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基于生物信息学数据库分析CDC20基因在膀胱癌中的表达及临床意义

汪家盛 沈晓鹏 蒋恩琰 蔡丹丹 沈瑞林

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基于生物信息学数据库分析CDC20基因在膀胱癌中的表达及临床意义

    作者简介: 汪家盛(1997-), 男, 硕士研究生
    通讯作者: 沈瑞林, shenrlmd@sina.com
  • 中图分类号: R737.14

Expression and clinical significance of CDC20 gene in bladder cancer based on bioinformatics database

    Corresponding author: SHEN Rui-lin, shenrlmd@sina.com
  • CLC number: R737.14

  • 摘要: 目的探讨膀胱癌中CDC20基因的表达及其临床预后意义。方法使用Oncomine数据库和GEPIA数据库分析CDC20基因在膀胱癌中的表达水平。采用Kaplan-Meier Plotter分析CDC20表达水平与膀胱癌病人总体生存时间的关系,采用LinkedOmics数据库分析CDC20基因表达与膀胱癌病人年龄及临床病理特征的相关性,通过STRING数据库绘制CDC20有关蛋白网络图,分析蛋白富集的生理过程。结果膀胱癌组织中CDC20基因的表达水平明显高于正常膀胱组织(P < 0.01)。Kaplan-Meier生存分析显示,CDC20高表达的膀胱癌病人生存时间低于CDC20低表达的膀胱癌病人(P < 0.05)。STRING数据库分析显示,与CDC20相关的蛋白有FBXO5、CCNB1、AURKA等,主要富集在细胞周期、卵母细胞减数分裂、孕酮介导的卵母细胞成熟、泛素介导的蛋白水解等生理过程。LinkedOmics数据库分析显示,CDC20的表达与病人年龄、人种均有相关关系(P < 0.05和P < 0.01),与TNM分期及病理分期均无明显相关关系(P>0.05)。结论CDC20基因在膀胱癌中高表达,且与膀胱癌病人预后负相关。
  • 图 1  Oncomine数据库中CDC20基因在不同类型肿瘤中的表达情况

    图 2  Oncomine数据库中CDC20基因在膀胱癌中的表达情况

    图 3  CDC20表达与病人OS的关系

    图 4  CDC20基因相关蛋白网络作用关系图

    表 2  CDC20基因相关蛋白及信号通路

    分类编号 生理过程 基因 错误发现率 参与蛋白标签
    hsa04110 细胞周期 6 4.19E-10 CCNB1, ESPL1, ANAPC5, CCNA2, SKP2, CDC20
    hsa04114 卵母细胞减数分裂 6 4.19E-10 AURKA, FBXO5, CCNB1, ESPL1, ANAPC5, CDC20
    hsa04914 孕激素介导的卵细胞成熟通路 4 1.14E-6 AURKA, CCNB1, ANAPC5, CCNA2
    hsa04120 泛素介导的蛋白水解 4 3.38E-6 ANAPC5, UBE2S, SKP2, CDC20
    hsa05203 病毒致癌作用 3 0.00047 CCNA2, SKP2, CDC20
    hsa04068 FoxO信号通路 2 0.0072 CCNB1, SKP2
    hsa04218 细胞衰老 2 0.0087 CCNB1, CCNA2
    hsa05169 EB病毒感染 2 0.0116 CCNA2, SKP2
    hsa05166 人类嗜T淋巴细胞病毒Ⅰ型感染 2 0.0168 ANAPC5, CDC20
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-06
  • 录用日期:  2021-12-31
  • 刊出日期:  2023-11-15

基于生物信息学数据库分析CDC20基因在膀胱癌中的表达及临床意义

    通讯作者: 沈瑞林, shenrlmd@sina.com
    作者简介: 汪家盛(1997-), 男, 硕士研究生
  • 1. 蚌埠医学院 研究生院, 安徽 蚌埠 233030
  • 2. 浙江省嘉兴市第二医院 泌尿外科, 314000

摘要: 目的探讨膀胱癌中CDC20基因的表达及其临床预后意义。方法使用Oncomine数据库和GEPIA数据库分析CDC20基因在膀胱癌中的表达水平。采用Kaplan-Meier Plotter分析CDC20表达水平与膀胱癌病人总体生存时间的关系,采用LinkedOmics数据库分析CDC20基因表达与膀胱癌病人年龄及临床病理特征的相关性,通过STRING数据库绘制CDC20有关蛋白网络图,分析蛋白富集的生理过程。结果膀胱癌组织中CDC20基因的表达水平明显高于正常膀胱组织(P < 0.01)。Kaplan-Meier生存分析显示,CDC20高表达的膀胱癌病人生存时间低于CDC20低表达的膀胱癌病人(P < 0.05)。STRING数据库分析显示,与CDC20相关的蛋白有FBXO5、CCNB1、AURKA等,主要富集在细胞周期、卵母细胞减数分裂、孕酮介导的卵母细胞成熟、泛素介导的蛋白水解等生理过程。LinkedOmics数据库分析显示,CDC20的表达与病人年龄、人种均有相关关系(P < 0.05和P < 0.01),与TNM分期及病理分期均无明显相关关系(P>0.05)。结论CDC20基因在膀胱癌中高表达,且与膀胱癌病人预后负相关。

English Abstract

  • 膀胱癌是泌尿外科临床上最常见的恶性肿瘤之一,在世界范围内膀胱癌发病率居恶性肿瘤的第4位,泌尿系肿瘤第二位,仅次于前列腺癌[1]。近年来膀胱癌的诊治取得了长足进步,然而目前对于膀胱癌的发病机制尚不完全清楚。随着高通量测序与生物信息分析技术的发展,研究[2]表明膀胱癌的发生、发展与多种基因的差异表达相关,为膀胱癌的早期诊断、治疗靶点及预后评价提供了更多的可能,但当前对膀胱癌的治疗手段仍有限,其复发率及转移率仍较高,预后不理想。因此,通过生物信息学方法深入挖掘与膀胱癌相关的生物标记物,可以提高诊断,增加临床疗效,改善病人预后。CDC20是一种细胞周期调节因子,在有丝分裂中,CDC20通过结合APC/C复合体促使姐妹染色单体分离,进而完成细胞分裂从中期到后期的转变[3]。近年来,在多种人类肿瘤中观察到CDC20的过表达,如胰腺癌[4]、乳腺癌[5]、前列腺癌[6]等。但目前无相关证据表明CDC20可作为膀胱癌的候选预后生物标志物和潜在治疗靶标。因此,本研究通过生物信息学方法探讨CDC20在膀胱癌中的表达及其临床意义,为膀胱癌的临床诊疗提供新思路。

    • Oncomine(https://www.oncomine.org/)是一个大型肿瘤基因芯片数据库,涵盖65个基因芯片数据集、4 700个芯片及4.8亿个基因表达数据,可用于分析基因表达差异、寻找离群值、预测共表达基因等[7]。使用该数据库分析CDC20基因在癌组织与正常组织中的表达情况。注册账号并筛选条件: (1)Gene: CDC20;(2)Analysis Type: cancer vs Normal Analysis;(3)Date type: mRNA;(4)Threshold(P-value): P < 0.001;(5)Threshold(fold change): fold change>0.5;(6)Threshold(gene rank): Top10%。检索时间: 2021年5月。

    • GEPIA(http://gepia2.cancer-pku.cn/)是一个由北京大学团队研发的用于癌症和正常基因表达谱分析的公共数据库。可基于癌症基因组图谱(TCGA)和基因型-组织表达(GTEx)数据进行基因差异表达分析、生存分析、类似基因筛选等研究[8]。利用该数据库分析膀胱癌组织与正常组织中CDC20表达差异情况。筛选条件: (1)Expression Analysis: Expression DIY;(2)Box Plot;(3)Gene: CDC20;(4) log2FC Cutoff: 2,P-value Cut off: 0.001;(5)Cancer name: BLCA;(6)MatchTCGA normal and GTEx data。检索时间: 2021年5月。

    • Plotter数据库Kaplan-Meier Plotter(http://kmplot.com/analysis/)能够评估5.4万个基因(mRNA、miRNA、蛋白质)对21种癌症类型生存率的影响,数据库的来源包括GEO、EGA和TCGA。该工具的主要目的是基于meta分析的生存生物标志物的发现和验证。应用该数据库分析CDC20表达水平与病人总体生存时间(overall survival,OS)之间的联系。筛选条件: (1)Gene symbol: CDC20;(2)Cancer: Bladder carcinoma;(3)Survival: OS。检索时间: 2021年5月。

    • LinkedOmics(http://www.linkedomics.org)数据库包含来自TCGA32种癌症和11 158例病人的多组学数据和临床数据。该数据库包含LinkFinder、LinkCompare和LinkInterpreter模块,用于分析和比较肿瘤内和肿瘤间的多组学数据[9]。运用该数据库进行CDC20与膀胱癌病人年龄、种族及临床病理分期的相关性的研究。在该数据库中注册账号后选定筛选步骤: (1)Select cancer cohort: BLCA;(2)Select search dataset: Data,stype: RNAseq;(3)Select sample dataset: No input;(4)Select search dataset attribute: CDC20;(5)Select target dataset: Clinical;(6)Select statistical method: Nonparametric test。检索时间: 2021年5月。

    • STRING(https://www.string-db.org/)数据库可用于整合蛋白质之间所有已知和预测的关联,包括物理相互作用和功能关联[10]。本研究通过该数据库构建CDC20基因相关蛋白的网络图,并进一步发掘其相关蛋白的富集分析。检索时间: 2021年5月。

    • 采用t检验和Kaplan-Meier生存分析。

    • Oncomine数据库检索结果显示,CDC20基因在正常组织与癌组织中存在差异表达共有321个。CDC20在膀胱癌、脑和中枢神经系统癌症、乳腺癌、结直肠癌、肺癌、卵巢癌等肿瘤中高表达,在血液及骨髓系统肿瘤中低表达。进一步荟萃分析该数据库涉及的6项关于CDC20在膀胱癌中差异表达的研究,结果发现,CDC20在膀胱癌中高表达,在基因表达差异中排名118(P < 0.01)。在GEPIA数据库中,共432例样本,其中膀胱癌组织404例,正常膀胱组织28例,CDC20基因在膀胱癌中的表达量(6.12±0.82)明显高于正常膀胱组织(1.96±1.21)(t=25.05,P < 0.01),与Oncomine数据库结果相符。

    • 为了进一步明确CDC20表达与膀胱癌预后的关系,采用Kaplan-Meier Plotter数据库分析CDC20与膀胱癌病人的OS的关系。根据约登指数最大,计算截断值为1 401。当样本中CDC20表达大于截断值时为高表达组,否则为低表达组。结果显示,CDC20高表达的膀胱癌病人OS低于CDC20低表达的膀胱癌病人(P < 0.05)(见图 1)。

      图  1  Oncomine数据库中CDC20基因在不同类型肿瘤中的表达情况

    • 采用LinkedOmics数据库分析CDC20表达与年龄、种族及临床病理分期的关系,结果显示,CDC20的表达与年龄(n=407,FDR=0.033 4,P < 0.05)、人种(n=391,FDR=0.000 1,P < 0.01)均有相关关系,与病理分期(n=406,FDR=0.293 0,P>0.05)、T分期(n=375,FDR=0.194 6,P>0.05)、N分期(n=366,FDR=0.237 7,P>0.05)、M分期(n=207,FDR=0.448 6,P>0.05, )均无明显相关关系。

    • 在STRING数据库筛选,发现CDC20相关蛋白主要包括: FBXO5、CCNB1、AURKA、UBE2S、SKP2、ANAPC5、CCNA2、CENPE、NDC80、ESP21等(见图 2),主要参与的生物过程包括: 细胞周期、卵母细胞减数分裂、孕酮介导的卵母细胞成熟、泛素介导的蛋白水解、病毒致癌机制、FoxO信号通路等(见表 1)。

      图  2  Oncomine数据库中CDC20基因在膀胱癌中的表达情况

      分类编号 生理过程 基因 错误发现率 参与蛋白标签
      hsa04110 细胞周期 6 4.19E-10 CCNB1, ESPL1, ANAPC5, CCNA2, SKP2, CDC20
      hsa04114 卵母细胞减数分裂 6 4.19E-10 AURKA, FBXO5, CCNB1, ESPL1, ANAPC5, CDC20
      hsa04914 孕激素介导的卵细胞成熟通路 4 1.14E-6 AURKA, CCNB1, ANAPC5, CCNA2
      hsa04120 泛素介导的蛋白水解 4 3.38E-6 ANAPC5, UBE2S, SKP2, CDC20
      hsa05203 病毒致癌作用 3 0.00047 CCNA2, SKP2, CDC20
      hsa04068 FoxO信号通路 2 0.0072 CCNB1, SKP2
      hsa04218 细胞衰老 2 0.0087 CCNB1, CCNA2
      hsa05169 EB病毒感染 2 0.0116 CCNA2, SKP2
      hsa05166 人类嗜T淋巴细胞病毒Ⅰ型感染 2 0.0168 ANAPC5, CDC20

      表 2  CDC20基因相关蛋白及信号通路

    • 膀胱癌是泌尿生殖系统中最常见的肿瘤之一。近年来由于受到环境污染及吸烟等因素影响,膀胱癌的全球发病率在逐渐上升,也是中国老年人死亡的主要原因[11]。目前治疗膀胱癌的治疗策略主要包括: 手术治疗、化学治疗、放射治疗及生物治疗,但膀胱癌的十年复发率仍高达74.3%[12]。现阶段膀胱镜是诊断膀胱癌的金标准,但由于操作的复杂性及侵入性,容易造成部分病人的不良医疗体验,增加出血和感染的风险[13]。尿细胞学检查也是膀胱癌诊断和术后随访的主要方法之一,然而这种诊断方法对低级别膀胱癌的诊断敏感性较低[14]。随着肿瘤基因组学和肿瘤分子生物学研究的快速发展,极大地提高了人们对膀胱癌发生发展的认识,虽然现有研究已经确定了一些在膀胱癌的发生发展中起重要作用的基因, 但膀胱癌的治疗效果和预后并未得到令人满意的改善,因此仍需进一步探究在膀胱癌的发生、发展中起关键作用的相关分子标志物,为早期诊断、预后判断寻求新的基因治疗靶点提供依据。

      CDC20作为一种细胞周期调节因子,通过结合APC/C复合体使姐妹染色单体分离,使细胞在有丝分裂中完成中期到后期的转换。以往的研究[15]中,在人类的多种肿瘤中都观察到CDC20基因的过表达,并与病理临床分期具有明显相关性。在CHANG等[16]的一项回顾性研究中,发现CDC20在胰腺肿瘤组织中的表达明显高于慢性胰腺炎组织和正常胰腺组织中的表达,且与低分化的胰腺肿瘤的5年无复发生存率相关。ALFARSI等[17]证实了CDC20基因的高表达致雌激素受体阳性的乳腺癌病人预后不良,对内分泌治疗效果不理想。XIONG等[18]揭示了CDC20可能是肝癌中免疫相关的治疗靶标。因此,我们猜测CDC20可能参与膀胱癌的发生、发展,通过生物信息学的数据整合,从CDC20在膀胱癌中的表达,与膀胱癌的临床病理特征相关性,CDC20基因相关蛋白及富集分析等方面,多维度评估CDC20在膀胱癌中的表达与预后意义。

      图  3  CDC20表达与病人OS的关系

      图  4  CDC20基因相关蛋白网络作用关系图

      本研究通过Oncomine、GEPIA数据库证实了CDC20在膀胱癌中高表达,再通过Kaplan-Meier方法分析生存数据发现,CDC20高表达的病人OS较低,说明CDC20的表达与膀胱癌病人的预后有关,提示其可能成为膀胱癌病人预后评估的生物学指标。有研究[19]证实,CDC2基因的功能障碍可导致包括膀胱癌在内的多种癌症的分化不良、肿瘤非整倍体和不良预后。通过LinkedOmics数据库,本研究发现CDC20与年龄和人种具有相关性,遗憾的是,并未发现CDC20与TNM分期及病理分期具有相关性。分析其原因可能是由于本研究是通过多个统计步骤得出的,设置不同的检索标准,使用不同的工具,结果可能有所不同。因此,该结论仍然是理论性的,未来仍需进一步验证研究以确认其临床效果,期待有样本量更大、临床信息更详细的生物信息学和实验研究来进一步扩展我们的研究。

参考文献 (19)

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