Brain Radiotoxicity-Related 15CAcBRT Gene Expression Signature Predicts Survival Prognosis of Glioblastoma Patients
腦輻射毒性相關(guān)的15CAcBRT基因表達(dá)特征預(yù)測(cè)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的生存預(yù)后
發(fā)表期刊：Neuro Oncol
發(fā)表日期：2022 Jul 8
影響因子：13.029
DOI:? 10.1093/neuonc/noac171
一、研究背景
????????膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）是成人中最常見和最致命的原發(fā)性腦癌。迄今為止，GBM生存的預(yù)后特征主要是通過腫瘤和正常組織之間的差異表達(dá)分析叁征，基于GBM的生物學(xué)信息，或與其腫瘤微環(huán)境相關(guān)聯(lián)來確定的逛薇。本研究評(píng)估了與BTR（腦輻射毒性）相關(guān)的腫瘤轉(zhuǎn)錄組是否有助于為GBM患者的生存提供獨(dú)立的預(yù)后捺疼，并隱藏著潛在的新型治療目標(biāo)。
????????BRT與特定基因的單核苷酸變異（SNVs）有關(guān)永罚，在這項(xiàng)研究中被指定為放射性毒性基因（RGs）啤呼。然而，關(guān)于這些基因可能對(duì)GBM患者預(yù)后的影響知之甚少呢袱。
二官扣、材料與方法
1、數(shù)據(jù)來源
1）通過系統(tǒng)回顧確定的與BRT相關(guān)的SNVs被命名為R-SNVs羞福，攜帶它們的基因被稱為RGs惕蹄，基因和R-SNVs之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系在單核苷酸多態(tài)性數(shù)據(jù)庫（dbSNP）中得到了驗(yàn)證；當(dāng)一個(gè)變體位于兩個(gè)基因之間時(shí)，兩個(gè)基因都被包括在RG列表中卖陵，產(chǎn)生了擴(kuò)展的RG（E-RGs）恋昼，由RGs編碼的蛋白質(zhì)被命名為放射性毒性蛋白質(zhì)（RPs）
2）獲得以前記錄的和新的可能的R-SNVs在墨西哥人群中的頻率，在總共2217名墨西哥人中探索了E-RG：來自48個(gè)不同民族的1074名美洲印第安人（MA）和1143名混血兒（MEZ）赶促，他們都屬于DMS1和DMS2隊(duì)列液肌；將墨西哥人群中R-SNVs的等位基因頻率與來自美國(guó)加州洛杉磯的墨裔美國(guó)人（MXL）、猶他州的居民進(jìn)行比較
3）使用CGGA數(shù)據(jù)集對(duì)15CAcBRT特征進(jìn)行外部驗(yàn)證：基因表達(dá)和臨床數(shù)據(jù)來自CGGA（ID：mRNA_array_301）
2鸥滨、分析流程
1）墨西哥人口中發(fā)現(xiàn)的新變體的計(jì)算結(jié)構(gòu)分析：調(diào)查墨西哥人群中發(fā)現(xiàn)的新變異體在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域和三維結(jié)構(gòu)上的分布嗦哆；實(shí)驗(yàn)確定的三維結(jié)構(gòu)和理論模型分別從PDB和ModBase數(shù)據(jù)庫中檢索出來；用突變?nèi)S程序研究變體在蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)中的位置和聚類婿滓；使用Structure-PPi系統(tǒng)對(duì)變體進(jìn)行了功能注釋老速，如配體結(jié)合位點(diǎn)、催化殘基凸主、蛋白質(zhì)的翻譯后修飾和PPI界面的殘基
2）與BRT相關(guān)的PPI網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建：使用STRING來構(gòu)建與BRT相關(guān)的PPI網(wǎng)絡(luò)橘券；對(duì)BRT-PPI網(wǎng)絡(luò)的搜索節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了拓?fù)鋵W(xué)分析；每個(gè)聚類的生物功能由BiNGO確定
3）利用GBM-BioDP識(shí)別與參與BRT的基因表達(dá)相關(guān)的新型GBM生存預(yù)后圖譜：利用GBM-BioDP工具和TCGA的數(shù)據(jù)卿吐，對(duì)來自COMT-擴(kuò)展PPI網(wǎng)絡(luò)的RGs表達(dá)和mRNA編碼的蛋白簇進(jìn)行分析
4）基因型與大腦基因表達(dá)的相關(guān)性：用ANNOVAR和InterVar對(duì)E-RGs的遺傳變異和整合15CAcBRT（與BRT相關(guān)的COMT+APOE蛋白簇的15個(gè)mRNA）分子簽名的遺傳變異進(jìn)行了注釋旁舰，并從1 143名MEZ和1 074名MA人中獲得它們?cè)谀鞲缛丝谥械念l率
5）富集途徑分析和聚集類別分析：使用STRING工具中的KEGG來富集的途徑
6）使用CGGA數(shù)據(jù)集對(duì)15CAcBRT特征進(jìn)行外部驗(yàn)證：根據(jù)符合15CAcBRT特征（與BRT相關(guān)的COMT+APOE蛋白的15個(gè)mRNAs集群）的基因表達(dá)水平進(jìn)行聚類分析；根據(jù)熱圖聚類成員對(duì)患者進(jìn)行分層嗡官，以計(jì)算Cox回歸分析箭窜；使用年齡、IDH突變狀態(tài)衍腥、MGMT啟動(dòng)子甲基化狀態(tài)磺樱、化療治療和熱圖聚類進(jìn)行單變量和多變量分析
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
01 - 與BRT相關(guān)的功能簇的PPI網(wǎng)絡(luò)
????????作者進(jìn)行了系統(tǒng)的文獻(xiàn)綜述（補(bǔ)充圖S1）婆咸，確定了36個(gè)R-SNVs竹捉。29個(gè)R-SNVs屬于從系統(tǒng)回顧中選出的11個(gè)基因（RGs），7個(gè)R-SNVs屬于從dbSNP中選出的6個(gè)基因尚骄。APOC1也包括在分析中块差，這18個(gè)基因被命名為擴(kuò)展（E-RGs）：APOE、NECTIN2乖仇、APOC1P1憾儒、TOMM40询兴、POR乃沙、MAT1A、CYP1B1诗舰、COMT警儒、ARVCF、TXNRD2、BDNF蜀铲、BDNF-AS边琉、DTNBP1、MGMT记劝、CEP128变姨、DISC1FP1、KCTD1厌丑、和APOC1定欧。
????????BRT-PPI網(wǎng)絡(luò)（圖1A）由12個(gè)節(jié)點(diǎn)和17條邊組成。全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒y(tǒng)計(jì)學(xué)測(cè)量（圖1B）顯示怒竿，這些蛋白質(zhì)之間的相互作用明顯多于規(guī)模相似的隨機(jī)蛋白質(zhì)集的預(yù)期砍鸠。這種富集表明，BRT-PPI網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是一個(gè)非隨機(jī)圖耕驰，這些蛋白質(zhì)至少在生物學(xué)上有部分聯(lián)系爷辱。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浞治鼋Y(jié)果顯示COMT是該網(wǎng)絡(luò)中的 "樞紐"和 "瓶頸"，從而表明其具有中心調(diào)節(jié)作用朦肘。因此饭弓，COMT可能強(qiáng)烈地參與了與BRT有關(guān)的細(xì)胞過程，或者與連接調(diào)節(jié)分子有關(guān)媒抠。有趣的是示启，在BRT-PPI網(wǎng)絡(luò)中，與APOE相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)在生物學(xué)方面具有第二大的拓?fù)鋵傩浴?/p>
????????接下來领舰，用COMT（BRT-PPI網(wǎng)絡(luò)的樞紐）及其直接邊緣生成COMT-擴(kuò)展PPI網(wǎng)絡(luò)夫嗓，然后用STRING擴(kuò)展（圖1C）。COMT-擴(kuò)展PPI網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮卣鳎▓D1B）表明冲秽，節(jié)點(diǎn)的相互作用明顯多于預(yù)期舍咖。基于這些結(jié)果锉桑，確定了一個(gè)與BRT功能相關(guān)的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)排霉，由Cytoscape可視化的COMT-擴(kuò)展PPI網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了8個(gè)集群（圖1D），其中7個(gè)與以下RPs有關(guān)：COMT民轴、APOE攻柠、BDNF、MAT1A后裸、DTNBP1瑰钮、APOC1和CYP1B1。這些簇的前四個(gè)生物功能（圖1D）與RPs有關(guān)微驶，顯示這些蛋白是生物活性復(fù)合物的一部分（圖1D）浪谴。
02 - 與BRT相關(guān)的RGs的表達(dá)揭示了與GBM患者生存有關(guān)的推測(cè)性分子特征
????????作者使用COMT开睡、APOE、BDNF苟耻、MAT1A篇恒、MGMT、POR和CYP1B的mRNA表達(dá)水平（其余的RGs不包括在該平臺(tái)中）來確定是否存在任何可能與被診斷為GBM患者的生存有關(guān)的轉(zhuǎn)錄組譜凶杖。對(duì)GMB-BioDP（HT_HG-U133A平臺(tái)）中包括的277名患者的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析胁艰，詳見圖2A。利用上述7個(gè)基因的mRNA表達(dá)譜進(jìn)行的無監(jiān)督層次聚類分析顯示了兩個(gè)GBM患者的聚類（A和B）智蝠。聚類A與聚類B相比蝗茁，生存時(shí)間明顯縮短。聚類分析還確定了三個(gè)不同的RGs亞組（圖2A）寻咒。然而哮翘，對(duì)這些RGs亞群的分析并沒有發(fā)現(xiàn)任何對(duì)患者生存有影響的預(yù)后群∶兀總的來說饭寺，本研究結(jié)果確定了一個(gè)對(duì)GBM患者預(yù)后有影響的新的分子譜系，稱之為7BRT（與BRT相關(guān)的七個(gè)基因）分子譜系叫挟。
03 - 7BRT分子圖譜基因編碼的蛋白質(zhì)中的SNVs的三維集群包括與癌癥生物學(xué)有關(guān)的假定致病變體
????????作者研究了墨西哥人群中E-RGs的蛋白質(zhì)序列和三維結(jié)構(gòu)中的新型變異體的分布。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析抹恳，在APOE员凝、COMT、CYP1B1奋献、MGMT和POR中發(fā)現(xiàn)了含有至少三個(gè)變體的球體的三維集群健霹，直徑為15-30埃（圖3），根據(jù)Structure-PPI系統(tǒng)對(duì)確定的變體進(jìn)行功能注釋瓶蚂。在APOE的結(jié)構(gòu)分析中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)簇（直徑=17.78埃糖埋，P值=0.080），包含變體p.V140M窃这、p.G145D和p.R154S（圖3A）瞳别。這些變體位于對(duì)蛋白功能有有害影響的熱點(diǎn)區(qū)域，并含有來自其他疾病的致病變體杭攻。
????????對(duì)于COMT祟敛，確定了一個(gè)簇（直徑=24.16埃），包含變體p.A72S兆解、p.E84K馆铁、p.A102T、p.R125C痪宰、p.R128H和p.V158M（圖3B）叼架，位于影響PPI的二聚體界面。p.A72S變體與酶的活性降低有關(guān)衣撬，被認(rèn)為是精神分裂癥26,27以及肺癌和乳腺癌（COSM6354285）的危險(xiǎn)因素乖订。p.E84K被鑒定為肺癌（COSM2892544），而p.A102T在ClinVar中被列為良性具练。p.V158M與酶的低活性和熱敏性28有關(guān)乍构，并在肺癌、胰腺癌和結(jié)腸直腸癌中被確認(rèn)（COSM4997949）扛点。p.V158M與藥物反應(yīng)哥遮、帕金森氏病和精神分裂癥譜系障礙有關(guān)。
????????在CYP1B1中（圖3C）陵究，只確定了一個(gè)簇（直徑=18.08埃）眠饮，它包含變異體p.V432L、p.A443G和p.N453S铜邮。在結(jié)直腸癌中發(fā)現(xiàn)了體細(xì)胞變體p.N453S（COSM1408011）仪召。
????????在MGMT中（圖3D），發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)有五個(gè)變體的簇（直徑=21.03埃）松蒜。這些變體是：p.V81M扔茅、p.L84F、p.S93L秸苗、p.L142I和p.I143V召娜。盡管所有這些變異在ClinVar數(shù)據(jù)庫中沒有注釋，但在肺癌（COSM6461010）惊楼、結(jié)直腸癌（COSM6712349）和胃癌（COSM8554441）中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了81位的MGMT變異玖瘸，并有不同的變化。此外檀咙，相鄰位置的體細(xì)胞變異與GBM（A82V店读，COSM2151781）以及其他類型的癌癥有關(guān)。
????????在POR中攀芯，確定了三個(gè)不同的聚類屯断。聚類1（直徑=20.99埃）包含變體p.T372M、p.I444Hfs*6和p.V492M侣诺，沒有來自ClinVar數(shù)據(jù)庫的任何注釋（圖3E）殖演；聚類2（直徑=28.26埃）包含變體p.P469A、p.V472M年鸳、p.A503V趴久、p.I544L和p.D575N；第3簇（直徑=29.97埃）包含變體p.V85M搔确、p.R107H彼棍、p.D165A灭忠、p.G213E、p.V230M座硕、p.E232G和p.R406C弛作。這最后兩個(gè)群組中的變體與不同類型的癌癥有關(guān)。
04 - COMT和APOE RPs功能群揭示了一個(gè)與GBM患者預(yù)后相關(guān)的新的和穩(wěn)健的基因表達(dá)譜
????????作者分析了從COMT-擴(kuò)展PPI網(wǎng)絡(luò)中得到的蛋白群以及它們之間的組合华匾。只有COMT和APOE蛋白簇顯示出明顯的預(yù)后價(jià)值（圖4A）映琳。為此，結(jié)合COMT和APOE蛋白簇蜘拉，利用GMB-BioDP門戶網(wǎng)站（n = 277名患者）評(píng)估其在GBM患者中的預(yù)后潛力萨西。，確定了兩組患者的生存期有顯著差異（圖4B）旭旭，A組和B組的中位總生存時(shí)間分別為13.5和33.3個(gè)月谎脯。
????????此外，根據(jù)GBM分子亞型（C：經(jīng)典型持寄，M：間質(zhì)型穿肄，P：骨髓型，N：神經(jīng)型）進(jìn)行分層生存分析际看，也能確定集群A和B之間的生存差異（圖4C-E）咸产。總的來說仲闽，無論GBM分子亞型如何脑溢，多基因表達(dá)水平較低（截止值<中位數(shù)）的患者生存期更長(zhǎng)。綜上所述赖欣，數(shù)據(jù)表明與BRT相關(guān)的COMT和APOE蛋白簇的相互作用代表了一個(gè)新的特征屑彻，在GBM中具有強(qiáng)烈顯著的預(yù)后價(jià)值。新開發(fā)的分子特征被命名為15CAcBRT（15個(gè)與BRT有關(guān)的COMT+APOE蛋白簇的mRNAs）顶吮，包括：APOE社牲、COMT、APP悴了、MAOB搏恤、PCSK9、MAOA湃交、IL6熟空、APOA1、APOA5搞莺、DDC息罗、DBH、ALB才沧、APOA2迈喉、AHSG和APOB绍刮。
????????此外，確定COMT和APOE蛋白簇挨摸，由COMT-APOE和MAOB-APP蛋白相互作用連接（圖4F）孩革，在所有GBM分子亞型中都有增加。用Cox模型多變量分析生存率油坝，記錄了15CAcBRT分子特征與GBM-BioDP中進(jìn)行的MGMT啟動(dòng)子甲基化狀態(tài)無關(guān)嫉戚。此外刨裆，發(fā)現(xiàn)參與15CAcBRT特征的E-RGs和基因的大腦表達(dá)水平受到R-SNVs的影響澈圈，其中COMT_rs4680和MATIA_rs7087728被描述為eQTL。
????????作者從CGGA門戶網(wǎng)站獲得了mRNA_array_301的微陣列數(shù)據(jù)集帆啃，使用GBM-BioDP的多基因生存分析的相同方法瞬女，在不同血統(tǒng)的隊(duì)列中驗(yàn)證了15CAcBRT簽名。與以前的結(jié)果相似努潘，該分析顯示了三個(gè)不同的GBM患者群（第1組诽偷，n = 23；第2組疯坤，n = 83报慕；和第3組，n = 2）压怠，第1組與第2組和第1組與第3組之間存在明顯的生存差異（補(bǔ)充圖S6A 和B）眠冈。此外，在最具侵略性的分子亞型（古典型和間質(zhì)型）中菌瘫，發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)譜較低的患者預(yù)后較好蜗顽，這與GBM-BioDP隊(duì)列的結(jié)果一致（補(bǔ)充圖S7A和B）。多變量Cox回歸分析證實(shí)雨让，在考慮了混雜的協(xié)變量雇盖，如年齡、MGMT啟動(dòng)子甲基化狀態(tài)栖忠、IDH突變狀態(tài)后崔挖，15CAcBRT簽名的第2組成員是生存的獨(dú)立預(yù)測(cè)因素。有趣的是屬于15CAcBRT簽名的IL6庵寞、APOA5虚汛、APOA1、APOA2皇帮、APOB卷哩、APOE、DCC属拾、MAOB和PCSK9基因将谊，當(dāng)患者按熱圖聚類成員分層時(shí)冷溶，顯示出組間基因表達(dá)水平的顯著差異（補(bǔ)充圖S6C）。此外尊浓，這個(gè)特征能夠預(yù)測(cè)接受化療的病人的生存概率增加(補(bǔ)充圖S7C和D）逞频。
05 - 與BRT相關(guān)的基因在功能上與癌癥和神經(jīng)退行性疾病的途徑有關(guān)
????????為了更好地了解BRT所涉及的分子機(jī)制，作者對(duì)與BRT相關(guān)的PPI網(wǎng)絡(luò)的巨型組件進(jìn)行了功能富集分析栋齿。為此苗胀，生成了BRT-PPI和COMT-Extended-PPI網(wǎng)絡(luò)的巨型組件。它們的全局拓?fù)鋵W(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)測(cè)量（圖1B）表明瓦堵，這些巨型組件可以用于功能富集分析基协。在COMT-extended-PPI網(wǎng)絡(luò)的巨型成分中，癌癥相關(guān)的途徑占大多數(shù)（38%）（圖5A菇用，紅條）澜驮。然而，神經(jīng)退行性疾病在巨型組件BRT-PPI網(wǎng)絡(luò)中占主導(dǎo)地位（50%）惋鸥，其中阿爾茨海默病杂穷、亨廷頓病和帕金森病是最相關(guān)的（圖5B，紅條）卦绣。
????????與巨型成分BRT-PPI網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的人類疾病被巨型成分COMT-擴(kuò)展PPI網(wǎng)絡(luò)所覆蓋耐量。有趣的是，COMT-擴(kuò)展PPI網(wǎng)絡(luò)將神經(jīng)退行性疾病與癌癥途徑聯(lián)系起來（圖5A和C）滤港。
四廊蜒、結(jié)論
????????本研究結(jié)果表明，與BRT相關(guān)的基因?qū)BM患者具有臨床意義蜗搔。與BRT相關(guān)的15CAcBRT簽名在GBM患者中具有預(yù)后生存價(jià)值劲藐，并具有藥物重新定位和精準(zhǔn)醫(yī)療的潛力。使用KEGG途徑富集分析證明了RGs樟凄、神經(jīng)退行性疾病和癌癥之間的關(guān)系聘芜。含有R-SNVs的RGs編碼的蛋白質(zhì)（APOE、COMT缝龄、CYP1B1汰现、MGMT和POR）的三維集群以及與BRT相關(guān)的推定致病變體可能是神經(jīng)腫瘤學(xué)靶向方法的一個(gè)相關(guān)部分。
