鼻咽癌組織中基因差異表達及蛋白互作網絡分析

李明陽，馬春霞，吳翰欣，吳小海，俞建昆

1.中國醫學科學院北京協和醫學院 醫學生物學研究所 中心實驗室，云南 昆明 650118；2.昆明醫科大學 附屬第二醫院，云南 昆明 650118

鼻咽癌（nasopharyngealcarcinoma，NPC）是常見于我國南方及東南亞地區的鼻咽部惡性腫瘤，尤其高發于廣東省[1]。鼻咽癌的發病與Epstein-Barr病毒（EBvirus，EBV）感染、遺傳因素及環境因素密切相關[2-6]。隨著高通量測序技術及基因芯片技術的發展，從不同層次如基因組、轉錄組、蛋白質組，甚至代謝組等方面研究惡性腫瘤的發生發展及預后已成為全世界科學家的共識[7-9]。因此，我們利用生物信息學技術，在基因層面分析鼻咽癌組織與正常組織的差異，篩選表達差異明顯的核心基因，為將來臨床上提高診斷率以及針對新的靶點開發更高效的抗癌藥物奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

鼻咽癌組織基因表達譜下載自NCBI-GEO DataSet數據庫（https://www.ncbi.nlm.nih.gov）,編號為GSE13597，該芯片中共包含25例NPC和3例正常組織對照樣本。

1.2 方法

利用R語言程序包（edgR包）篩選差異表達基因（differentiallyexpressedgenes，DEGs）并繪制基因表達熱圖和火山圖，標準設置為差異表達倍數∣FC∣＞1，FDR＜0.05，P＜0.05。利用在線分析工具（https://david.ncifcrf.gov/；http://www.string-db.org/；https://www.geodiver.co.uk/analyse）對篩選出的候選基因進行GO富集、KEGG通路分析以及蛋白互作網絡分析，以確定核心基因。P＜0.05被認為具有統計學意義。

2 結果

2.1 樣本數據檢驗

如圖1所示，每個樣本總體基因表達無明顯差異，芯片檢測結果有效，可用于后續分析。

圖1 樣本數據總覽箱式圖

2.2 差異基因分析

如圖2、3所示，從25例鼻咽癌組織樣本和3例正常組織對照樣本中共分析出1103個DEGs，包括600個上調基因和503個下調基因（P＜0.05）。

圖2 基因表達熱圖

2.3 GO基因富集分析

如圖4～6所示，GO分析結果顯示，DEGs在生物過程中顯著富集，包括細胞分裂、DNA復制、G1/S有絲分裂細胞周期的轉變和有絲分裂核分裂；在分子功能中，包括與蛋白質結合、與ATP結合、蛋白同二聚化活性、與DNA復制起點結合以及與受損的DNA結合；在細胞組分中，包括細胞質、核質、胞外體和船體中部。

圖4 生物過程分析結果（Top5）

2.4 KEGG通路分析

KEGG通路分析（圖7）顯示，DEGs在細胞周期、DNA復制、癌癥途徑、p53信號通路、錯配修復、小細胞肺癌、卵母細胞減數分裂、氨基糖和核苷酸糖代謝、基部切除修復和Ⅰ型人T淋巴細胞病毒（HTLV-Ⅰ）感染等信號通路中顯著富集。

圖5 細胞組分分析結果（Top5）

圖6 分子功能分析結果（Top5）

圖7 基因通路分析結果（Top10）

2.5 候選基因蛋白產物互相作用分析

在蛋白互作分析網絡中，CDC45、MCM10、MCM3、MCM5、MCM2、CDC7、CDT1、CDC6、SMC2和NCAPG節點度最高，即為核心基因（圖8）。

3 討論

現代醫學治療鼻咽癌的有效方案多為放化療結合，而傳統的化療藥物在治療過程中對患者自身正常的細胞也會造成損傷[10]，在提倡精準醫療的今天，通過生物信息學方法篩選鼻咽癌組織中的核心基因，可為研制新的抗癌藥物指明方向，也可降低藥物治療對非惡性細胞的副作用。

我們利用R語言軟件包對鼻咽癌患者組織基因芯片進行分析，發現差異表達的基因多富集于細胞周期和DNA復制等信號通路中，篩選出CDC45、MCM10、MCM3、MCM5、MCM2、CDC7、CDT1、CDC6、SMC2和NCAPG這 10個關鍵基因，其中復制起始蛋白質CDC45的高表達也提示鼻咽癌患者細胞中的DNA復制明顯異于正常人組織細胞。最新研究指出，DNA解旋酶B與CDC45相互作用并促進CDC45與染色質結合，進而影響細胞周期；而CDC45基因的突變會引起Meier-Gorlin綜合征和顱肩間窩骨折等病癥[11-12]。因此，進一步探討CDC45基因在鼻咽癌中高表達的調控機制顯得尤為重要，希望在治療癌癥的道路上，CDC45能成為有效的藥物新靶點。

參考文獻