基于生物信息學分析COL1A1在腦膠質瘤中的表達及臨床意義

【摘要】 目的 研究COL1A1基因在腦膠質瘤中的表達情況并分析該基因與腦膠質瘤患者臨床特征及預后的關系，同時探究COL1A1的免疫抑制靶點，為今后腦膠質瘤免疫治療研究提供理論基礎。

方法 從中國膠質瘤基因組圖譜（CGGA）、癌癥和腫瘤基因圖譜（TCGA）官方數(shù)據(jù)庫中下載腦膠質瘤的基因表達譜與臨床資料數(shù)據(jù)。使用GraphPad Prism 9軟件分析COL1A1與腦膠質瘤分期關系。使用R4.1.2軟件及R Studio軟件繪制Pheatmap、Heatmap、Ggplot2、Circos圖分析COL1A1的表達與腦膠質瘤患者臨床信息、預后以及免疫抑制靶點的關系。使用GO、KEGG富集分析研究COL1A1基因功能。使用GSVA富集方法分析腦膠質瘤中特定基因集的富集分數(shù)。使用STRING 數(shù)據(jù)庫分析與COL1A1基因相互作用的基因網(wǎng)格數(shù)。

結果 WHO Ⅲ期患者的COL1A1基因表達量顯著高于WHO Ⅰ期和WHO Ⅱ期的患者，差異均有統(tǒng)計學意義（DataSetmRNAseq_325，P＜0.0001；DataSetmRNAseq_693，P=0.0018）。隨著COL1A1表達升高，Non-codel 1P19q、Wildtype IDH、un-methylated MGMT等膠質瘤特異性標志物的表達也更密集。Heatmap生存分析圖顯示，高表達COL1A1基因的患者總體生存率低于低表達患者。GO分析與KEGG分析結果顯示，COL1A1基因可能通過細胞胞外區(qū)（extracellular region）、內質網(wǎng)內腔（endoplasmic reticulum lumen）、細胞外間隙（extracellular space）、細胞外基質結構成分（extracellular matrix structural constituent）、細胞膠原結合（collagen binding）、整合素結合蛋白（integrin binding）發(fā)揮其生物學功能。GSVA富集分析結果符合GO、KEGG分析結果，COL1A1基因表達與上述基因功能呈正相關。Circos圖提示，與腦膠質瘤最密切的免疫檢查點是信號調節(jié)蛋白（SIRP）。STRING 數(shù)據(jù)庫結果顯示，與COL1A1基因相互作用的基因共有10個。

結論 COL1A1基因與腦膠質瘤分期密切相關，與患者預后、疾病的惡性進展特征有關，可作為膠質瘤潛在的分子標志物。

【關鍵詞】 腦膠質瘤；COL1A1基因；生存預后

中圖分類號：R739.41"" 文獻標志碼：A"" DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2024.04.002

Expression and clinical significance of COL1A1 in cerebral gloma based on bioinformatics analysis

ZENG Yeminxiao1， 2， CAI Chenglong1， 2，" LU Lu1▲

（1. Department of Arthrology and Elderly Orthopedics， Affiliated Hospital of Youjiang Medical

University for Nationalities， Baise 533000， Guangxi， China; 2. Graduate School， Youjiang

Medical University for Nationalities， Baise 533000， Guangxi， China）

【Abstract】 Objective To study the expression of COL1A1 gene in brain glioma， analyze relationship between COL1A1 gene and clinical characteristics and prognosis of patients with brain glioma， and explore the immunosuppressive target of COL1A1， so as to provide theoretical basis for future researches on immunotherapy of brain glioma.

Methods The gene expression profile and clinical data of brain glioma were downloaded from the official database of Chinese glioma genome atlas （CGGA） and the cancer genome atlas （TCGA）. Graph Pad Prism 9 software was used to analyze the relationship between COL1A1 and brain glioma staging. R4.1.2 software and R Studio software were used to draw Pheatmap， Heatmap， Ggplot2 and Circos diagrams to analyze the relationship between COL1A1 expression and clinical information， prognosis of patients with glioma and" the immunosuppressive targets. The function of COL1A1 gene was analyzed by GO and KEGG. GSVA enrichment method was used to analyze the number of gene grids interacting with COL1A1 gene.

Results The expression levels of COL1A1 gene in WHO stage Ⅲ patients were significantly higher than those in WHO stage Ⅰ and WHO stage Ⅱ patients， and differences were statistically significant （Dataset mRNAseq_325， Plt;0.0001; Dataset mRNAseq_693， P=0.0018）. With the increase of COL1A1 expression， the expressions of glioma specific markers such as Non-codel 1P19q， Wildtype IDH， and un-methylated MGMT were also more intensive. Heatmap survival analysis chart showed that patients with high expression of the COL1A1 gene had a lower overall survival rate than those with low expression. The results of GO analysis and KEGG analysis showed that the COL1A1 gene might exert its biological functions through extracellular regions， endoplasmic reticulum lumens， extracellular spaces， extracellular matrix structural components， collagen binding， and integrin binding proteins. The GSVA enrichment analysis results were consistent with the GO and KEGG analysis results， and the expression of COL1A1 gene was positively correlated with the above-mentioned gene functions. Circos plot suggested that the immune checkpoint most closely associated with glioma was the signal regulatory protein （SIRP）. STRING database results showed that there were a total of 10 genes interacting with COL1A1 gene.

Conclusion COL1A1 gene is closely related to the stage of glioma， the prognosis of patients and the characteristics of malignant progression of the disease， and can be used as a potential molecular marker of glioma.

【Keywords】 brain glioma; COL1A1 gene; survival prognosis

COL1A1基因（collagen type Ⅰ alpha 1，α1-Ⅰ型膠原基因）位于第17號染色體的q21.31-q22位置，可以編碼由1464個氨基酸殘基組成的蛋白，其主要功能是參與構建Ⅰ型膠原。而Ⅰ型膠原是細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的主要成分之一［1］。COL1A1是一種致癌基因，主要通過ECM影響腫瘤的發(fā)生、發(fā)展［2］。COL1A1基因被發(fā)現(xiàn)在胰腺癌［3］、鼻咽癌［4］、腎癌［5］及食管鱗癌［6］等多種腫瘤中基因表達高并且發(fā)揮了重要的作用。腦膠質瘤（brain" glioma）是一種常見的原發(fā)性腦神經(jīng)膠質細胞的惡性腫瘤，占所有原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的40％～60％，年發(fā)病率為（3～8）/10萬［7］。而目前對于COL1A1在腦膠質瘤中的作用卻少有研究，因此，本研究通過分析中國膠質瘤基因組圖譜（Chinese glioma genome atlas， CGGA）數(shù)據(jù)庫中腦膠質瘤的基因表達與患者臨床數(shù)據(jù)，利用生物信息學的方法，探究COL1A1基因在腦膠質瘤中的臨床意義和疾病預后價值，以及COL1A1在腦膠質瘤中的免疫抑制靶點，旨在為今后腦膠質瘤診療提供新的研究思路。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)下載與處理

從CGGA官方數(shù)據(jù)庫（http：//www.cgga.org.cn/download.jsp）下載腦膠質瘤基因表達數(shù)據(jù)以及臨床數(shù)據(jù)（DataSetmRNAseq_693、DataSetmRNAseq_325）。患者臨床數(shù)據(jù)包括腫瘤是否復發(fā)、腫瘤分期、性別、年齡、生存時間、生存狀態(tài)、是否接受放化療以及1p19q、IDH、MGMT表型情況等。CGGA共下載1018例患者信息。將患者COL1A1基因表達數(shù)據(jù)與臨床數(shù)據(jù)合并，用于后續(xù)Graph Pad Prism9以及R4.2.1分析。

1.2 COL1A1基因在腦膠質瘤中的表達與臨床特征的分析

根據(jù)從CGGA、癌癥和腫瘤基因圖譜（the cancer genome atlas， TCGA）下載的腦膠質瘤基因數(shù)據(jù)與臨床數(shù)據(jù)，運用R4.2.1軟件分析COL1A1在腦膠質瘤組織中的表達與臨床特征如年齡、性別、腫瘤分期、腫瘤特征分子等的關系。

1.3 COL1A1基因表達與腦膠質瘤患者生存預后的分析

根據(jù)腦膠質瘤患者的生存天數(shù)、生存狀態(tài)等生存數(shù)據(jù)，運用R4.2.1軟件分析COL1A1基因的表達高低與上述生存數(shù)據(jù)的差異。

1.4 基因富集分析

從baderlab網(wǎng)站（http：//download.baderlab.org/EM_Genesets/current_release/Human/symbol \"HYPERLINK \"http：//download.baderlab.org/EM_Genesets/current_release/Human/symbol/\" HYPERLINK \"http：//download.baderlab.org/EM_Genesets/current_release/Human/symbol/\" HYPERLINK \"http：//download.baderlab.org/EM_Genesets/current_release/Human/symbol/\"/）下載人類的genelist基因集，包括GO（Human_GO_AllPathways_with_GO_iea_January_01_2023_symbol）及KEGG（Human_KEGG_January_01_2023_symbol.gmt ）基因集。通過之前的GO分析與KEGG分析可知COL1A1基因與細胞胞外區(qū)（extracellular region）、內質網(wǎng)內腔（endoplasmic reticulum lumen）、細胞外間隙（extracellular space）、細胞外基質結構成分（extracellular matrix structural constituent）、細胞膠原結合（collagen binding）、整合素結合蛋白（integrin binding）等基因功能有關。將基因集中與上述基因功能有關的基因表達整合，使用R4.2.1進行GSVA富集分析，探究COL1A1與上述基因功能的富集程度。

1.5 統(tǒng)計學方法

使用GraphPad Prism 9統(tǒng)計學軟件進行統(tǒng)計學分析，采用多因素COX分析COL1A1基因表達高低與腦膠質瘤的疾病分期是否有統(tǒng)計學意義，使用t檢驗分析患者不同的臨床數(shù)據(jù)與COL1A1基因的表達高低是否有統(tǒng)計學意義，探討其是否對預后、疾病進展與診治有判斷價值。檢驗水準：α=0.05。

2 結" 果

2.1 COL1A1基因表達與腦膠質瘤患者臨床分期的關系

腦膠質瘤按惡性程度由低至高依次分為WHO Ⅰ期、WHO Ⅱ期、 WHO Ⅲ期與WHO Ⅳ期。但由于WHO Ⅳ期患者數(shù)據(jù)并沒有納入數(shù)據(jù)庫，故僅研究Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期患者數(shù)據(jù)。將三組數(shù)據(jù)中患者的腫瘤分期數(shù)據(jù)與其對應COL1A1基因表達數(shù)據(jù)整合，使用GraphPad Prism 9進行單因素方差分析，結果顯示，COL1A1基因表達水平在患者的疾病分期中比較，差異均有統(tǒng)計學意義（均P＜0.01）。見圖1。在CGGA數(shù)據(jù)集中，COL1A1基因表達與患者的疾病分期關系如圖1所示。其中，所有的數(shù)據(jù)集都顯示，WHO Ⅲ期患者的COL1A1基因表達量顯著高于WHO Ⅰ期與WHO Ⅱ期的患者，差異均有統(tǒng)計學意義（DataSetmRNAseq_325，P＜0.0001；DataSetmRNAseq_693，P=0.0018）。

2.2 COL1A1基因表達與腦膠質瘤患者臨床特征的關系

對三組數(shù)據(jù)集的COL1A1基因表達數(shù)據(jù)與患者的臨床資料數(shù)據(jù)進行Pheatmap分析。結果顯示，隨著COL1A1基因表達量升高，Non-codel 1P19q、Wildtype IDH、un-methylated MGMT等腦膠質瘤特異性標志物的表達也更密集。如圖2A-D。

2.3 COL1A1基因表達與腦膠質瘤患者預后及生存狀態(tài)的關系

Heatmap生存分析結果顯示，隨著COL1A1基因表達量的升高，患者生存天數(shù)減少，死亡人數(shù)增多。見圖3A-B。

2.4 COL1A1基因與常見免疫抑制靶點

Circos分析結果顯示，COL1A1基因與SIRP免疫抑制靶點相關性最高，其次是PDCD1（PD-1）。見圖4A-B。

2.5 基因富集分析

GO分析與KEGG分析結果顯示，COL1A1主要參與了細胞胞外區(qū)、內質網(wǎng)內腔、細胞外間隙、細胞外基質結構成分、細胞膠原結合、整合素結合蛋白等生物學功能。使用GSVA對上述與COL1A1相關的基因功能進行進一步分析，結果顯示，隨著COL1A1基因表達量增加，上述基因功能的表達也隨之上升。見圖5A-B。STRING 數(shù)據(jù)庫結果顯示，與COL1A1基因相互作用的基因共有10個。見圖6。

3 討" 論

COL1A1基因主要參與Ⅰ型膠原蛋白的組成。Ⅰ型膠原蛋白幾乎在所有人體結締組織中存在，其結構為2 條COL1A1 基因編碼的á1鏈和1條COL1A2 基因編碼的á2鏈組成的三螺旋結構，每條鏈由1000多個氨基酸組成，長度約300 nm，寬度為1～5 nm［8］。Ⅰ型膠原被廣泛認為與ECM有關，特別是在ECM重塑過程［9］。ECM被證實與細胞相互作用參與調節(jié)細胞多種功能，例如細胞增殖、遷移與分化［10］。研究表明，COL1A1基因可能通過ECM過程在人類疾病（比如腫瘤）中發(fā)揮重要作用。目前許多研究已經(jīng)證實COL1A1基因在人類癌癥中過表達。李萍［3］通過對Oncomine數(shù)據(jù)庫分析，發(fā)現(xiàn)COL1A1在209例胰腺癌樣本中高表達。謝慧芬等［4］使用GEO數(shù)據(jù)庫等進行生物信息學分析，結果顯示鼻咽癌中COL1A1基因呈高表達，并且基因富集最顯著的途徑是細胞外基質受體相互作用途徑。李媛等人［5］研究發(fā)現(xiàn)COL1A1在腎癌中與CD4細胞、DC細胞、NK細胞、巨噬細胞、單核細胞及中性粒細胞表達呈正相關，表明其與細胞免疫功能也存在聯(lián)系。熊偉等人［11］研究惡性胸膜間皮瘤組織，發(fā)現(xiàn)COL1A1基因表達量與患者的生存率呈負相關。劉小軍等［12］研究發(fā)現(xiàn)在106例切除的直腸癌組織中，COL1A1基因表達水平與淋巴結轉移、腫瘤直徑、TNM分期有關。以上都說明，COL1A1基因可能是腫瘤的驅動因素。

本研究通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，COL1A1基因與患者的WHO分期以及腦膠質瘤特征性臨床指標如Non-codel、1P19q、Wildtype IDH、un-methylated MGMT等相關，這表明COL1A1基因表達與腦膠質瘤的惡性進展存在關聯(lián)。而高表達COL1A1基因的總體生存率較低表達的患者低，這表明COL1A1基因可以影響患者的預后以及生存狀態(tài)。

基因富集分析結果顯示，COL1A1基因可能通過細胞胞外區(qū)、內質網(wǎng)內腔、細胞外間隙、細胞外基質結構成分、細胞膠原結合、整合素結合蛋白等發(fā)揮其生物學功能。有研究發(fā)現(xiàn)細胞胞外區(qū)常常存在殘存的腫瘤細胞，易造成腫瘤的復發(fā)，這將是免疫治療的靶標。內質網(wǎng)是人體蛋白質和膜脂質的場所，癌癥細胞會破壞內質網(wǎng)內的蛋白平衡，使得內質網(wǎng)內腔中產(chǎn)生錯誤的折疊蛋白質的累積，最終導致內質網(wǎng)應激［13］。細胞外間隙是腦膠質瘤細胞在腦組織中浸潤生長的關鍵部位，隨著腫瘤惡性程度的增加，細胞外間隙的體積越來越大導致細胞體積減小，使得腫瘤細胞的黏附和侵襲遷移能力繼續(xù)增強，同時擴大的細胞外間隙還可能會阻礙神經(jīng)遞質以及治療藥物在細胞內的擴散［14］。細胞膠原結合是指膠原通過整合素與細胞結合，為細胞的黏附及遷移提供軌跡與信號傳導。膠原是細胞外基質中最主要的成分，其中Ⅰ型膠原是細胞外基質中的主要原纖維膠原。在腫瘤發(fā)生發(fā)展的過程中，Ⅰ型膠原與腫瘤細胞受體結合并促進腫瘤增殖、上皮間質轉化和轉移［15］。整合素是一類細胞表面受體，主要通過其胞質結構與目標細胞骨架、信號分子和其他細胞蛋白的相互作用，從而介導細胞黏附并影響細胞的遷移、信號轉導和基因表達［16］。

信號調節(jié)蛋白（SIRP）是一個經(jīng)典的抑制性免疫受體，主要與CD47結合而阻止巨噬細胞吞噬健康細胞，這項功能也使得癌細胞可能逃脫免疫系統(tǒng)的監(jiān)控［17］。Circos分析表明COL1A1基因與SIRP相關性最高，同時有研究表明抗CD47治療后，巨噬細胞對膠質瘤細胞、膠質瘤干細胞的吞噬能力得到增強，通過阻斷CD47-SIRP信號通路，能夠提高靶向殺傷腫瘤細胞的能力［18］。由此可說明在腦膠質瘤的疾病發(fā)生發(fā)展中SIRP可能是一項重要的因素之一。

本研究初步探究了COL1A1基因在腦膠質瘤中的意義，但仍存在一定的局限與不足，例如選取的基因數(shù)據(jù)庫資料有限及數(shù)據(jù)庫中患者的治療方式存在差異等原因，導致不同患者的預后以及生存率可能存在偏倚。因此，在未來的研究中加大樣本量的同時還需進行生物驗證，進一步探究COL1A1在腦膠質瘤中的相關作用機制。

綜上所述，本研究顯示COL1A1基因在腦膠質瘤中的表達與患者的生存率、預后以及疾病惡性程度有關，可能通過Ⅰ型膠原的組成參與腦膠質瘤的ECM過程，COL1A1基因可作為腦膠質瘤患者的預后標志物以及未來的潛在的治療靶點。COL1A1基因與SIRP免疫抑制受體相關度高，也為日后免疫治療提供了相關依據(jù)。

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（收稿日期：2023-02-14 修回日期：2023-12-01）