基于生物信息挖掘探索铁死亡对前列腺癌发生发展及预后的影响

来源 :广西医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lajiub1987
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背景和目的:前列腺癌(Prostate Cancer,PCa)是世界范围内老年男性最常见的上皮性恶性肿瘤之一,也是男性癌症死亡的第五大原因。目前,前列腺特异性抗原(PSA)是前列腺癌的一种诊断指标,但是出现了假阳性以及诊断过度的现象。其中,前列腺癌患者在经过雄激素剥夺治疗后更有几率进展成为去势抵抗性前列腺癌,其预后较差,因此,构建一种稳健的前列腺癌风险预后模型来区分高低风险患者是必要的。铁是与人类健康密切相关的微量元素之一,不仅参与氧气运输、细胞呼吸、免疫功能、CO代谢和DNA合成,同时,铁离子也介导铁死亡发生,可促进细胞的死亡,在肿瘤的治疗中发挥重要作用。本研究使用两样本孟德尔随机化法来探索铁与前列腺癌之间的因果关系,观察铁死亡过程中铁离子的变化,建立以铁死亡相关基因为基础的预后模型,验证预后模型中关键基因对前列腺癌的影响。方法:本研究步步递进的来探究铁死亡对前列腺癌的影响,共由三部分组成。第一部分是探究铁与前列腺癌的因果关系以及前列腺癌发生铁死亡过程中铁离子浓度的变化,首先从铁状态的全基因组关联研究中提取出与铁状态密切相关(P<5×10-8)的单核苷酸多态性(SNPs)作为工具变量,进一步在PRACTICAL数据库中选出对应的遗传位点,运用目前在因果推断较为有效的孟德尔随机化法来探索铁与前列腺癌之间的因果关系。同时,使用CCK8观察前列腺癌细胞在发生铁死亡时其增殖抑制情况,通过透射电镜观察前列腺癌细胞内线粒体形态变化以及使用铁离子比色法监测细胞内铁离子浓度的变化。第二部分为基于铁死亡相关基因构建前列腺癌患者的预后模型。在确定铁与前列腺癌存在因果关系时,第二部分研究从TCGA数据库下载前列腺癌患者的转录组表达数据及相应的临床资料,从Ferr Db数据库获取铁死亡的相关基因数据,以铁死亡相关基因为基础与TCGA表达矩阵的基因取其交集,进行差异表达基因的分析。随后,使用LASSO和COX回归构建多基因预后模型。基于预后模型将前列腺癌患者划分为高、低风险分组。通过高、低风险组,进行组间的差异基因分析。最后,根据风险差异表达基因进行GO分析、KEGG分析和ss GSEA分析。第三部分为AKR1C1过表达对前列腺癌细胞功能的影响,通过第二部分构建预后模型筛选出AKR1C1具有预后价值的差异基因,第三部分研究通过q PCR检测AKR1C1在PC3、DU145和LNCap中的表达情况,筛选最佳的质粒转染的目的细胞。通过质粒转染使AKR1C1在前列腺癌细胞中过表达,运用Transwell迁移实验检测AKR1C1过表达的前列腺癌细胞的迁移能力。结果:在第一部分研究中,从全基因组关联分析的数据中得到了11个与铁状态强相关的SNPs作为工具变量。在传统组中,铁状态与前列腺癌存在因果关系(OR:0.879,95%CI:0.813-0.950,P=0.001)。同时,在自由组中,血清铁与前列腺癌存在因果关系(OR:0.910,95%CI:0.833-0.995,P=0.039),其他三种铁的生物标记物(转铁蛋白饱和度、铁蛋白和转铁蛋白)与前列腺癌之间无显著因果关系(P>0.05)。同时,铁死亡诱导剂Erastin不仅能够抑制PC3、LNCap和Du145的存活并诱导其死亡,而且前列腺癌细胞活力随着erastin浓度增加而下降,在经erastin诱导的前列腺癌细胞的线粒体形态也发生改变。并且,Erastin诱导细胞发生铁死亡后其细胞内铁离子水平随着erastin浓度增加升高。在第二部分研究中,发现24个铁死亡相关基因在前列腺癌样本和正常组之间存在差异性表达,筛选得到了18个既有表达差异又有预后价值的交集基因,通过LASSO和COX回归构建了一个以7个铁死亡相关基因(NOX1,VDAC2,ALOX12,BAP1,MIOX,AKR1C1,BNIP3)为基础的预后模型,在7个铁死亡相关基因中,AKR1C1与癌旁组织相比在前列腺癌组织低表达。同时,通过预后模型将患者分成高、低风险两组人群。与低风险组相比,高风险组总体生存率明显降低(P<0.001)。并且,通过时间依赖的ROC曲线计算得到1年内,2年内,3年内的AUC值为0.988,0.936,0.861。第三部分研究发现PC3和LNCap细胞的AKR1C1表达量远低于DU145,但AKR1C1表达量在PC3和LNCap中相近,由于PC3细胞生长快,选择PC3作为AKR1C1过表达转染的目的细胞。AKR1C1在PC3细胞中表达后,抑制了PC3细胞的迁移。结论:基于两样本孟德尔随机化法,以SNP作为工具变量预测出铁与前列腺癌风险存在因果关系,铁离子在诱导前列腺癌发生铁死亡过程中发挥着重要作用,通过对铁离子的调控可一定程度对前列腺癌进行防控和治疗。同时,筛选出了7个具有预后价值的差异基因,以这7个铁死亡相关基因为基础而构建的预后模型可对高低风险的前列腺癌患者进行有效的区分,为避免前列腺癌患者发生过度治疗提供一种参考。AKR1C1在前列腺癌的迁移中发挥着重要作用,一方面为更加深入的研究AKR1C1在前列腺癌铁死亡中的作用提供了基础,另一方面也证实了前列腺癌预后模型的作用。
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