Novel prognostic matrisome-related gene signature of head and neck squamous cell carcinoma
頭頸部鱗狀細(xì)胞癌的新型預(yù)后基質(zhì)體相關(guān)基因特征
發(fā)表期刊：Front Cell Dev Biol
發(fā)表日期：2022 Aug 23
影響因子：6.081
DOI:? 10.3389/fcell.2022.884590
一哼转、背景
????????頭頸部鱗狀細(xì)胞癌（HNSCC）是一種常見的惡性腫瘤尚蝌，來源于口腔、咽部和喉部的粘膜上皮。最常見的HNSCC亞型是喉鱗狀細(xì)胞癌（LSCC）、口腔鱗狀細(xì)胞癌（OSCC）和鼻咽癌。LSCC約占所有頭頸部惡性腫瘤的20%，是上呼吸道腫瘤中僅次于肺癌的第二大惡性腫瘤挑随。聲門上和聲門下LSCC的預(yù)后普遍較差，且明顯差于聲門喉癌勒叠。由于OSCC具有高度侵襲性兜挨，患者在診斷和治療過程中通常會出現(xiàn)疾病進(jìn)展。確定LSCC和OSCC的共同分子標(biāo)志物不僅可以發(fā)現(xiàn)這兩種疾病之間的關(guān)系眯分，而且對它們的診斷和治療也有重要作用拌汇。
????????細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，由細(xì)胞內(nèi)合成的生物大分子和細(xì)胞外分泌的生物大分子組成弊决，駐留在細(xì)胞表面或細(xì)胞之間噪舀。核心基質(zhì)組包括250多個獨(dú)特的基質(zhì)基因，分為膠原蛋白飘诗、糖蛋白和蛋白多糖与倡。癌癥中的ECM重塑是腫瘤微環(huán)境（TME）的重要組成部分，也是惡性腫瘤發(fā)展的重要驅(qū)動力昆稿。ECM的沉積纺座、重塑和交聯(lián)與腫瘤的發(fā)展和預(yù)后密切相關(guān)。
二溉潭、材料與方法
1净响、數(shù)據(jù)來源
1） TCGA-HNSC基因表達(dá)RNA-Seq數(shù)據(jù)，包括count 和TPM數(shù)據(jù)喳瓣，來自UCSC Xena馋贤，并與臨床信息相關(guān)聯(lián)（502個HNSCC腫瘤44個正常組織）
2） GEO：GSE27020（109個LSCC樣本）、GSE42743（74個OSCC和29個正常樣本）畏陕、GSE150321、GSE172577
3） 從Matrisome項目中獲得了274個核心matrisome基因的列表惠毁；共選擇了190個常見的核心基質(zhì)基因犹芹，包括33個膠原蛋白、127個ECM糖蛋白和30個蛋白多糖編碼基因
2仁讨、分析流程
三羽莺、實驗結(jié)果
01 - 建立基于差異表達(dá)的matrisome基因的預(yù)后模型
????????通過對TCGA-HNSC數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析，在腫瘤和正常樣本之間共發(fā)現(xiàn)1779個DEGs洞豁，包括939個上調(diào)基因和840個下調(diào)基因（圖2A）。在GO BP分析中，這些DEGs大多富集于 "肌肉結(jié)構(gòu)發(fā)育"丈挟、"超分子纖維組織"刁卜、"骨骼系統(tǒng)發(fā)育"、"纖毛運(yùn)動"曙咽、"模式規(guī)范過程"和 "細(xì)胞外基質(zhì)組織"（圖2B）蛔趴。在KEGG分析中，DEGs在 "蛋白質(zhì)消化和吸收"例朱、"唾液分泌"孝情、"ECM-受體相互作用"、"鈣信號通路"洒嗤、"局灶粘附 "和"肥大性心肌病 "中富集箫荡。對TCGA-HNSC中的DEGs和190個共同的核心matrisome基因進(jìn)行交叉分析，確定了52個差異表達(dá)的matrisome相關(guān)基因用于后續(xù)分析（圖2C,D）渔隶。
????????為了建立HNSCC患者的預(yù)后評估模型羔挡，選擇TCGA-HNSC數(shù)據(jù)集（僅有生存數(shù)據(jù)的腫瘤樣本，N = 502）作為訓(xùn)練隊列间唉，GSE27020（LSCC樣本绞灼，N = 109）和GSE42743（OSCC樣本，N = 74）數(shù)據(jù)集作為測試隊列呈野。對52個差異表達(dá)的matrisome基因進(jìn)行了單變量Cox回歸分析低矮，以評估訓(xùn)練隊列中樣本的OS。將P<0.1的12個基因（MATN3被冒、LAMC2商佛、FN1、SPP1姆打、LAMB4良姆、LAMB3、DMP1幔戏、IBSP玛追、DMBT1、TGFBI闲延、CHAD和MMRN1）列入LASSO分析痊剖。所有12個matrisome基因都達(dá)到了最小的部分表達(dá)量，并進(jìn)一步將其表達(dá)水平和預(yù)后數(shù)據(jù)納入多變量Cox回歸分析垒玲，以確定參與特征構(gòu)建的基因陆馁。多變量Cox回歸分析建立了一個由六個基因（FN1、LAMB4合愈、LAMB3叮贩、DMP1击狮、CHAD和MMRN1）組成的風(fēng)險的預(yù)后模型。風(fēng)險分?jǐn)?shù)的計算公式如下：風(fēng)險分?jǐn)?shù)=0.075123 × FN1 + (-0.348,219) × LAMB4 + 0.090359 × LAMB3 + 0.363,187 × DMP1 + (-0.314,325) × CHAD + (-0.125,206) × MMRN1益老。
????????根據(jù)風(fēng)險評分彪蓬，訓(xùn)練和測試隊列的樣本基于50%的截止值被分為兩組，即高風(fēng)險組和低風(fēng)險組捺萌，（圖3A-O）档冬。KM分析顯示，無論是在訓(xùn)練隊列（TCGA-HNSC）還是測試隊列（GSE27020和GSE42743）中桃纯，高風(fēng)險評分的患者的生存時間都明顯短于低風(fēng)險組（圖3A,F,K）酷誓。此外，1年态坦、2年和5年生存率的ROC曲線的曲線下面積（AUC）值分別為0.636盐数、0.635和0.571，表明風(fēng)險評分可用于預(yù)測訓(xùn)練隊列（TCGA-HNSC）的預(yù)后（圖3B）驮配。在測試隊列中娘扩，1、2壮锻、5年生存率的AUC值在GSE27020（圖3G）和GSE42743（圖3L）中分別為0.724琐旁、0.691和0.650。此外猜绣，所有六個基因（FN1灰殴、LAMB4、LAMB3掰邢、DMP1牺陶、CHAD和MMRN1）在訓(xùn)練（TCGA-HNSC）和測試隊列（GSE27020和GSE42743）中都與預(yù)后不良和不健康的生活習(xí)慣顯著相關(guān)（圖3E，J辣之，O）掰伸。因此，建立并驗證了HNSCC的基質(zhì)相關(guān)預(yù)后模型怀估。
02 - 高風(fēng)險組和低風(fēng)險組之間的腫瘤浸潤免疫細(xì)胞圖譜比較
????????作者使用ssGSEA狮鸭，根據(jù)TCGA-HNSC的臨床數(shù)據(jù)和每個樣本的風(fēng)險評分，繪制了23種浸潤性免疫細(xì)胞類型的熱圖（圖4A）多搀，進(jìn)行了腫瘤浸潤性免疫細(xì)胞之間的相關(guān)性分析歧蕉。如圖4B所示，激活的CD8 T細(xì)胞和中性粒細(xì)胞之間有最高的明顯正相關(guān)康铭，而最高的明顯負(fù)相關(guān)是CD56 bright自然殺傷細(xì)胞和單核細(xì)胞之間惯退。不同風(fēng)險組之間腫瘤浸潤免疫細(xì)胞豐度的對比分析顯示，高風(fēng)險組中活化和未成熟的B細(xì)胞从藤、嗜酸細(xì)胞催跪、巨噬細(xì)胞锁蠕、單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和Th2細(xì)胞的存在明顯減少（圖4C）叠荠。最后匿沛，分析了23種浸潤性免疫細(xì)胞類型與風(fēng)險評分之間的相關(guān)性扫责。結(jié)果顯示榛鼎，Th17細(xì)胞是唯一與風(fēng)險評分明顯正相關(guān)的細(xì)胞類型，而風(fēng)險評分與未成熟B細(xì)胞鳖孤、單核細(xì)胞者娱、巨噬細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞苏揣、活化B細(xì)胞黄鳍、Th2細(xì)胞、γ-δT細(xì)胞平匈、MDSCs和中性粒細(xì)胞呈明顯負(fù)相關(guān)（圖4D）框沟。總之增炭，結(jié)果顯示7種細(xì)胞類型（活化的B細(xì)胞忍燥、嗜酸細(xì)胞、未成熟的B細(xì)胞隙姿、巨噬細(xì)胞梅垄、單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和Th2細(xì)胞）可能在基質(zhì)相關(guān)的HNSCC微環(huán)境中發(fā)揮重要作用输玷。
03 - 不同風(fēng)險組的體細(xì)胞突變情況
????????此外队丝，TCGA-HNSC患者的體細(xì)胞突變譜被用來探索高、低風(fēng)險組的常見體細(xì)胞突變欲鹏。在這些患者中机久，239人屬于高危組，215人屬于低危組赔嚎。與低風(fēng)險組相比膘盖，高風(fēng)險組的基因突變頻率普遍較高。高危組或低危組的突變情況變化如下：在高危評分的組織中尽狠，有8個基因突變率大于15%：TP53衔憨、TTN、FAT1袄膏、CDKN2A践图、MUC16、CSMD3沉馆、NOTCH1和LRP1B码党，而在低風(fēng)險組的組織中德崭，有8個基因突變率超過15%：TP53、TTN揖盘、FAT1眉厨、CDKN2A、MUC16兽狭、PIK3CA憾股、CSMD3和SYNE1。值得注意的是箕慧，TP53是癌癥中最常見的突變基因之一服球，在高風(fēng)險組比低風(fēng)險組出現(xiàn)的頻率更高（圖5A再层，B）枫笛。
04 - 預(yù)后基因分析
????????進(jìn)行GSVA以確定預(yù)后相關(guān)的KEGG通路。如熱圖所示进胯，高危組在P53信號通路伐庭、甲狀腺癌粉渠、結(jié)直腸癌、子宮內(nèi)膜癌圾另、前列腺癌霸株、基底細(xì)胞癌和黑色素瘤KEGG通路中明顯富集，而糖胺聚糖生物合成硫酸角蛋白盯捌、糖基磷脂GPI錨生物合成和葉酸生物合成KEGG通路在低危組明顯富集（圖5C）淳衙。因此，高危組的基因表達(dá)在腫瘤相關(guān)途徑中明顯富集饺著。
利用HPA在線數(shù)據(jù)集箫攀，又通過IHC驗證了這些預(yù)后基因的蛋白表達(dá)。與正常對照組相比幼衰，發(fā)現(xiàn)FN1靴跛、LAMB3和DMP1蛋白上調(diào)，而LAMB4渡嚣、CHAD和MMRN1蛋白則下調(diào)（圖6）梢睛。這些發(fā)現(xiàn)與使用TCGA數(shù)據(jù)集的結(jié)果一致。
05 - 預(yù)后基因的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析
????????接下來识椰，使用GSE150321和GSE172577數(shù)據(jù)集的單細(xì)胞RNA-Seq數(shù)據(jù)來進(jìn)一步驗證HNSCC的預(yù)后模型和基因之間的關(guān)系绝葡。對于GSE150321數(shù)據(jù)集，包括來自兩個LSCC樣本的數(shù)據(jù)腹鹉，根據(jù)以前的文獻(xiàn)藏畅，總共確定了5個細(xì)胞集群（腫瘤、免疫功咒、上皮愉阎、間質(zhì)和內(nèi)皮細(xì)胞）（圖7A）绞蹦，然后計算每個細(xì)胞的風(fēng)險得分，并將其繪制在UMAP圖和小提琴圖中（圖7B）榜旦。與非腫瘤細(xì)胞相比幽七，LSCC腫瘤細(xì)胞的風(fēng)險得分更高。
????????對于GSE172577數(shù)據(jù)集溅呢，四個OSCC樣本澡屡，GSM5258385、GSM5258386藕届、GSM5258387和GSM5258388被合并挪蹭。根據(jù) "scCancer "R軟件包亭饵，對細(xì)胞集群進(jìn)行了手工注釋（圖7C,D）休偶。值得注意的是，除了在GSE172577中CHAD的表達(dá)水平較低外辜羊，大多數(shù)預(yù)后基因的表達(dá)情況與LSCC相似（圖7E）踏兜。總的來說八秃，這些結(jié)果進(jìn)一步支持了這個與matrisome相關(guān)的預(yù)后基因的特征影響了HNSCC的進(jìn)展碱妆。
06 - LAMB4影響腫瘤細(xì)胞的增殖和遷移
????????根據(jù)前面的分析結(jié)果，作者選擇LAMB4作進(jìn)一步分析昔驱，因為它是六個預(yù)后基因之一疹尾，在HNSCC方面的研究較少。在AMC-HN-8和JHU011細(xì)胞系中骤肛，使用LAMB4的siRNA來沉默LAMB4的表達(dá)（圖8A）纳本。CCK-8試驗表明，沉默的LAMB4水平促進(jìn)了AMC-HN-8和JHU011細(xì)胞的增殖（圖8B）腋颠。還檢測了LAMB4沉默后的遷移變化繁成。轉(zhuǎn)孔實驗顯示，LAMB4敲除后促進(jìn)了LSCC和OSCC細(xì)胞系的遷移（圖8C,D）淑玫。因此巾腕，作為一個潛在的腫瘤抑制基因，沉默LAMB4促進(jìn)了HNSCC細(xì)胞系的增殖和遷移絮蒿。
四尊搬、結(jié)論
????????綜上所述，作者揭示了matrisome相關(guān)基因的表達(dá)與HNSCC的生存有關(guān)土涝，并建立了一個基于六個差異表達(dá)的matrisome相關(guān)基因（FN1佛寿、LAMB4、LAMB3回铛、DMP1狗准、CHAD和MMRN1）特征的新型風(fēng)險評分預(yù)后模型克锣，這些基因也可能作為HNSCC的潛在治療目標(biāo)。
