MGMT基因在腦膠質瘤組織中表達變化、突變及功能的生物信息學分析

朱鳴峰

天津市靜海區醫院，天津301600

腦膠質瘤是中樞神經系統最常見的惡性腫瘤之一，尤其是膠質母細胞瘤，患者預后較差，遠期生存率低于10%，大多數患者于1年內死亡[1]。腦膠質瘤的發生發展是一個涉及多基因、多步驟的復雜生物學過程，其確切分子機制目前仍未完全闡明。研究顯示，癌基因和抑癌基因的異常表達在腦膠質瘤發生發展中發揮了重要作用[2]。O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶(MGMT)基因編碼蛋白屬于MGMT家族，該蛋白參與細胞DNA中O6-甲基鳥嘌呤(O6-Meg)和O4-甲基胸腺嘧啶(O4-Met)的生物學效應[3，4]。該基因編碼蛋白可將甲基轉移到半胱氨酸殘基，修復DNA中的甲基化堿基，從而對受損DNA進行修復。MGMT基因在腦膠質瘤中的表達、突變情況及其表達水平與患者預后的關系目前尚不清楚[5，6]。2019年4～7月，我們采用生物信息學方法，分析MGMT基因在腦膠質瘤中的表達變化、突變及生物學功能。

1 資料與方法

1.1 MGMT在腦膠質瘤中的表達變化及突變分析 在癌癥基因組圖譜數據庫(TCGA)中檢索MGMT基因在腦膠質瘤患者腫瘤組織和對應的正常腦組織中的表達水平，檢索關鍵詞為“膠質瘤”“MGMT基因”，檢索物種為“人類”。根據腫瘤組織中MGMT基因表達的中位數分為高表達組(MGMT基因表達≥中位數)和低表達組(MGMT基因表達<中位數)，計算兩組總生存時間和無疾病進展生存時間。采用cBioportal分析TCGA數據庫中MGMT基因突變情況。

1.2 MGMT及其相互作用基因的蛋白網絡構建、功能富集及信號通路富集分析 在STRING數據庫中構建MGMT及其相關基因的蛋白相互作用網絡，構建條件為不小于20個蛋白，相互作用指數不小于0.4。采用基因本體論(GO)[7]對網絡中的相關基因進行生物學功能分析，包括MGMT及其相關基因的細胞定位、生物學過程以及分子功能；采用京都基因百科全書(KEGG)對MGMT基因進行相關信號通路分析。

2 結果

2.1 MGMT基因在腦膠質瘤組織的表達變化 MGMT基因在正常腦組織和腦膠質瘤組織中的相對表達量分別為2.88±1.41、3.09±1.62，膠質瘤組織中MGMT基因表達較正常腦組織上調，但差異無統計學意義(t=1.03，P>0.05)。MGMT高、低表達組總生存的中位時間分別為41.2和57.4月，無疾病進展生存的中位時間分別為29.8和50.6月，高表達組總生存時間、無疾病進展生存時間均低于低表達組(HR均為1.5，P均<0.05)。

2.2 MGMT基因突變情況 MGMT基因突變率為2.8%，突變譜主要為C>A、C>G、C>T的突變。

2.3 MGMT基因功能富集和信號通路富集情況 MGMT蛋白網絡中相互作用的蛋白有21個，蛋白間的聯系為104個，平均相互作用度為9.9，聚集指數為0.78，蛋白間富集顯著(P<0.05)。MGMT基因的生物學功能主要富集于DAN修復、細胞對DNA損傷的反應、受損的DNA結合以及RNA聚合酶Ⅱ通用轉錄起始因子結合等(表1)，其相關信號通路主要富集于鉑類化療藥物耐藥、癌癥的信號通路、神經系統腫瘤和DNA錯配修復等(表2)。

表1 MGMT基因的生物學功能

3 討論

腦膠質瘤是臨床常見的神經系統腫瘤之一，流行病學調查顯示，其在普通人群中的發病率為3/10萬～8/10萬[8]。然而膠質瘤確切的發病機制目前仍不十分清楚，有研究認為其發病與先天的遺傳高危因素和環境的致癌因素相互作用有關。分子生物學技術及基因表達高通量檢測技術的發展為探討腦膠質瘤的發病機制提供了重要的方法。MGMT基因為DNA甲基轉移酶編碼基因，在基因轉錄調控過程中發揮重要作用[9～11]。人類MGMT基因定位于10號染色體，該基因有4個轉錄本，編碼蛋白質主要功能為不可逆地將O6-甲基鳥嘌呤轉移，促使鳥嘌呤復原，從而保護DNA免受損傷[12，13]。既往研究認為，MGMT基因異常表達與多種腫瘤的發生發展有關[14]。然而MGMT基因在腦膠質瘤中的表達、生物學功能及相關信號通路并不清楚。

表2 MGMT基因的相關信號通路

TCGA數據庫是美國國家癌癥研究所和美國人類基因組研究所共同監督的一個項目，旨在應用高通量的基因組分析技術，提高對癌癥的預防、診斷和治療能力，從而在整體上提高癌癥患者的預后。本研究分析了TCGA數據庫中MGMT基因在腦膠質瘤中的表達、突變情況及其與膠質瘤患者預后的關系，結果顯示，與正常腦組織比較，膠質瘤患者腫瘤組織中MGMT基因表達上調，但差異無統計學意義。同時發現，MGMT基因在不同腫瘤組織與其對應的正常組織中的表達水平并不一致，在前列腺癌、腎癌和甲狀腺癌中表達水平上調，在食管癌、頭頸部鱗癌和皮膚癌中表達水平下調。因此推測，MGMT基因的表達不但與腫瘤類型有關，可能也存在組織特異性。MGMT基因在腦膠質瘤中的差異表達提示其可能參與了腦膠質瘤的發生發展[15]。

MGMT基因甲基化是其失活的重要原因，也是腦膠質瘤發生的重要機制，同時也為膠質瘤靶向藥物的研發開辟了新的方向和思路。近年來，隨著高通量表達譜芯片和二代測序技術的發展，癌基因和抑癌基因的差異表達和突變在膠質瘤發生發展中也發揮重要作用。在本研究中，MGMT基因在腦膠質瘤腫瘤組織中上調表達，并存在C>A、C>G、C>T的突變，提示該基因的異常表達可能參與了膠質瘤的發生。同時，MGMT表達上調膠質瘤患者總生存時間和無疾病進展生存時間明顯減低，說明MGMT高表達是膠質瘤患者預后不良的分子標志物。探討MGMT在膠質瘤中的作用信號通路及其導致患者預后較差的分子機制，有望成為膠質瘤靶向治療的新靶點。