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大家好,今天要和大家分享的是2021年7月發表的一篇文章「Pan-cancer analyses reveal genomics and clinical characteristics of the melatonergic regulators in cancer」。

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褪黑素是一種內源性激素,除調節晝夜節律、睡眠和神經內分泌活動外,還在各種生存途徑中發揮作用。在本研究中,作者使用來自癌症基因組圖譜和癌細胞系百科全書中的多組學數據對33種癌症類型的9125個腫瘤樣本中的褪黑素調節劑進行了全面分析。在基因組領域,作者將AANAT和GPR50的雜合擴增以及PER3、CYP2C19和MTNR1A的雜合缺失確定為主要改變事件。基因表達分析則揭示了甲基化介導的褪黑素調節表達下調。此外,作者還發現褪黑素調節因子的表達可用於預測多種癌症患者的存活率。microRNA(miRNA)分析揭示了一個miRNA-mRNA相互作用網絡,並且失調的miRNA可通過靶向生物鐘基因參與褪黑素的分泌和代謝。通路分析表明,褪黑素調節劑與抑制細胞凋亡、細胞周期、DNA損傷反應以及RAS/MAPK和RTK信號通路的激活有關。重要的是,通過挖掘癌症數據庫中藥物敏感性基因組學,作者還發現了許多可能針對褪黑素調節劑的潛在藥物。這項研究揭示了褪黑素調節劑在泛癌中的基因組改變和臨床特徵,可能為癌症的臨床治療提供一種新的方法。

發表雜誌:J Pineal Res.

影響因子:13.001

研究背景

流行病學研究表明,環境因素和生活方式的改變可能是全球癌症發病率上升的重要原因。最近的研究表明,晝夜節律紊亂會增加多種癌症的易感性,包括肺癌、乳腺癌、前列腺癌、結直腸癌和非霍奇金淋巴瘤。褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)是松果體分泌的一種普遍存在的多效性分子。褪黑素循環的高峰出現在夜間,負責調節晝夜節律,包括睡眠周期、青春期發育和神經內分泌活動。褪黑素的自然合成與多種過程有關,乙酰5-羥色胺O-甲基轉移酶(ASMT)和芳基烷胺N-乙酰基轉移酶(AANAT)是褪黑素生物合成途徑中的重要合成酶。另外,褪黑素可通過與褪黑素受體1A(MTNR1A)和褪黑素受體1B(MTNR1B)相互作用,進而觸發RORA下游信號的激活,從而發揮多種生理功能。然而,癌症中褪黑素調節因子的基因組和臨床特徵還需要進一步的研究。

流程圖

分析解讀

褪黑素調節因子的基因組表達和亞型分析

①測定30個正常器官/組織中褪黑素調節因子的基因表達。

②泛癌中各腫瘤組織mRNA差異表達分析。

③生存分析:Cox比例風險模型計算每個基因的生存風險(HR),隨後對每個基因進行Kaplan-Meier生存的對數檢驗。

④為了鑑定影響癌症亞型的臨床相關基因,進行表達亞型分析。

結果:

下圖A:GTEx數據集中褪黑素能調節劑表達譜的熱圖。

下圖B:正常組織與腫瘤組織的mRNA差異。

下圖C:褪黑素能調節亞型在癌症中的表達。

下圖D:褪黑素調節劑生存分析。

下圖E-F:PER3(E)和ARNTL(F)與癌症預後有關。

單核苷酸變異(SNV)分析

①SNV數據(n=8,663)是從TCGA數據庫收集的33種癌症的SNV數據。

②用突變樣本數/腫瘤樣本數計算各基因編碼區SNV突變頻率(百分比)。

結果:

下圖A:褪黑素調節因子的突變頻率。

下圖B:顯示褪黑素調節因子的突變分布。

拷貝數變異(CNV)分析

①從TCGA數據庫中收集33種癌症類型的CNV的原始數據(n=11,495)並使用GISTICS2.0進行處理。

②在CNV模塊分析中計算CNV百分比和CNV與mRNA的相關性。

③使用GISTIC處理的CNV數據生成基於CNV亞型的百分比統計,並使用原始CNV數據和mRNA RSEM數據計算相關性。

④將mRNA表達與CNV原始數據合併,探討兩者之間的相關性。

⑤成對的mRNA表達和成對的CNV百分比樣本之間的關聯基於人的乘積矩相關係數和t分布進行了測試。

結果:

下圖A:CNV餅圖顯示了泛癌中每個基因的雜合/純合CNV組合。

下圖B:雜合性CNV圖譜顯示雜合性CNV的百分比,包括泛癌中每個基因雜合性CNV的擴增和缺失百分比。

下圖C:CNV與mRNA表達的相關性。

甲基化分析

①在這項研究中,具有超過10個腫瘤-正常對的癌症將在腫瘤和正常之間進行進行Student's T檢驗以定義腫瘤和正常樣本之間的甲基化差異。

②褪黑素調節因子的mRNA表達和甲基化數據進行合併。

③基於Pearson的乘積矩相關係數測試配對mRNA表達和甲基化之間的關聯,然後進行t分布測試。

④結合甲基化數據和臨床總生存期數據,根據中位甲基化水平將基因甲基化水平分為兩組。用Cox回歸分析兩組基因甲基化的比例。

結果:

下圖A:在每種癌症中,腫瘤和正常樣本之間的褪黑素調節因子的甲基化程度不同。

下圖B:甲基化與mRNA基因表達的相關性。藍點代表負相關,紅點代表正相關,顏色越深,相關性越高。

下圖C:具有高甲基化和低甲基化的褪黑素調節因子的樣本之間的存活率存在統計學差異。

下圖D-E:腎上腺皮質癌CYP1A2甲基化(D)和腎透明細胞癌(KIRC)RORA甲基化(E)的預後分析。

microRNA(MiRNA)調控網絡分析

①合併miRNA和基因表達。

②基於Pearson相關係數對mRNA和miRNA表達之間的關聯。

③計算所有配對樣本的相關性。

③負相關的miRNA-基因對將被視為潛在的負調控對。

結果:

下圖:一個miRNA和一個調節子連接節點代表了miRNA對基因的調控。節點大小與節點度呈正相關,邊寬由相關係數的絕對值決定。

褪黑激素調節因子之間的通路分析

①來自TCPA數據庫的反相蛋白質陣列(RPPA)數據用於計算7876個樣品的分數。

②基因表達按中位表達分為兩組(高和低),組間通路活性評分(PAS)的差異使用Student's T檢驗定義,p值由FDR調整。

結果:

下圖A:生物鐘基因對通路活性影響的綜合百分比。

下圖B:線代表不同途徑之間的連接,其中連接一條途徑的實線代表激活,連接一條途徑的虛線代表抑制,線的顏色代表了不同的癌症類型。

褪黑素調節因子的藥物敏感性分析

①從GDSC下載藥物的劑量-反應曲線(AUC)值下的面積和所有癌細胞系的基因表達譜。

②使用Fisher<80><99>s Z變換將轉錄水平和AUC的Pearson相關係數標準化。

③將注釋的藥物-靶標對的Pearson相關係數與通過隨機抽樣相關性生成的相同數量的相關對進行比較,對GDSC IC50藥物數據進行基因集耐藥性分析。

結果:

下圖:Spearman相關係數用於顯示基因表達是否與藥物敏感性相關。正相關是基因高表達表示對藥物耐藥,負相關是基因高表達表示對藥物敏感。

小結:

在本項研究中,作者綜合評價了33個實體瘤中褪黑素調節因子的基因組學和臨床特徵。研究發現,基因組和表觀遺傳學的改變,以及mRNA表達與miRNA網絡介導的褪黑素調節因子的異位表達參與了癌症相關通路的激活,並與臨床生存密切相關。另外,遺傳分析顯示褪黑素調節因子的拷貝數變異頻率很高,而生物鐘基因的異常高甲基化介導了褪黑素調節因子的下調。因此,作者推測在某些情況下,褪黑素調節基因的遺傳和表觀遺傳改變可能會導致褪黑素功能障礙,促進腫瘤的發生,而針對這些褪黑素調節因子靶向療法可能是治療癌症的突破口。
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