基于关键致病基因筛选的肝癌临床预后及中药靶向治疗的生物信息学研究- 大数跨境

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基于关键致病基因筛选的肝癌临床预后及中药靶向治疗的生物信息学研究

天然产物研究与开发

2022-09-20

导读：本文通过生物信息学方法筛选肝癌关键致病基因，探究其表达水平、致病机制、免疫浸润、突变及预后情况，并进一步挖掘潜在的可用于肝癌靶向治疗的中药。

吴佳1,2 吴嫚婷1,3 龙荣1,2 仇婧玥1,3 喻昶1,3 熊萌1,3 曾梅艳3* 宋厚盼1,3*

1 湖南中医药大学中医诊断学湖南省重点实验室

2 湖南中医药大学医学院

3 湖南中医药大学中医学院

前言

原发性肝癌是全球癌症致死的第三大原因，肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是原发性肝癌最主要的类型，其危险因素主要有乙型肝炎病毒(HBV)/丙型肝炎病毒(HCV)感染、长期过度饮酒、食用过多黄曲霉菌污染的食品、多种原因导致的肝硬化及肝细胞癌家族史。肝细胞癌的早期诊断常借助于生物标志物，在临床上被广泛运用的生物标志物主要来源于血清、血浆、组织的microRNA、突变的基因、蛋白等。很多确诊为肝癌的患者通常处于晚期不可切除阶段，采用姑息治疗后，中位生存期仅为6～12个月，5年存活率仅为10%。因此，筛选肝癌关键致病基因对肝癌患者进行早期诊断及分析肝癌预后情况具有重要的临床意义。

高通量测序技术的迅速发展改变了生物医学的研究模式。基因测序为肿瘤发病机制等肿瘤生物学问题提供了全新的认识，并且对肿瘤的诊断、预后和治疗的选择具有重要的参考价值。生物信息学算法对于处理高通量组学数据至关重要。本研究以高通量基因芯片数据挖掘为切入点，引入生物信息学算法知识，从GEO数据库获取肝癌相关数据集，分析肝癌组织与正常肝组织的差异表达基因。进一步从差异表达基因中筛选出肝癌关键致病基因，探讨关键基因的生物学功能及其涉及的信号通路、突变情况、免疫浸润和对临床预后的影响，并进一步筛选潜在的治疗肝癌的中药，旨在为肝癌的临床诊断、治疗及预后判断提供理论参考和科学依据。

代表性结果

讨论与结论

肝癌是全球范围内最常见的癌症之一，每年罹患肝癌的人数约为84万，而每年因肝癌死亡的人数至少为78万。中国是一个肝炎大国，肝炎发病率的上升增加了肝癌患者的数量，世界上约有50%的肝癌患者来自中国。目前，早期肝癌的治疗主要采取手术切除、射频消融和肝脏移植，中期通常采用手术、射频消融、靶向治疗、免疫治疗以及化疗等多种方式结合的手段; 而晚期大多采取支持治疗。肝癌是一种复发率极高的恶性肿瘤，采取手术切除等根治性治疗手段，其5年内的复发率仍高达77%，故临床可考虑采用中西医结合治疗、中医药治疗的方法。中医对肝癌并无具体的称谓，依据其症候表征，多将其归属为“癥瘕”“肝积”“黄疸” “臌胀”等疾病范畴。中医药治疗肝癌包括中药复方治疗、单位中药/中成药治疗以及针灸、穴位敷贴等外治法; 中西医结合治疗主要是中医联合手术治疗、中医联合射频消融、中医联合靶向治疗、中医联合化疗等，以达到减少并发症、减轻副作用、延缓肿瘤复发转移的目的。本文通过采用生物信息学相关知识，从分子机制层面对肝癌的芯片数据集进行分析，挖掘其致病关键基因，并分析关键基因在肝癌预后中的意义，进一步通过关键基因筛选潜在治疗肝癌的中药。本研究旨在为肝癌的鉴别诊断、预后和治疗提供科学依据和参考。

GO功能和KEGG通路富集分析发现，差异表达基因主要参与免疫反应、炎症反应和细胞粘附等生物学过程，涉及的信号通路包括p53、mTOR、ErbB等。研究表明，肿瘤睾丸抗原和Sal样蛋白4与特异性T细胞的反应在控制早期肝癌中可能发挥着重要作用; 肝脏中核苷酸去结合寡聚化结构域2的缺失可通过炎症反应、DNA损伤和基因组不稳定性来诱导肝癌的发生; NK细胞来源的干扰素-γ通过HBV转基因小鼠上皮细胞黏附分子-上皮间充质转换过程，可促进肝癌的发生; 此外，有研究显示miR-621可通过激活p53信号通路提高肝癌细胞的放射敏感性; 高表达水平的蛋白酶体活性亚单位4通过mTOR信号通路可促进肝癌细胞的增殖; 上皮V样抗原1能够上调ErbB3-PI3K信号通路进而促进肝癌的进展和转移。

蛋白相互作用分析得到10个在肝癌组织中高表达的关键基因，分别为CDC20、CCNB2、CCNB1、BUB1、BIRC5、AURKA、TOP2A、NCAPH、CDK1。对此10个关键基因进行预后分析发现，关键基因高表达组肝癌患者总生存期明显降低，这些关键基因与肝癌的病理分析结果存在一定的正相关关系。研究表明，CDC20在肝癌组织中的表达高于正常组织(P＜0.05)，且高表达CDC20的肝癌患者总体的生存率较低; 研究显示，高CCNB2水平的肝癌患者5年总生存期和无病生存期均短于低CCNB2水平者; 另有研究表明，在肝癌组织中可检测到较高水平的BUB1B，BUB1B过表达与不良的临床病理表现呈正相关。

进一步对10个关键基因进行表达验证和突变分析发现，关键基因在肝癌组织中高表达，其中CDC20、CCNB1、TOP2A、NCAPH在肝癌组织中的蛋白表达量有不同程度的增加; 此外，关键基因在肝癌组织中存在一定程度的突变，携带此突变关键基因的肝癌患者有较差的预后。关键基因的免疫细胞浸润分析发现，关键基因的表达与B细胞、CD8⁺T细胞、CD4⁺T细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞的浸润程度呈正相关关系。Yang Gang等采用免疫组织化学法检测肝癌组织中CDC20的蛋白表达水平，结果显示在59.2%的肝细胞癌样本中观察到CDC20高表达。Rong Min-Hua等研究发现CCNB1的mRNA和蛋白在肝细胞癌组织中过度表达，且CCNB1可能通过调节DNA复制参与HCC的细胞周期。这些结果提示本文预测结果具有较好的可信性与准确性。

潜在治疗药物的筛选结果发现，CCNB1、BIRC5、CDK1、CDC20筛选出的中药数目多，CDK1、CCNB1、BIRC5、TOP2A所结合的潜在天然治疗成分数量多，CDK1、CCNB1、BIRC5可能为药物治疗的通用靶点。青蒿、高良姜、冬凌草等可作用于2～3个关键基因，为潜在治疗肝癌的中药。研究表明，青蒿的有效成分为青蒿素，其可通过EGFR等多种途径调节肝癌细胞的增殖、凋亡、血管生成; 高良姜的有效成分为高良姜素，其可通过内质网应激和线粒体依赖性凋亡来预防肝细胞癌; 冬凌草可通过靶向AKT 通路来增强肝癌对索拉非尼抗癌作用的敏感性。中医理论认为，肝细胞癌的主要病机为“瘀”“毒”“虚”，中药在分子水平发挥扶正祛邪、攻毒抗癌的功效，可达到机体阴阳平衡的状态。相较于传统的西医治疗，中医药在治疗肝细胞癌中具有潜在的优势，具体体现在中药副作用小，不良反应发生率低，肿瘤生长减缓，复发转移减少，患者生存质量提升，生存周期延长。

综上所述，本文研究发现肝癌的发生发展具有多基因、多通路、多功能的特点，共筛选获得10个肝癌致病关键基因; 这些基因及其蛋白产物在肝癌患者中的表达水平均有升高，且与肝癌的不良预后、免疫细胞浸润程度密切相关; 进一步挖掘得到青蒿、高良姜、冬凌草等36味潜在的肝癌靶向治疗中药和105个天然活性成分。本文研究结果可为肝癌的临床诊断、预后判断及相关治疗提供科学依据。该研究成果发表在《天然产物研究与开发》2022年第8期，欢迎引用(点击左下方“阅读原文”可查看全文)。

引用格式：吴佳,吴嫚婷,龙荣,等.基于关键致病基因筛选的肝癌临床预后及中药靶向治疗的生物信息学研究[J].天然产物研究与开发,2022,34:1415-1429. Wu J,Wu MT,Long R,et al.Bioinformatics study on clinical prognosis of liver cancer and targeted therapy of traditional Chinese medicine based on screening of core pathogenic genes[J].Nat Prod Res Dev,2022,34:1415-1429.