基于數據挖掘對前列腺癌預后有預測價值的差異基因篩選

郝曉明，王玉杰

（新疆醫科大學第一附屬醫院泌尿外科，新疆 烏魯木齊 830054）

前列腺癌（prostate cancer）是泌尿生殖系統較常見的惡性腫瘤，因其早期不易診斷、異質性大、中晚期進展為激素不敏感等特點致使患者預后較差[1]。前列腺癌好發于老年男性，發病率隨著年齡增大而增高。總生存期（overall survival，OS）和無疾病生存期（disease free survival，DFS）是評估腫瘤預后的兩個關鍵指標。諸多因素與腫瘤的預后相關，血清炎性指標、循環腫瘤細胞、中性粒與淋巴細胞比值、mi-RNA 等均可用于前列腺癌預后的評估[2-4]。前列腺癌的發生發展有一定的遺傳基礎，目前已經發現了罕見但高風險的突變（如BRCA2、HOXB13）和低風險但常見的77 個等位基因[5]。從表觀遺傳學的角度來看，如果能在基因層面對前列腺癌的預后進行有效評估，精準的基因干預可能會改善前列腺癌的預后。腫瘤組織中表達差異的基因不一定和預后有關，而與預后有關的基因卻不一定存在差異性表達，這就使得表達無差異的基因較難對腫瘤預后做出有效且精準的預測。新開發的基于比較時間序列轉錄組分析的TimeMeter，能夠通過建立復雜的時間和基因表達關聯進而識別在時間上更先進的差異進展基因[6]。如能篩選出與預后相關的差異基因，則可能在基因層面對前列腺癌的預后進行精準預測。目前有關差異基因和前列腺癌預后的研究較少。為此，本研究通過數據挖掘篩選對前列腺癌OS 及DFS 有預測價值的差異基因，以期對前列腺癌預后有預測價值的基因靶點的選擇提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源 利用GEPIA2 數據庫（該數據庫整合了TCGA 和GTEX）檢索關于前列腺癌的資料。利用“Survival Analysis”子欄“Most Differential Survival Genes ”子欄“Datasets Selection”選擇PRAD（Prostate adencarcinoma）。分別下載前列腺癌OS 有關基因和DFS 有關基因的數據。在“Differential Expression Analysis”子欄“Dataset”中選擇PRAD，分別下載前列腺癌Over-expressed Genes 和Under-expressed Genes 的數據。

1.2 數據組合分析 對下載好的數據進行整理分析。整理后分別得到前列腺癌OS 有關基因、DFS 有關基因、上調基因、下調基因4 組數據。然后對4 組數據進行組合，將上調基因和OS 有關基因、上調基因和DFS 有關基因、下調基因和OS 有關基因、下調基因和DFS 有關基因、上調基因和OS、DFS 有關基因、下調基因和OS、DFS 有關基因組合，組合后提取每組共同基因信息進行分析。利用STRING、ImageGP 在線工具作圖。

2 結果

2.1 差異基因 共篩選出差異基因3005 個，其中上調基因681 個、下調基因2324 個。前列腺癌差異基因熱圖見圖1。

圖1 前列腺癌差異基因表達熱圖

2.2 和OS 有關的差異基因 與OS 有關的基因497 個，從中篩選出差異基因63 個，其中上調基因6 個，UBE2SP2、RP11-627G23.1、RPL7P23、TK1 這4 個基因的上調和前列腺癌較低的OS 有關，提示其可能是促癌基因，而RNA5-8S5 和ELOVL2 高表達前列腺癌的OS 高于低表達，提示RNA5-8S5 和ELOVL2對前列腺癌有抑癌作用。另外，63 個差異基因中下調基因57 個。

2.3 和DFS 有關的差異基因 與DFS 有關的基因499 個，從中篩選出差異基因184 個，其中上調基因9 個：C2、FUCA1、C9orf152 表達上調的前列腺癌患者DFS 較高，提示這3 個基因抑制前列腺癌復發進展，而TK1、CDC20、BIRC5、TOP2A、UBE2SP2、FAM223A 高表達與較低的DFS 有關，提示其在前列腺癌的復發進展中起促進作用。下調基因175 個。前列腺癌差異基因、OS 有關基因、DFS 有關基因的韋恩圖見圖2。對OS、DFS 有預測價值的上調基因見圖3。TK1、CDC20、BIRC5、TOP2A、UBE2SP2、FAM223AC2、FUCA1、C9orf152、RP11-627G23.1、RPL7P23、RNA5-8S5 和ELOVL2 的蛋白互作網絡見圖4。

圖2 前列腺癌上調基因、下調基因、OS 有關基因、DFS 有關基因的韋恩圖

圖3 15 個對OS、DFS 有預測價值的上調基因表達情況

圖4 有預測價值的上調差異基因蛋白互作網絡圖

2.4 和OS、DFS 均有關的差異基因 與OS、DFS 均有關的基因32 個，從中篩選出差異基因15 個，其中上調基因2 個，下調基因13 個；與OS、DFS 均有關且表達上調的2 個基因：UBE2SP2 和TK1。TK1 和UBE2SP2 在前列腺癌中均高表達，且基因相關性分析顯示：UBE2SP2 和TK1 呈正相關（r=0.68，P＜0.05），見圖5。TK1 和UBE2SP2 與前列腺癌OS、DFS 的生存曲線見圖6。可見高表達TK1 的前列腺癌患者OS 和DFS 均低于低表達的前列腺患者，UBE2SP2 高表達的前列腺癌患者OS 和DFS 均低于低表達的前列腺癌患者。

圖5 和OS、DFS 均有關的差異基因表達情況

3 討論

腫瘤組織中上調或下調的差異基因在腫瘤的發生、發展中可能發揮促癌或抑癌的作用進而影響腫瘤的預后。篩選和腫瘤預后有關的差異基因能在基因層面為腫瘤的防治提供一定依據[7]。為探索前列腺癌中對OS 及DFS 有預測價值的差異基因。本研究篩選出差異基因3005 個，與OS 有關的基因497 個，進一步篩選出和OS 有關的差異基因63 個，其中上調基因6 個：UBE2SP2、RP11-627G23.1、RPL7P23、TK1、RNA5-8S5、ELOVL2。UBE2SP2、RP11-627G23.1、RPL7P23、TK1 的上調和前列腺癌較低的OS 有關，提示這4 個基因可能和前列腺癌較差的總體生存有關。TK1 作為dTTP 合成的關鍵酶和細胞周期S 期依賴酶，在腫瘤中高表達且與分期、淋巴轉移等相關，能促進腫瘤細胞的增殖和侵襲，是影響前列腺癌預后的獨立危險因素[8，9]。相似基因是通過計算出的具有同源性和蛋白質結構相似性的基因簇，其生物學功能可能相近。BIRC5、E2F1、MELK 是TK1 的相似基因，在不同的腫瘤中高表達與不良預后有關[10，11]。這也從側面印證了高表達TK1和腫瘤不良預后有關。UBE2SP2 屬于假基因來源的RNA，是一種特殊的由基因組中的假基因轉錄而來的非編碼RNA，在肝癌中顯著高表達提示患者預后不良[12]。本研究顯示，高表達TK1 和UBE2SP2 的前列腺癌患者OS 更差，提示這2 個基因可能對腫瘤發揮促癌作用，與以上報道相符。雖然關于RP11-627G23.1、RPL7P23 在腫瘤中的研究鮮有，但本研究提示其表達上調和前列腺癌總體生存不良有關，據此推測其可能是潛在的預后不良相關基因，這值得后續進一步去探索。另外2 個高表達基因RNA5-8S5、ELOVL2 和前列腺癌較好的OS 有關。ELOVL2 作為哺乳動物微粒體ELOVL 脂肪酸酶家族的一員參與了哺乳動物各種細胞功能所需的極長鏈脂肪酸的延伸，不僅能抑制腫瘤活性而且還能調控AKT、ERa 信號通路中參與耐藥的基因THEM4從而降低乳腺癌的耐藥性[13]。Hu T 等[14]發現ELOVL2 在前列腺癌中不僅高表達而且高表達者有良好的預后，過表達ELOVL2 可以通過上調INPP4B抑制PI3K/Akt 信號通路發揮抑癌作用。而目前有關RNA5-8S5 的報道極少，還需要更多研究去驗證RNA5-8S5 與前列腺癌預后的關系。諸多研究均表明ELOVL2 發揮抑癌作用，本研究顯示高表達的ELOVL2 可能在前列腺癌中起抑癌作用而且與良好的整體生存有關。

本研究發現，與前列腺癌DFS 有關的基因499 個，從中篩選出差異基因184 個，其中上調基因9 個，C2、FUCA1、C9orf152 表達上調的前列腺癌患者DFS較高，而TK1、CDC20、BIRC5、TOP2A、UBE2SP2、FAM223A 高表達與較低的DFS 有關。FUCA1 是糖基水解酶29 蛋白家族中的一員，它能通過調節糖基化發揮抑瘤功能：其編碼的AFU1 夠清除和乳腺癌、甲狀腺癌、結直腸癌等腫瘤有關的糖蛋白末端α-1-聚焦殘基；此外，AFU1 低表達與前列腺癌病理分級高、分期高、術后殘留瘤多、初治效果差、DFS 短相關[15，16]。Wu X 等[17]提出包含C9orf152 在內的9-mRNA 特征能更好的預測前列腺癌無生化復發生存，平均AUC（0.81）高于PSA、GS 或AJCC T 分期的AUC（0.52～0.73）。這與本研究結果一致，提示FUCA1、C9orf152 在前列腺癌中發揮抑癌作用，二者高表達意味著更好的DFS。作為細胞周期檢查點的調節劑CDC20 在膀胱癌和前列腺癌中高表達，而其高表達與復發和不良預后密切相關[18，19]。TOP2A 是一種必需的核酶，其高表達與腫瘤不良預后相關，上調miR-142-5p 靶向調控TOP2A 低表達能抑制前列腺癌細胞的增殖與侵襲能力[20]。Fu M 等[21]等建立免疫相關模型預測前列腺癌風險，BIRC5 作為預測模型中的免疫相關基因在87.5%的前列腺癌組織中上調而且該基因的敲低可以抑制癌細胞增殖和遷移與較好的DFS 有關。另一項研究顯示非小細胞肺癌中表達上調的BIRC5 基因通過影響免疫細胞浸潤水平誘導免疫微環境失衡進而造成不良的臨床預后[22]。這些研究提示CDC20、TOP2A、BIRC5 是前列腺癌的促癌因素且其高表達與患者較差的DFS有關。但UBE2SP2、FAM223A 目前在前列腺癌中的研究極少，其與前列腺癌的預后關系還需進一步明確。

本研究存在一定局限性：數據來自單一數據庫，不同研究之間的異質性無法確定，國外基因信息和國人之間可能存在種族差異，下調差異基因數目較大暫未進行深入分析，可靠性有待更多高質量研究來進一步證實。希望將來能納入更多有關國人前列腺癌差異基因和預后的數據以求更好的探索二者之間的關系。

綜上所述，本研究進一步篩選出對前列腺癌OS可能有預測價值的3 個差異基因：TK1、UBE2SP2、ELOVL2，TK1 和UBE2SP2 在前列腺癌中高表達與不良OS 有關，而ELOVL2 的高表達與較好的OS 有關。RP11-627G23.1、RPL7P23、RNA5-8S5 3 個差異基因在預測前列腺癌OS 方面可能也有一定價值，因缺乏相關研究仍需進一步探索。本研究還篩選出預測前列腺癌DFS 可能有價值的7 個差異基因：FUCA1、C9orf152C2、UBE2SP2、TK1、CDC20、BIRC5、TOP2A，其中FUCA1 和C9orf152C2 在前列腺癌中發揮抑癌作用，二者高表達意味著更好的DFS；TK1、CDC20、BIRC5、UBE2SP2、TOP2A 是前列腺癌的促癌基因，高表達和不良的DFS 有關；C2、FAM223A 和前列腺癌的DFS 可能有關，需進一步研究證實。最后，本研究篩選出預測前列腺癌OS、DFS 可能均有價值的2 個差異基因：UBE2SP2 和TK1。TK1 和UBE2SP2 可能均是前列腺癌的促癌基因，且兩者存在正相關關聯，某個基因的上調通過某種機制促進另一個基因的表達，兩者協同增強促癌作用，其潛在機制值得進一步探索。