顯示：與正常組相比，各臨床分期和淋巴結轉移組表達差異均有統計學意義（均P＜0.05），各臨床分期之間TOP2A表達差異無統計學意義，但N3期TOP2A表達高于N0期及N1期，差異有統計學意義（P＜0.05）。見圖3。

圖3 TOP2A在LUAD不同臨床病理特征中的表達（a：不同年齡；b：不同性別；c：不同種族；d：不同吸煙習慣；e：不同分期；f：不同淋巴結轉移情況）

2.4 TOP2A過表達對LUAD患者總生存的影響 TOP2A過表達與LUAD患者總生存率的下降顯著相關（均P＜0.05），與不同性別患者生存率低顯著相關（均P＜0.05），但與不同吸煙習慣人群生存率均無顯著相關性（均P＞0.05）。見圖4。

圖4 TOP2A表達對LUAD生存率的影響（a：總生存率；b：男性患者生存率；c：女性患者生存率；d：吸煙患者生存率；e：不吸煙患者生存率）

2.5 TOP2A蛋白在LUAD中的表達 HPA數據庫顯示：和正常組織相比，LUAD中TOP2A蛋白表達明顯升高。見圖5。

圖5 TOP2A蛋白在LUAD中的表達（a和b：正常肺組織；c和d：LUAD組織）

2.6 TOP2A在LUAD中的突變情況 TOP2A在LUAD患者中的基因突變率達2.6%；TOP2A突變組中，縫隙連接蛋白δ3（gap junction protein delta 3,GJD3）、胰島素樣生長因子結合蛋白4（insulin like growth factor binding protein 4,IGFBP4）、細胞分裂周期 6（cell divi-sion cycle 6,CDC6）、細胞周期蛋白依賴性激酶12（cyclin dependent kinase 12,CDK12）、鐵硫簇結合結構域蛋白 3（CDGSH iron sulfur domain 3,CISD3）、DExD-box解旋酶 52（DExD-box helicase 52,DDX52）、延長蛋白BC和多梳抑制復合體2相關蛋白（elongin BC and polycomb repressive complex 2 associated protein,EPOP）、焦孔素A（gasdermin A,GSDMA）、IKAROS家族鋅指蛋白3（IKAROS family zinc finger 3,IKZF3）、LIM和SH3蛋白1（LIM And SH3 protein 1,LASP1）等基因也存在突變。TOP2A基因突變能明顯降低患者總生存率，差異有統計學意義（P＜0.05）。見圖6。

圖6 TOP2A基因在LUAD中的突變情況（a：TOP2A突變率；b：TOP2A共同突變基因；c：TOP2A突變對生存率的影響）

2.7 TOP2A表達與免疫細胞浸潤的關系 TOP2A表達與 B細胞浸潤呈負相關（r=-0.104，P＜0.05），與CD8+T細胞浸潤和中性粒細胞浸潤均呈正相關（r=0.110，0.165，均P＜0.05）。見圖7。

圖7 LUAD中TOP2A表達與免疫細胞浸潤的相關性

2.8 TOP2A表達與趨化因子和免疫檢查點調節劑基因的相關性 TOP2A與趨化因子7（C-C motif chemokine ligand 7,CCL7）、CCL26、C-X-C基序趨化因子配體10（C-X-C motif chemokine ligand 10,CXCL10）等趨化因子正相關（均P＜0.05），與CCL14、CXCL16、CCL17等均呈負相關（均P＜0.05）。見圖8（插頁）。TOP2A顯著相關免疫檢查點調節劑包括免疫增強性和免疫抑制性。TOP2A與CD40配體（CD40 ligand,CD40LG）、IL-6受體（interleukin 6 receptor,IL-6R）、跨膜蛋白173（transmembrane protein 173,TMEM173）、腫瘤壞死因子受體超家族成員14（TNF receptor superfamily member 14,TNFRSF14）、TNFSF13等免疫增強劑基因呈負相關，與脊髓灰質炎病毒受體（poliovirus receptor,PVR）基因呈正相關。見圖9（插頁）。TOP2A與腺苷A2a受體（adenosine receptor A2a,ADORA2A）、B和T淋巴細胞相關蛋白（B-and T-lymphocyte-associated protein,BTLA）、半乳糖凝集素9（galectin 9,LGALS9）、轉化生長因子 Beta 1（transforming growth factor Beta 1,TGFB1）等免疫抑制劑基因呈負相關，與表面抗原分化簇274（cluster of differentiation 274,CD274）分子、淋巴細胞激活物3（lymphocyteactivating 3,LAG3）等基因呈正相關。見圖10（插頁）。

圖8 LUAD中TOP2A表達與趨化因子的相關性（a：CXCL10；b：CCL26；c：CCL7；d：CCL14；e：CXCL16；f：CCL17）

圖9 LUAD中TOP2A與免疫刺激劑基因的相關性（a：TNFSF13；b：TMEM173；c：CD40LG；d：TNFRSF14；e：IL6R；f：PVR）

圖10 LUAD中TOP2A與免疫抑制劑基因的相關性（a：LAG3；b：CD274；c：LGALS9；d：TGFB1；e：ADORA2A；f：BTLA）

3 討論

TOP2A在轉錄過程中調控DNA的拓撲狀態，參與染色體凝聚和染色單體的分離。在多種癌癥中，TOP2A表達水平升高提示預后較差[7，19]。肺癌是致死率第一的惡性腫瘤，其存活時間很大程度上取決于診斷時的階段。然而，40%～60%的肺癌患者直到晚期才被診斷出來[20]。因此很有必要尋找肺癌新的標志物，力爭早期診斷，提高患者生存率。TOP2A表達和功能在LUAD中報道相對較少，其潛在作用機制仍不明確。

本研究通過查詢Oncomine數據庫發現：TOP2A在大部分癌組織中表達均增高，可能是共同的腫瘤標志物。對Ualcan、GEPIA、GEO等數據庫的單個研究和Oncomine多個研究合并分析均證實：TOP2A在LUAD中表達高于正常對照組?？梢奣OP2A的表達具有較高的敏感度，有望成為LUAD新的生物標志物。Zeng等[19]研究發現：TOP2A與膀胱移行細胞癌臨床病理特征相關。本研究通過Ualcan數據庫查詢發現：LUAD中的TOP2A表達水平與臨床病理特征（如年齡、種族、性別、吸煙、疾病分期、淋巴結轉移）密切相關。由此推斷，TOP2A可作為LUAD病情評估的生物標志物。

本研究發現：相比低表達的LUAD患者，TOP2A高表達的患者總生存率下降；提示TOP2A高表達與總生存率降低相關，由此推測TOP2A可作為LUAD的預后標志物。與Kou等[21]認為TOP2A在LUAD中起重要作用、可作為預后指標和治療靶點的觀點一致。利用HPA數據庫對TOP2A蛋白表達進行驗證，結果顯示：LUAD中TOP2A蛋白表達水平和基因一致。

基因突變在癌癥的發生和進展中起著關鍵作用[22-23]。本研究發現：TOP2A在LUAD中存在基因突變，突變組LUAD生存率明顯降低。TOP2A突變時伴有GJD3、IGFBP4、CDC6等基因共同突變，上述突變基因可能和突變的TOP2A共同促進LUAD發展。

機體免疫功能在腫瘤發生、發展中起重要作用，腫瘤的免疫治療和臨床結果依賴于免疫細胞浸潤。對TOP2A與免疫細胞浸潤的相關性分析發現：TOP2A的表達與免疫細胞浸潤密切相關，這可能是TOP2A影響預后的機制。提示TOP2A可作為潛在的診斷和預后生物標志物，并可作為新的免疫相關治療靶點。Chen等[24]認為TOP2A是LUAD預后的關鍵標志物，可能成為免疫治療的靶點，與本研究觀點一致。

趨化因子通過介導免疫細胞浸潤，調節腫瘤免疫和腫瘤生物學表型[25]。本研究發現：TOP2A表達與CCL7、CCL14、CXCL16等趨化因子相關。血清CXCL16是判斷非小細胞肺癌療效的潛在生物標志物，通過調控NF-κB通路促進肺癌的生長和轉移[26]。由此可推測TOP2A可能通過免疫反應影響LUAD的生物學行為，如免疫細胞的浸潤和趨化因子的表達。

腫瘤微環境由包括免疫檢查點在內的多種因素參與。免疫檢查點表達異?？赡軐е履[瘤的發生、發展，促進腫瘤免疫逃逸。對TOP2A和不同免疫檢查點調節劑基因關系的研究發現：不同種類的免疫檢查點調節劑基因，如CD40LG、PVR、ADORA2A、CD274等與TOP2A表達相關，可能參與了TOP2A在LUAD中的生物過程，提示TOP2A可能通過調節免疫檢查點來影響腫瘤生物學。

綜上所述，TOP2A是LUAD重要的調節因子，可能在免疫細胞浸潤中發揮重要作用，可作為預后的生物標志物，也可能是LUAD治療的重要靶點。但由于在線數據庫的局限性、數據庫樣本容量不同導致的結果偏差在所難免；同時研究是基于不同在線數據庫分析而來，可能存在選擇性偏倚。后續需要更深入的實驗和臨床試驗來驗證TOP2A在LUAD中的價值。