利用TCGA數(shù)據(jù)庫分析COL11A1、MMP-11基因在膀胱癌中的表達及臨床意義*

陳 玉，彭 維

(1.廣西醫(yī)科大學附屬武鳴醫(yī)院泌尿外科，廣西 南寧 530110；2.廣西醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院肝膽外科，廣西 南寧 530021)

膀胱癌是泌尿系惡性腫瘤最常見的一種，是全球第十大最常見的癌癥。膀胱癌在男性中比在女性中更為常見，男性的發(fā)病率和死亡率分別為9.6/10萬和3.2/10萬，大約是全球女性的4倍。吸煙是除職業(yè)暴露于化學和水污染物之外的主要危險因素[1]。目前，膀胱癌的治療方法主要為手術(shù)切除+化療，非肌層浸潤性膀胱癌以經(jīng)尿道膀胱腫瘤電切術(shù)+術(shù)后膀胱內(nèi)灌注治療為主；浸潤性膀胱癌則以根治性膀胱癌切除術(shù)+化療為主。盡管如此，其腫瘤極高的復發(fā)率仍為膀胱癌治療的難點。隨著分子水平研究的深入，從分子水平探討膀胱癌的發(fā)生發(fā)展機制對控制膀胱癌復發(fā)及改善預后極其重要。COL11A1基因編碼膠原Ⅺ的α1鏈，膠原Ⅺ有利于腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移和擴散，其主要的機制是通過活化局部黏著斑激酶(FAK)導致E-鈣黏蛋白粘連復合物解聚，抑制細胞之間黏附，影響組織的完整性。基質(zhì)金屬蛋白酶-11(MMP-11)是基質(zhì)金屬蛋白酶家族成員之一，一般情況下在機體中低表達，在病理過程中常表現(xiàn)為高表達，其能夠通過細胞外基質(zhì)重構(gòu)促進腫瘤進展，同時還能抑制細胞凋亡促進癌細胞存活，在腫瘤的浸潤和轉(zhuǎn)移中起到重要作用。但目前有關(guān)于COL11A1、MMP-11在膀胱癌發(fā)生發(fā)展過程中的研究甚少，本研究將分析COL11A1、MMP-11兩個基因與膀胱癌發(fā)展、預后的關(guān)系，為尋求新的治療膀胱癌靶點提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1一般資料 從TCGA數(shù)據(jù)庫(http://cancergenome.nih.gov)中下載截至2019年7月的共412例膀胱癌組織及19例癌旁組織中COL11A1、MMP-11的mRNA表達RNA-seq數(shù)據(jù)及膀胱癌患者的臨床數(shù)據(jù)。412例膀胱癌中有11例為非肌層浸潤性，401例為肌層浸潤性。

1.2方法

1.2.1數(shù)據(jù)處理 根據(jù)患者ID號將COL11A1、MMP-11的mRNA表達值與臨床資料整合到同一Excel表格。以中位數(shù)為截點，將COL11A1、MMP-11表達分成高表達組和低表達組各206例(其中有部分數(shù)據(jù)缺失導致有的分組不足206例)，分析COL11A1和MMP-11的表達與膀胱癌臨床病理特征及預后的關(guān)系。

1.2.2基因集富集分析(GSEA) 根據(jù)COL11A1、MMP-11的表達情況分為高表達組(>0.5)和低表達組(≤0.5)，對應分析COL11A1、MMP-11的表達情況對其他基因集的影響。

2 結(jié) 果

2.1COL11A1、MMP-11在膀胱癌組織與癌旁組織中的表達差異 COL11A1在癌組織中的表達高于癌旁組織，但差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；MMP-11在癌組織中的表達高于癌旁組織，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見圖1、2。

圖1 膀胱癌組織及癌旁組織中COL11A1表達水平

2.2COL11A1、MMP-11在膀胱癌患者中表達與臨床特征的相關(guān)性 COL11A1、MMP-11表達與年齡、T分期、N分期、病理分級、臨床分期均顯著相關(guān)(P<0.05)，與M分期、性別均無關(guān)(P>0.05)。見表1。

表1 COL11A1、 MMP-11表達與各項臨床特征的相關(guān)性

2.3COL11A1、MMP-11表達與膀胱癌患者預后的相關(guān)性 Kaplan-Meier生存曲線法分析COL11A1表達與膀胱癌患者的總生存期、3年無瘤生存期、5年無瘤生存期無相關(guān)性(P>0.05)，但COL11A1低表達組的3、5年無瘤生存率(34.2%、33.4%)高于COL11A1高表達組(28.7%、28.0%)，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。與COL11A1低表達組相比，COL11A1高表達組3年內(nèi)腫瘤無復發(fā)的相對危險度為1.301(95%CI1.045～1.621)，5年內(nèi)腫瘤無復發(fā)的相對危險度為1.294(95%CI1.043～1.606)。Kaplan-Meier生存曲線法分析MMP-11表達與膀胱癌患者的總生存期無相關(guān)性(P>0.05)，MMP-11表達與膀胱癌患者3、5年無瘤生存期均呈負相關(guān)(P<0.05)(圖3、4)；MMP-11低表達組的3、5年無瘤生存率(34.6%、33.9%)高于MMP-11高表達組(28.3%、27.5%)，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。與MMP-11低表達組相比，MMP-11高表達組3年內(nèi)腫瘤無復發(fā)的相對危險度為1.363(95%CI1.091～1.704)，5年內(nèi)腫瘤無復發(fā)的相對危險度為1.354(95%CI1.088～1.686)。

圖2 膀胱癌組織及癌旁組織中MMP-11表達水平

圖3 患者3年無瘤生存期與MMP-11表達的相關(guān)性

2.4COL11A1、MMP-11功能富集分析 COL11A1高表達組織樣本富集至細胞黏附因子(P<0.001,FDR=0.002)、細胞外基質(zhì)受體相互作用(P<0.001,FDR=0.001)、黏著斑(P<0.001,FDR=0.002)、白細胞跨上皮遷移(P<0.001,FDR=0.006)、自然殺傷細胞介導的細胞毒性(P<0.001,FDR=0.004)、細胞因子受體相互作用(P=0.002,FDR=0.004)、趨化因子信號通路(P=0.002,FDR=0.004)、T細胞受體信號通路(P=0.002,FDR=0.004)等基因集。見圖5。MMP-11高表達組織樣本富集至細胞外基質(zhì)受體相互作用(P<0.001，F(xiàn)DR<0.001)、黏著斑(P<0.001，F(xiàn)DR<0.001)、細胞黏附分子(P<0.001，F(xiàn)DR<0.001)、白細胞跨上皮遷移(P<0.001，F(xiàn)DR<0.001)、細胞因子受體相互作用(P<0.001，F(xiàn)DR<0.001)、癌癥通路(P<0.001，F(xiàn)DR<0.001)、趨化因子信號通路(P<0.001，F(xiàn)DR<0.001)、溶酶體(P<0.001，F(xiàn)DR<0.001)等基因集。見圖6。

圖4 患者5年無瘤生存期與MMP-11表達的相關(guān)性

A.細胞黏附因子；B.細胞外基質(zhì)受體相互作用；C.黏著斑；D.白細胞跨上皮遷移；E.自然殺傷細胞介導的細胞毒性；F.細胞因子受體相互作用；G.趨化因子信號通路；H.T細胞受體信號通路。

A.細胞外基質(zhì)受體相互作用；B.黏著斑；C.細胞黏附分子；D.白細胞跨上皮遷移；E.細胞因子受體相互作用；F.癌癥通路；G.趨化因子信號通路；H.溶酶體。

3 討 論

COL11A1基因位于人染色體1p21上，編碼COL11A1蛋白，COL11A1蛋白是纖維膠原蛋白家族成員之一，纖維膠原蛋白與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。近年來，有研究結(jié)果提示很多惡性腫瘤中COL11A1異常表達。研究發(fā)現(xiàn)COL11A1在頭頸部鱗癌、結(jié)腸癌、胃癌、胰腺癌、非小細胞肺癌、膠質(zhì)瘤的癌組織中呈高表達[2-5]。但目前COL11A1在膀胱癌中的研究甚少，EWALD等[6]的研究報道通過檢測COL11A1表達差異一定程度上能用于區(qū)分淺表性和肌層浸潤性膀胱癌。DI等[7]通過分析GEO數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在膀胱癌中COL11A1基因表達可區(qū)分膀胱癌的病理類型，COL11A1高表達與不良預后相關(guān)，GSEA結(jié)果顯示COL11A1基因與膠原纖維組織、細胞黏附、細胞外基質(zhì)組織過程有關(guān)。FREIRE等[8]對43例膀胱腫物電切標本性免疫組織化學檢測發(fā)現(xiàn)在pT2膀胱癌中(10/11陽性)和其他病變[pTa、pT1期膀胱癌(1/26)或非腫瘤(0/6)]中的陽性表達率存在顯著差異(P<0.001)。EWALD等[6]使用表達微陣列薈萃分析與肌肉侵襲性膀胱移行細胞癌進展中的相關(guān)途徑研究中發(fā)現(xiàn)，在淺表性膀胱癌(Ta與T1)表達相似，但在肌肉浸潤性T2腫瘤中改變的基因，發(fā)現(xiàn)COL3A1、COL5A1、COL11A1等7個基因肌肉浸潤性腫瘤中的表達模式在5～7個獨立的外部微陣列研究中是一致的。此外，在肌肉浸潤性腫瘤樣本和轉(zhuǎn)移性T24細胞中，原纖維膠原蛋白COL3A1和COL5A1的表達增加。提示參與有絲分裂信號傳導的基因表達增加可能支持肌肉浸潤性膀胱腫瘤的進展，而這些途徑通常缺乏激活突變，而纖維膠原、纖維連接蛋白和特異性信號蛋白的表達變化與肌肉浸潤性疾病有關(guān)。COL11A1基因在腫瘤發(fā)展過程中的作用機制尚未明確，在胃癌研究中COL11A1通過調(diào)節(jié)p21和cyclin D1-CDK6復合物的表達和活性使HGC-27細胞阻滯于G1期，抑制細胞的增殖[9]。另外，COL11A1對細胞侵襲的作用可能通過MMP-3上調(diào)實現(xiàn)，一項卵巢癌研究發(fā)現(xiàn)COL11A1下調(diào)能減少Ets-1結(jié)合MMP-3啟動子區(qū)域[10]。本研究對TCGA數(shù)據(jù)挖掘發(fā)現(xiàn)COL11A1在膀胱癌組織中的表達水平高于癌旁組織，但差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。本研究結(jié)果中COL11A1在T3～4及N1～3中表達水平更高，考慮COL11A1高表達與疾病進展有一定相關(guān)性。COL11A1高表達組的3、5年無瘤生存率顯著低于低表達組，提示COL11A1可能與腫瘤的預后相關(guān)。

MMP是一類蛋白水解酶，可降解大部分細胞外基質(zhì)與基底膜中蛋白酶，正常機體中為低表達，在病理過程中常表現(xiàn)為高表達，與腫瘤細胞增殖、分化、浸潤及遷移等關(guān)系密切。MMP-11為MMPs家族的一種，主要在器官組織周圍分布，通過細胞外基質(zhì)重構(gòu)可促進腫瘤進展，另外還能抑制細胞凋亡促進癌細胞存活，并在浸潤前及晚期病變中發(fā)揮重要作用[11]。既往研究表明，MMP-11影響多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展及預后，在乳腺癌、口腔癌和食管癌中高表達[12]。小鼠腫瘤模型研究結(jié)果顯示MMP-11高表達初級腫瘤的發(fā)生和發(fā)展，其機制可能與增加MMP-11介導的胰島素樣生長因子1生物利用度，以及IGF1/AKT/FOXO1信號通路激活，AKT信號通路激活促進細胞內(nèi)活性氧的積累，并在癌細胞中誘導有氧糖酵解，增強氧化應激相關(guān)[11]。有體外、體內(nèi)實驗表明MMP-11缺失表達可抑制腫瘤細胞的增殖、影響血管形成[13]。LI等[14]發(fā)現(xiàn)MMP-11表達增加與病理分期增加，MMP-11從正常尿路上皮和非浸潤性尿路上皮癌到表面浸潤性亞型及晚期尿路上皮癌的逐步增加有關(guān)，MMP-11的表達與膀胱癌的高癌癥特異性死亡率和轉(zhuǎn)移呈正相關(guān)。MASAYA等[15]的研究也表明MMP-11表達水平越高，膀胱癌患者的生存期越短(P=0.029)。LI等[14]分析GSE31684數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)MMP-11高表達與晚期pT狀態(tài)、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、更高組織學等級、血管和神經(jīng)周浸潤及頻繁的有絲分裂顯著相關(guān)；多變量Cox回歸分析顯示，MMP-11的表達與癌癥特異性死亡率、轉(zhuǎn)移相關(guān)。BI等[16]分析GSE13507數(shù)據(jù)集中MMP-11在膀胱癌組織表達水平明顯高于其在正常膀胱組織中的表達水平；MMP-11高表達與更快的疾病進展、更差的TN分期、更高病理級別及不良預后相關(guān)。本研究結(jié)果中MMP-11在癌組織中的表達高于癌旁組織，提示MMP-11與膀胱癌的發(fā)生、發(fā)展有一定的聯(lián)系。MMP-11在T3～4及N1～3中的表達水平更高，考慮MMP-11高表達與疾病進展有一定相關(guān)。MMP-11表達與膀胱癌患者3、5年無瘤生存期均呈負相關(guān)，且MMP-11高表達組的3、5年無瘤生存率顯著低于低表達組，提示MMP-11與腫瘤的預后相關(guān)。

綜上所述，COL11A1、MMP-11基因表達水平與膀胱癌發(fā)展、預后有關(guān)，但其具體機制尚未明確，進一步研究COL11A1、MMP-11基因可能從靶向治療方向去預防、治療膀胱癌及改善預后起到幫助。