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生物信息学分析结直肠癌与正常结肠粘膜间发展的基因研究

作者:2018-10-01 01:02阅读:文章来源:未知

  摘要:目的 通过生物信息学分析研究结直肠癌与正常结肠粘膜间基因表达的差异, 找出关键的差异表达基因, 从而预测参与结直肠癌发生发展中的关键基因。方法 从GEO表达谱数据库中下载表达谱基因芯片数据GSE50760 (包括18例结直肠癌样本及配对的正常结肠粘膜组织) 。利用Morpheus在线软件对基因芯片GSE50760的数据进行分析, 获得在结直肠癌与正常结肠粘膜组织中差异表达的基因, 并构建聚类分析热图。利用human protein atlas在线数据库获得差异表达基因在结直肠癌与正常结肠粘膜组织中的免疫组化表达水平。并进一步利用human protein atlas数据库的数据对差异表达基因在结直肠癌患者中的表达高低进行生存分析。结果 通过分析GSE50760获得前100个差异表达的基因。利用human protein atlas在线数据库对这100个差异表达基因的免疫组织表达水平进行分析发现, FAM135B基因在结直肠癌组织中的表达比正常结肠粘膜中的表达明显下调。生存分析也提示当FAM135B基因高表达时, 结直肠癌患者的预后相对较好。结论 FAM135B可能是结直肠癌中潜在的抑癌基因, 其表达下调在结直肠癌的发生发展过程发挥重要作用, 并可能成为判断结直肠癌患者预后的重要的生物学指标。

  关键词:FAM135B; 结直肠癌; 生物信息学分析; 免疫组化; 预后;

生物信息学

  The expression and biological function of FAM135B in colorectal cancer by bioinformatics analysis

  LIANG Jiahong XU Qiaodong YAN Jiang

  Department of Biliary-Pancreatic Minimally Invasive Surgery, The First Affiliated Hospital of Shantou University Medical College

  Abstract:

  Objective To investigate the differences in gene expression between colorectal cancer and normal colon mucosa by bioinformatics analysis, and to identify key differentially expressed genes, thereby predicting key genes involved in the development of colorectal cancer. Methods The expression microarray data GSE50760 (including 18 colorectal cancer samples and matched normal colon mucosal tissues) was downloaded from the GEO expression profile database. The data of the gene chip GSE50760 was analysed by Morpheus to obtain differentially expressed genes between colorectal cancer tissues and normal colon mucosa tissues, and a cluster analysis heat map was constructed. The online database human protein atlas was used to obtain the immunohistochemical expression of the differentially expressed genes in colorectal cancer and normal colon mucosa. The prognostic value of the differentially expressed genes in colorectal cancer was analysed by survival analysis using the data in human protein atlas. Results The top 100 differentially expressed genes were obtained by analyzing GSE50760. The immunohistochemical expression levels of these 100 differentially expressed genes were analyzed by using the data in human protein atlas. It was found that the expression level of FAM135 B was significantly lower in colorectal cancer tissue than that in normal colon mucosa. The survival analysis also suggested that the higher expression level of FAM135 B was associated with better prognosis of patients with colorectal cancer. Conclusion FAM135 B may be a potential tumor suppressor gene in colorectal cancer. The down-regulation of FAM135 B plays an important role in the occurrence and development of colorectal cancer, and may be an important biological indicator for judging the prognosis of colorectal cancer patients.

  Keyword:FAM135B; colorectal cancer; bioinformatics analysis; immunohistochemistry; prognosis;

  结直肠癌 (colorectal cancer, CRC) 是最常见的致死性肿瘤之一。根据国际癌症研究机构公布的GLOBOCAN 2012显示:在全球范围内, 结直肠癌在所有的癌症相关死亡中排第4位;在最常见的肿瘤类型中排第3位[1]。我国结直肠癌的发病率在男性肿瘤中位居第5位, 在女性肿瘤中位居第4位;死亡率在肿瘤中位居第5位[2]。因此对结直肠癌患者实行有效的预防、治疗以及预后监测, 具有非常重要的意义。

  系列相似家族135成员B (FAM135B) 基因位于人类8号染色体的长臂上, 编码的FAM135B蛋白包含1406个氨基酸。目前研究表明FAM135B在食管癌中表达上调, 可能是食管癌中的潜在促癌基因[3]。然而, FAM135B在其他肿瘤中, 包括结直肠癌中的表达及作用目前无相关文献报道。在此项研究中, 我们首先通过生物信息学分析技术, 利用Morpheus在线软件对基因芯片GSE50760的数据进行分析 (包括18例结直肠癌样本及配对的正常结肠粘膜组织) 获得100个差异表达的基因。这100个差异表达的基因中包含FAM135B基因。接着, 对这100个差异表达基因的免疫组织表达水平进行分析发现, FAM135B基因在结直肠癌组织中的表达比正常结肠粘膜中的表达明显下调。生存分析也提示FAM135B基因高表达结直肠癌患者的预后相对较好。这些研究结果提示我们, FAM135B可能是结直肠癌中潜在的抑癌基因, 其表达下调在结直肠癌的发生发展过程发挥重要作用, 并可能成为判断结直肠癌患者预后的重要的生物学指标。

  1 资料与方法

  1.1 基因芯片数据

  GSE50760的基因芯片数据来源于美国国立生物技术信息中心 (National Center of Biotechnology Information, NCBI) 基因表达数据库 (Gene Expression Omnibus, GEO) 下载获得。该基因芯片含有54个临床标本的基因表达谱数据, 其中包括18个正常结肠粘膜、18个结直肠癌组织以及18个发生肝转移的结直肠癌组织。

  1.2 识别差异表达基因

  我们利用在线基因芯片数据分析软件Morpheus (http://software.broadinstitute.org/morpheus) 分析18个正常结肠粘膜和18个结直肠癌组织中差异表达的基因。将36例样本数据导入Morpheus, 随后正常结肠粘膜和结直肠癌组织间差异表达基因进行筛选。根据基因名称和基因芯片信号灰度值过滤基因表达缺失数据 (<5%) , 然后对标准的基因信号值进行fold change检验 (log2 FC<-2或log2 FC>2, P<0.05, q<0.05) , 即以差异倍数为检验标准, 取对数进行数据转换, 用2倍差异得到明显差异表达基因, 同时以P值和q值统计学筛选[4]。最后通过信噪比 (Signal to noise, SNR) 的差异进行排序, 获得排在前100的差异表达基因 (50个表达上调基因及50个表达下调基因) , 用pearson相关分析生成聚类分析热图。FAM135B基因在这100个基因其中, 相比于正常结肠粘膜组织, FAM135B基因在结直肠癌组织中表达下调。

  1.3 FAM135B蛋白在人结直肠癌组织及正常结肠粘膜组织中的表达分析

  FAM135B蛋白在人结直肠癌组织及正常结肠粘膜组织中的表达水平是通过human protein atlas在线数据库 (www.proteinatlas.org) 获得。

  1.4 生存分析

  利用human protein atlas (www.proteinatlas.org) 在线数据库分析FAM135B表达在结直肠癌中的预后价值。根据FAM135B在597例结直肠癌患者中的表达高低分为两组, 对两组患者进行生存分析。生存分析采用Kaplan-Meier法。

  2 结果

  2.1 差异表达基因及其热图 (图1)

  通过基因芯片在线分析工具Morpheus分析, 获得在正常结肠粘膜和结直肠癌组织间出现明显表达差异的基因;通过信噪比SNR的差异进行排序, 获得排在前100的差异表达基因 (50个表达上调基因及50个表达下调基因) , 用pearson相关分析生成聚类分析热图。FAM135B基因在这100个基因其中。在基因芯片数据分析中, 相比于正常结肠粘膜组织, FAM135B基因在结直肠癌组织中表达下调。

  图1 前100个差异表达的基因热图 (50个表达上调, 50个表达下调) 红色:表达上调;蓝色:表达下调

  2.2 FAM135B蛋白在人结直肠癌组织及正常结肠粘膜组织中的表达分析

  通过human protein atlas在线数据库获得FAM135B蛋白在正常结肠粘膜 (图2A) 和结肠腺癌组织中的表达 (图2B) 。结果显示:与正常结肠粘膜相比, FAM135B蛋白在结肠腺癌组织中表达下调。

  图2 FAM135B蛋白在正常结肠粘膜 (图2A) 和在结肠腺癌组织中的表达 (图2B) , 图片数据来源于human pro-tein atlas数据库

  

  2.3 生存分析

  通过human protein atlas在线数据库获得FAM135B在597位结直肠癌患者中的表达数据, 根据表达差异分为低表达组 (n=166) , 高表达组 (n=431) , 对两组患者的总体生存期进行生存分析。结果显示:与FAM135B低表达组相比, FAM135B高表达患者的预后相对较好, 差异有统计学意义 (P=0.0171) 。 (图3)

  3 讨论

  结直肠癌作为全球范围内最常见的恶性肿瘤之一, 具有较高的发病率和死亡率。随着生活水平的提高和饮食习惯的改变, 我国结直肠癌的发病率和死亡率呈上升趋势[5]。结直肠癌的发生发展是涉及基因改变、表观遗传学机制、机体内分泌变化、机体免疫等的复杂生物学过程[6]。了解结直肠癌的发生发展及转移对于其诊断和治疗非常重要。随着近年来高通量测序及基因表达谱芯片技术的发展, 越来越多的结直肠癌中的潜在基因治疗靶点被研究发现。我们通过对基因表达谱芯片GSE50760的数据进行生物学信息分析, 获得在结肠正常粘膜和结直肠癌组织间的差异表达基因。在我们选取的100个差异表达基因中, 有USP2[7], ABCG2[8], NIT2[9], ADAMTS12[10]等多个基因在结直肠癌中的功能及相关作用机制已经得到研究报道。

  图3对597位结直肠癌患者的生存分析, 与FAM135B低表达组相比, FAM135B高表达患者的预后相对较好, P=0.0171。图片数据来源于human protein atlas数据库
 

  在对GSE50760的数据分析中, 我们发现相对于正常结肠粘膜组织, FAM135B在结直肠癌组织中表达下调。目前关于FAM135B基因的功能作用研究较少。既往研究发现FAM135B在食管癌中表达上调[3], 而FAM135B在其他肿瘤尤其是结直肠癌中无相关研究。我们通过human protein atlas数据库获取FAM135B蛋白在结直肠癌组织及正常结肠粘膜组织中的免疫组化表达数据。结果显示相比于正常结肠粘膜, FAM135B在结直肠癌组织中表达下调。这与基因芯片表达谱GSE50760的数据分析结果相一致, 提示FAM135B可能是结直肠癌中潜在的抑癌基因。进一步我们从human protein atlas数据库获取了597位结直肠癌患者中FAM135B的表达数据, 并根据FAM135B的表达水平分为高表达组和低表达组。通过对这两组结直肠癌患者的生存分析, 我们发现FAM135B高表达的患者预后相对较好。综上, 本研究认为FAM135B可能是结直肠癌中的潜在的抑癌基因, 可能成为监测结直肠癌患者预后的一个重要的生物学指标, 这一发现能为结直肠癌临床治疗发现新的靶点提供一定的理论依据。

  本研究通过基因芯片数据分析寻找结直肠癌与正常结肠粘膜组织中的差异表达基因, 并结合human protein atlas数据库对差异表达基因在临床样本中的免疫组化表达水平进行分析验证, 最后进行结直肠癌患者的分组及生存分析, 提出FAM135B可能是结直肠癌中的潜在的抑癌基因的最终结论。本研究具有一定的创新性, 充分运用了生物信息学分析技术, 利用了公共卫生数据。但是本研究也有一定的不足, 本研究几乎所有数据来源于数据库, 缺乏自己相应的实验数据支持, 同时在FAM135B在结直肠癌发生发展中的具体功能及其作用机制仍有待进一步研究。

  参考文献
  [1]Torre LA, Bray F, Siegel RL, et al.Global cancer statistics, 2012[J].CA:a cancer journal for clinicians, 2015, 65 (2) :87-108.
  [2]Zhang Y, Chen Z, LI J.The current status of treatment for colorectal cancer in China:A systematic review[J].Medicine, 2017, 96 (40) :e8242.
  [3]崔淼, 许春伟, 张博, 摘.食管鳞状细胞癌基因组改变的确认[J].临床与实验病理学杂志, 2014, 11:1325.
  [4]李世安, 刘友, 刘希光, 等.神经干细胞与神经元差异表达基因的生物信息学分析[J].临床神经外科杂志, 2017, 14 (6) :406-412, 416.
  [5]马悦.MSI结直肠癌的研究进展[J].实用肿瘤学杂志, 2017, 31 (4) :376-80.
  [6]Liang B, Li C, Zhao J.Identification of key pathways and genes in colorectal cancer using bioinformatics analysis[J].Med Oncol, 2016, 33 (10) :111.
  [7]Davis MI, Pragani R, Fox JT, et al.Small molecule inhibition of the ubiquitin-specific protease USP2 accelerates cyclin d1degradation and leads to cell cycle arrest in colorectal cancer and mantle cell lymphoma models[J].J Bio Chem, 2016, 291 (47) :24628-24640.
  [8]Hsu HH, Chen MC, Baskaran R, et al.Oxaliplatin resistance in colorectal cancer cells is mediated via activation of ABCG2 to alleviate ER stress induced apoptosis[J].J Cell Physiol, 2018, 233 (7) :5458-5467.
  [9]Zheng B, Chai R, Yu X.Downregulation of NIT2 inhibits colon cancer cell proliferation and induces cell cycle arrest through the caspase-3 and PARP pathways[J].Int J Mol Med, 2015, 35 (5) :1317-22.
  [10]Wang D, Zhu T, Zhang FB, et al.Expression of ADAMTS12 in colorectal cancer-associated stroma prevents cancer development and is a good prognostic indicator of colorectal cancer[J].Dig Dis Sci, 2011, 56 (11) :3281-3287.

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