基于生物信息学和分子对接技术对皮肤黑色素瘤中癌基因AURKA综合分析及靶向药物筛选

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背景:皮肤黑色素瘤(cutaneous melanoma,CM)具有高度侵袭性及发病隐匿等特点,是致死率最高的皮肤肿瘤。尽管手术切除能治愈早期原发CM,然而,它极易发生转移,当伴有淋巴结或远处转移时5年生存率只有15%~20%。近年来,虽然免疫治疗和靶向治疗改善了晚期CM患者的预后,但能从中受益的CM患者只占30%~40%,半数以上CM患者对免疫检查点阻断疗法(Immune checkpoint blockade,ICB)和靶向治疗的耐药性和副作用较大,导致应用受限。因此,本研究旨在探索可以预测CM患者预后的候选生物标志物及治疗靶点并了解极光激酶A(Aurora kinase,AURKA)在CM中的表达模式、预后预测价值、免疫反应、生物学功能及潜在的靶向药物。方法:1 CM核心枢纽基因的鉴定:1.1从TCGA数据库、GTEX数据库及GEO数据库中获取CM及正常皮肤组织原始数据集(包括RNA-seq、表型和生存数据),利用差异表达分析、加权基因共表达网络分析(weighed gene coexpression network analysis,WGCNA)、蛋白互作分析及4种筛选枢纽基因拓扑算法等多种生物信息学方法筛选出CM枢纽基因。1.2对筛选出的枢纽基因进行相关性分析、单因素COX回归分析及ROC诊断分析,鉴定出影响CM发生、发展及预后核心枢纽基因。2.核心枢纽基因对CM预后及免疫浸润的综合分析:通过差异分析、预后分析、功能富集分析和多种不同免疫浸润算法(CIBERSORT、TIMER、EPIC、x Cell、MCPCOUNTER、QUANTISEQ、CIBERSORT_ABS、ss GSEA及ESTIMATE)研究CM核心枢纽基因AURKA预后价值、潜在作用及对肿瘤微环境的影响。3.靶向抑制核心枢纽基因编码蛋白小分子化合物筛选及作用机制初步探讨:3.1通过分子对接技术从ZINC数据库中筛选出打分靠前的100个靶向抑制核心枢纽基因编码蛋白小分子化合物抑制剂,随后通过MTT实验对打分靠前的10个小分子化合物进行细胞毒性测定。3.2使用靶向抑制核心枢纽基因编码蛋白小分子化合物ZINC000097018978干预A875细胞,采用流式细胞术检测细胞周期变化及细胞凋亡,划痕实验检测细胞迁移,Transwell实验检测细胞侵袭能力,实时定量逆转录聚合酶链反应(Real-time quantitative reverse transcription polymerase chain reaction,RT-q PCR)实验和western blot实验检测细胞中核心枢纽基因、Caspase-3、Bax、Bcl-2、CDK1 m RNA和蛋白表达水平,探讨靶向抑制核心枢纽基因编码蛋白小分子化合物ZINC000097018978抑制CM可能机制。结果:1差异表达分析、WGCNA、蛋白互作分析及4种筛选枢纽基因拓扑算法鉴定出7个CM枢纽基因(AURKA、KIF20A、TPX2、DLGAP5、ASPM、KIF23、CDKN3),对7个枢纽基因进行相关性分析、单因素COX回归分析及ROC诊断分析发现AURKA是影响CM预后差异表达的核心枢纽基因。2 AURKA是CM患者不良预后的独立标志物之一,构建的预后列线图预测效能较好。通过多种不同的免疫浸润算法分析发现AURKA表达与大多数免疫激活细胞(CD8+T、CD4+T、B细胞)浸润程度呈负相关,与免疫抑制细胞如Th2、骨髓来源的抑制性细胞(Myeloid-Derived Suppressor Cell,MDSC)浸润程度呈显著正相关,与抗肿瘤免疫细胞(CD8+T、CD4+T、B细胞)标志基因、抗原呈递与处理特征基因、免疫检查点及MHC分子呈负相关并在AURKA低表达患者中呈现高表达。此外,单细胞分析发现AURKA主要在CM细胞、耗竭性CD8+T细胞等促进肿瘤免疫逃逸和加剧肿瘤恶性发展的细胞中高表达。在CM中发现AURKA影响缺氧特征基因表达,高AURKA表达患者其肿瘤干性指数增高。机制分析表明,AURKA过表达与TGF-β信号通路高上调有关,从而影响趋化因子和细胞因子模式。3分子对接技术从ZINC数据库中筛选出靶向抑制AURKA前10个小分子化合物,MTT实验发现前10个靶向抑制AURKA表达的小分子化合物对A875细胞产生了不同程度的毒性作用,其中ZINC000097018978对A875细胞的细胞毒性作用最强。4 ZINC000097018978可以抑制A875细胞增殖和侵袭,其机制可能是将A875细胞阻滞在G2/M期,降低抗凋亡蛋白Bcl-2和增加裂解Caspase-3、Bax的促凋亡蛋白来诱导A875细胞凋亡从而而抑制肿瘤细胞的增殖及侵袭。结论:1 AURKA可能是影响CM发生、发展核心枢纽基因。2 AURKA过表达提示缺氧诱导的免疫抑制肿瘤微环境形成,因此成为CM患者预后、免疫浸润的潜在生物标志物及潜在治疗靶点。3 ZINC000097018978是AURKA有效抑制剂,可抑制A875细胞增殖、侵袭。
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