利用生物信息学技术分析胶质母细胞瘤的肿瘤免疫微环境

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研究目的:胶质母细胞瘤(Glioblastoma,GBM)是颅内最常见的原发性恶性肿瘤。胶质瘤患者的总体预后较差,中位生存期小于2年,并且发病率随着年龄的增长而升高。尽管治疗上采取了多种形式的治疗措施,但是5年生存率依旧只为5.8%。通过生物信息学方法,对肿瘤基因组图谱(TCGA)数据库中的胶质母细胞瘤(GBM)相关数据进行整合,分析鉴定胶质母细胞瘤中肿瘤微环境内免疫浸润相关的免疫细胞及基因,为胶质母细胞瘤治疗提供新的生物治疗靶点。研究方法:首先从肿瘤基因组图谱(TCGA)数据库中下载胶质母细胞瘤患者的RNA-sequence(RNA-seq)表达谱及相应的临床资料。利用CIBERSORT分析算法来评估每个胶质母细胞瘤样本中22种浸润性免疫细胞类型的比率,采用Kaplan-Meier生存分析方法对肿瘤微环境中22种免疫细胞进行生存相关分析,确定与生存预后相关的免疫细胞。其次,通过独立样本T检验和单因素方差分析的方法分析生存相关的免疫细胞与年龄、性别、表达亚型和MGMT启动子状态等临床特征之间的关系。通过edgeR的方法筛选与免疫细胞的免疫相关差异表达基因,运用DAVID、GO和KEGG进行功能和通路富集分析,同时通过STRING和Cytoscape构建蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络,并使用MCODE工具筛选出24个关键基因,Kaplan-Meier生存分析评估与胶质母细胞瘤预后相关的关键基因。最后,利用TIMER工具分析生存相关中枢基因与GBM肿瘤浸润免疫细胞特征之间的相关性,并在中国胶质瘤基因组图谱(CCGA)和胶质母细胞瘤单细胞测序的数据中验证筛选出的免疫细胞和免疫基因,确保筛选出来的免疫细胞及基因的可信性。研究结果:从166例胶质母细胞瘤病人的RNA-seq数据中获得了 22种肿瘤微环境浸润的免疫细胞类型比率,得到了 4种与生存分析预后相关的免疫细胞,分别为单核细胞、M0型巨噬细胞、自然杀伤细胞(NK细胞)和嗜酸性粒细胞。临床特征上,发现在神经元型和前神经元型这两种亚型的胶质母细胞瘤中,单核细胞和嗜酸性粒细胞的比例出现增高的现象;在性别特征上,男性病人的单核细胞与嗜酸性粒细胞的比例要高于女性病人。进一步,我们在单核细胞、M0巨噬细胞、NK细胞以及嗜酸性粒细胞中分别筛选出了 1107、1137、1742以及1336个差异表达基因,其中有38个差异表达基因在生存相关的免疫细胞中均存在表达。接着,我们对上述共同差异表达基因进行功能和通路富集分析,发现这些差异表达基因在生物学过程中主要集中于神经系统发育、细胞粘附、细胞外基质形成以及化学性突触传递,在细胞组分层面主要位于细胞质膜、细胞外泌体和细胞外间隙,在分子功能上主要与细胞骨架成分、蛋白质结合、钙结合和微管结合功能有关。另外,KEGG通路分析揭示了这些免疫相关差异表达基因主要富集于细胞粘附分子、cAMP信号通路、炎症细胞跨上皮迁移、蛋白质消化和Toll样受体信号通路。通过进一步分析得到24个关键基因,其中6个关键基因与胶质母细胞瘤的生存分析预后明显相关,这些基因分别为 GRIA1、GRIA2、BST2、B2M、MAP2 和 TRIM21。研究结论:通过我们的分析,提示单核细胞、M0型巨噬细胞、NK细胞和嗜酸性粒细胞可能是胶质母细胞瘤肿瘤微环境中的关键免疫细胞,GRIA1、GRIA2、BST2、B2M、MAP2和TRIM21可能是胶质母细胞瘤免疫浸润的重要靶点基因,参与胶质母细胞瘤的肿瘤微环境免疫浸润的发生发展过程。
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