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生信学方法筛选肝硬化向肝细胞癌转化的关键基因

今天和大家分享的是2020年1月发表在Journal of Translational Medicine(IF:4.098)上的一篇文章,“Bioinformatics-based screening of key genes for transformation of liver cirrhosis to hepatocellular carcinoma”,作者用GEO数据集筛选了肝细胞癌和肝硬化的差异表达基因(DEGs),结合STRING数据库和Cytoscape软件构建蛋白-蛋白相互作用(PPI)网络,最后鉴别出影响肝硬化转化为肝细胞癌(HCC)的关键基因CDKN3,有望成为肝细胞癌诊断、治疗及预后的分子标志物。

Bioinformatics-based screening of key genes for transformation of liver cirrhosis to hepatocellular carcinoma
生信学方法筛选肝硬化向肝细胞癌转化的关键基因

一、 研究背景

肝细胞癌(HCC)是肝脏肿瘤最常见的类型,与肝硬化密切相关。目前HCC的分子标志物如AFP、胰岛素样生长因子等均不能较好的区分肝癌和肝硬化,而肝癌早期治疗可以改善患者生存率。因此,了解肝硬化发展为肝癌的机制,可以为预防、诊断和治疗HCC提供新的策略。

二、 分析流程

生信学方法筛选肝硬化向肝细胞癌转化的关键基因

三、 结果解读

1. 肝癌组织的DEGs鉴别分析
  • 在4组GEO数据中筛选差异表达基因(DEGs),绘制Venn图。发现58个共表达的DEGs,其中12个表达上调,46个表达下调。

  • 用STRING数据库和Cytoscape构建58个DEGs的PPI网络(红色和蓝色分别代表基因上调和下调),并用MCODE进行网络聚类挖掘蛋白复合体。其中,最显著的功能模块(module)包含12个节点和66个相互作用,且这些基因在HCC中均表达上调。(图1c)

生信学方法筛选肝硬化向肝细胞癌转化的关键基因

 

图1.Venn图和PPI网络分析DEGs相关的功能模块
 

2. hub基因的筛选分析
  • Cytoscape软件鉴别出3个hub基因(degree≥10):CDKN3、CYP2C9和LCAT。(图2)

生信学方法筛选肝硬化向肝细胞癌转化的关键基因

 

图2.hub基因的功能
 

  • cBioPortal分析发现这3个hub基因显著相关(p<0.05),说明hub基因间存在特异性的相互作用。(图3a-c)

  • Oncomine分析正常、肝硬化、肝细胞癌和肝细胞发育不良四种肝组织中hub基因的表达水平,发现CDKN3在HCC中表达显著上调,在其他情况下表达没有显著差异。而CYP2C9和LCAT正常、肝硬化和肝细胞发育不良中均无显著差异,仅在HCC中表达降低。(图3d-f)说明hub基因在肝硬化到肝癌的发展过程中非常重要。

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图3.CDKN3、CYP2C9和LCAT的相关性及不同肝组织表达情况
 

  • 在364例肝细胞癌中进行KM生存曲线分析,发现CDKN3高表达HCC患者总体生存率降低(p<0.05),而CYP2C9和LCAT高表达患者总体生存率升高(p<0.05)。

  • Oncomine分析CDKN3 mRNA表达水平与肿瘤分级,肝炎病毒感染,卫星结节(主瘤周边肝组织内出现的肉眼或显微镜下小癌灶,主要来源于微血管侵犯MVI基础上的肝内转移)及血管浸润有关(图4)。而CYP2C9和LCAT与这些肿瘤演进的因素无关。这些结果表明CDKN3可能是肝硬化转化为肝癌过程中的关键基因,与HCC发生发展紧密相关。

生信学方法筛选肝硬化向肝细胞癌转化的关键基因

 

 

 

 

图4.CDKN3表达和肿瘤分级、肝炎病毒感染、卫星结节、血管侵袭的关系
 

3. HCC中CDKN3表达相关基因的筛选分析
  • Oncomine分析发现,CDKN3在间变性少突胶质细胞瘤、白血病、肝细胞癌和肉瘤中显著上调。

  • 在TCGA HCC转录组数据中用cBioPortal筛选CDKN3共表达基因,进一步分析CDKN3影响HCC的机制。用Pearson和Spearman系数评估这些基因与CDKN3表达的关系,并用DAVID工具分析500个CDKN3相关基因的KEGG通路,发现CDKN3表达主要影响细胞周期,DNA复制,卵细胞减数分裂,错配修复等通路。(图5)其中,细胞周期通路是CDKN3相关基因富集最多的通路。

生信学方法筛选肝硬化向肝细胞癌转化的关键基因

 

图5.CDKN3相关基因KEGG通路富集分析
 

  • 在KEGG细胞周期通路中标注CDKN3相关基因(红色),发现ORC,MCM,Chk1,Chk2和一些其他基因主要位于S期或G2/M期,调控G1期基因。(图6)因此,CDKN3主要通过调控G1/S期转变促进肿瘤演进。(这里作者写成了抑制肿瘤演进,与讨论部分的结论矛盾。)

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图6.CDKN3相关基因在细胞周期中的位置图
 

小结

本篇文章,作者首先利用4个GEO数据集分析了HCC和肝硬化组织中的DEGs,然后结合STRING数据库和Cytoscape构建DEGs的PPI网络,分析功能模块和hub基因。然后,作者用KM生存曲线分析了hub基因和HCC发生、发展及预后的关系。最后在KEGG通路中分析hub基因影响HCC的分子机制,发现CDKN3通过调节G1/S期转变来发挥促肿瘤基因的作用。

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