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BCAT1在肝癌中的表达、预后及免疫浸润的生物信息学研究

2023-07-11 190 上传者：管理员

摘要：目的探讨BCAT1在肝癌中的表达及其与预后、免疫浸润的关系。方法 TCGA数据库分析多种肿瘤组织中BCAT1 mRNA的表达水平；GEPIA2数据库、HPA数据、TIMER数据库和LinkedOmics数据库分别分析BCAT1 mRNA的表达水平与肝癌患者的生存状态的关系、BCAT1表达定位、BCAT1与肝癌组织中免疫细胞浸润程度的相关性及共表达基因，对共表达基因进行GO、KEGG富集分析，Cytoscape软件鉴定肝癌中与BCAT1共表达基因的Hub基因。结果 BCAT1 mRNA在乳腺浸润癌、胆管癌、肝癌等均高表达(P<0.05)。BCAT1在肝癌组织细胞核呈现中等及高表达，在正常组织中呈弱表达或无表达。BCAT1 mRNA表达(高表达)是肝癌患者预后的独立危险因素(P<0.05)。BCAT1高表达的肝癌患者中位生存时间降低(P=0.001)。肝癌组织中BCAT1 mRNA表达水平与B细胞、CD4+T细胞等浸润程度成正相关性(P<0.001)。共表达基因包括APOH、CD86、SYK、AMBP、C3AR1、CYBB、MSR1、FTCD、SERPINC1和PROC。结论 BCAT1可作为肝癌患者预后不良的标志物，BCAT1可能通过影响免疫细胞浸润及代谢途径调控肝癌的发生发展。

关键词：
BCAT1
代谢
信号通路
富集分析
肝癌
预后
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肝细胞肝癌简称肝癌，发病率和死亡率均较高，肝癌是消化道最常见的恶性肿瘤之一[1],慢性乙型病毒性肝炎、黄曲霉素、酒精等均是肝癌的发病诱因[2],肝癌发病机制复杂，具体机制仍尚不明确。因肝癌早期症状不典型，大多数患者在确诊时已处于晚期，预后较差[3],因此，早期明确肝癌的发展、侵袭转移机制对提高患者的预后尤其重要。研究证实[4,5],多种基因单独或共同参与了肝癌的发生和发展，鉴定出新的促癌基因对肝癌患者的早期筛查、靶向治疗及提高预后是非常必要的举措。支链氨基酸转氨酶1(branched chain amino-acid transaminase 1,BCAT1)主要参与氨基酸及能量代谢等生理过程，对细胞，尤其是肿瘤细胞生长所需的能量供应扮演着重要作用[6,7]。多项研究也证实，BCAT1在肺癌[8]、卵巢癌[9]中均显著高表达，然而，目前关于BCAT1和肝癌的相关性研究报道较少，本研究通过多个数据库联合分析BCAT1在肝癌中的表达水平及临床意义。

1、资料与方法

1.1资料

采用多个公开数据库TCGA数据库、HPA数据库、TIMER数据库、LinkedOmics数据库和DAVID数据库对BCAT1基因与肝癌的关系进行分析。数据中更新截止时间为2022年10月1日。TCGA数据库中共包括10 534例肿瘤组织及10 534例正常组织，同时进一步分析肝癌数据集，肝癌数据集中包括374例肝癌组织和50例正常组织，其中还包括50例患者的正常组织及自身肝癌组织。

1.2方法

1.2.1肝癌中BCAT1

mRNA数据及临床资料下载通过TCGA数据库(https: //www.cancer.gov/about-nci/organization/ccg/research/structural-gen o m ics/tcga)下载所有肿瘤患者的基因表达数据，所有样本中BCAT1 mRNA表达水平采用log2转换，Cox回归分析影响肝癌患者预后的危险因素。

1.2.2 BCAT1蛋白在肝癌组织中的表达

通过HPA数据库(https: //www.proteinatlas.org/)分析BCAT1蛋白在肝癌组织及正常组织中的表达差异。

1.2.3 BCAT1蛋白表达水平与肝癌患者生存时间的关系

通过K-M曲线法分析GEPIA数据库(http: //gepia.cancer-pku.cn/)中BCAT1 mRNA表达水平和肝癌患者中位生存时间的关系。

1.2.4免疫浸润分析

通过Spearman法在线分析TIMER数据库(https: //cistrome.shinyapps.io/timer/)中肝癌组织BCAT1表达水平与免疫细胞浸润程度的相关性。

1.2.5肝癌组织中BCAT1共表达基因筛选

通过LinkedOmics数据库(http: //www.linkedomics.org/login.php)中筛选出肝癌组织中与BCAT1正相关及负相关的共表达基因，分别获取25个共表达基因。参数设置：P-spearman<0.01。

1.2.6富集分析

通过DAVID数据库(https: //david.ncifcrf.gov/home.jsp)对50个共表达基因进行基因本体论(GO)和KEGG信号通路富集分析。GO分析包括细胞组成(cellular compartment, CC)、分子功能(molecular function, MF)和生物学过程(biological process, BP)。

1.2.7蛋白互作(protein protein interaction, PPI)网络筛选Hub基因

通过STRING在线数据库(https: //string-db.org/)对肝癌组织中BCAT1共表达基因进行PPI分析，参数设置：互作评分>0.4。网站中下载上述结果同时导入到Cytoscape软件进行蛋白可视化。采用Cytoscape软件中的Cytohubba插件获取前10个Hub基因，计算方式为“Degree”。

1.3统计学处理

采用R 3.2.5软件以及SPSS 22.0软件进行数据分析。Mann-Whitney U检验分析BCAT1 mRNA在肝癌组织、癌旁组织及正常组织中的表达差异，COX回归分析肝癌患者预后的危险因素，K-M曲线分析BCAT1 mRNA表达水平与肝癌患者预后的关系，BCAT1 mRNA表达水平与免疫细胞浸润程度的相关性采用Spearman相关分析，以P<0.05为差异有统计学意义。

2、结果

2.1BCAT1 mRNA在泛癌中的表达

BCAT1 mRNA在乳腺浸润癌、胆管癌、食管癌、胶质瘤、头颈鳞状细胞癌、肾嫌色细胞癌、肾透明细胞癌、肝细胞肝癌、肺鳞癌、胃癌和甲状腺癌中等均高表达(P<0.05),见图1

2.2BCAT1 mRNA在肝癌中的表达

50例正常组织及374例肝癌组织中BCAT1 mRNA表达水平分别为0.309(0.181～0.459)、0.837(0.546～1.329),与正常组织相比，肝癌组织中BCAT1 mRNA表达水平升高(P<0.001);50例患者的正常组织及肝癌组织中BCAT1 mRNA表达水平分别为0.309(0.181～0.459)、0.863(0.549～1.237),与正常组织相比，肝癌组织中BCAT1 mRNA表达水平升高(P<0.001)。

2.3肝癌组织和正常组织中BCAT1蛋白的表达

采用HPA数据库分析BCAT1蛋白在肝癌中的表达情况，结果显示，BCAT1在肝癌组织中呈现中等及高表达，主要表达于细胞核中，而在正常组织中呈弱表达或无表达，见图2

2.4BCAT1表达和肝癌患者预后的关系

单因素分析结果显示，T分期、M分期、病理分期及BCAT1 mRNA表达水平与肝癌患者预后有关(P<0.05);多因素分析结果显示，BCAT1 mRNA表达水平是肝癌患者预后的独立危险因素(P<0.05),见表1。K-M曲线显示，BCAT1高表达的肝癌患者中位生存时间降低(P=0.001),见图

2.5肝癌中BCAT1mRNA表达与免疫细胞浸润的相关性分析

相关性分析结果显示，肝癌组织中BCAT1 mRNA表达水平与B细胞、CD4+T细胞、CD8+T细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和树突状细胞浸润程度成正相关(P<0.001)。

2.6BCAT1在肝癌中的共表达基因及GO、KEGG富集分析

肝癌组织中与BCAT1显著正相关的共表达基因包括PLAUR、LAPTM5、RAB31、HAVCR2和LOXL3等，显著负相关的共表达基因包括DCXR、RBP4、APOC1、FTCD和APOC4等。分别选取前25个显著相关的基因进行富集分析，结果显示，50个共表达基因富集的CC包括细胞外泌体、极低密度脂蛋白粒子等，MF包括氧化还原酶活动、丝氨酸型内肽酶抑制活性、蛋白质结合等，BP包括纤维蛋白溶解调控、凝血等，KEGG包括补体和凝血级联、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、代谢途径及PPAR信号通路。

2.7 PPI分析筛选肝癌组织中与BCAT1共表达的Hub基因

为进一步分析肝癌组织中与BCAT1共表达基因中的Hub基因，PPI分析后筛选10个Hub基因，分别为APOH、CD86、SYK、AMBP、C3AR1、CYBB、MSR1、FTCD、SERPINC1和PROC,见图4。

3、讨论

中国属于肝癌高发大国，流行病学研究结果显示[10],2020年全球肝癌死亡例数约为80万例，中国肝癌发病率约为18.2/10万人，死亡率约为17.2/10万人，且肝癌发病数随年龄增加逐渐上升。多数肝癌患者确诊时已处于晚期，预后相对较差。肿瘤的发生发展往往是多基因、多途径共同介导的结果，因此探寻肝癌发生、发展过程中的关键分子具有重要的临床意义。

本研究通过对TCGA数据库中的大样本量的临床肿瘤标本的数据集进行分析，结果显示，BCAT1 mRNA在多种肿瘤中的表达上调，但未发现BCAT1 mRNA在肿瘤中显著下调现象，提示BCAT1可能作为一种促癌基因，进一步对肝癌数据集进行分析，发现BCAT1 mRNA在肝癌组织上调，预后分析也提示BCAT1 mRNA高表达是肝癌患者预后不良的危险因素，BCAT1 mRNA高表达的肝癌患者中位生存时间缩短，说明BCAT1在一定程度上可能促进了肝癌的发生发展。BCAT1基因定位于12p12-11区段，含11个外显子，编码641个氨基酸，BCAT1属于一种催化氨基酸代谢的关键酶之一，对能量的生成发挥着重要作用，而肿瘤的发生发展往往需要能量供应[11],因此，近年来也发现BCAT1参与了多种恶性肿瘤的进展[12,13]。Mao等[14]通过蛋白组学技术发现转移性肺癌组织中的BCAT1表达水平更高，在机制上高水平的BCAT1通过消耗α-酮戊二酸并促进SOX2过表达，而SOX2是一种调节肿瘤细胞转移的重要转录因子。Zhang等[15]也同样证实当BCAT1沉默后会通过调节氧化磷酸化途径从而抑制黑素瘤细胞的增殖、迁移和侵袭能力。

肿瘤的发生发展过程极为复杂，肿瘤微环境异常与肿瘤的发生密切相关[16],免疫细胞是肿瘤微环境的重要组成部分，本研究发现，肝癌组织中BCAT1表达水平与多种免疫细胞如巨噬细胞、中性粒细胞等浸润程度具有显著正相关性，巨噬细胞主要起源于骨髓来源的单核细胞，可分泌多种炎症因子及活化Nκ-KB信号通路促进肿瘤的免疫逃逸及耐药过程[17];中性粒细胞具有促进肿瘤生长的作用，与巨噬细胞功能类似，中性粒细胞可募集一些趋化因子如CCL2、CCL7等，从而促进肿瘤的局部侵袭和转移[18];另一方面，能量代谢在肿瘤的发展中同样发挥了重要作用，肿瘤细胞的快速增殖过程中需要大量的能量供应，而这些能量主要通过细胞的糖代谢来提供，少量由谷氨酰胺代谢及脂肪酸代谢补充生成[19,20]。本研究对肝癌组织中BCAT1的共表达基因进行富集分析发现，共表达基因主要富集在氧化还原酶活动、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、代谢途径等，提示BCAT1促进肝癌的发生发展可能与其调节代谢进程有关。此外，本研究也进一步筛选出肝癌中与BCAT1共表达的10个Hub基因，如APOH、CD86、SYK、AMBP、C3AR1、CYBB、MSR1、FTCD、SERPINC1和PROC,Qu等[21]证实SYK高表达可促进肝硬化向肝癌方向进展，研究同时发现肝癌组织中CYBB和MSR1高表达与肝癌抗PD-1治疗疗效较差有关[22]。因此，上述基因在一定程度上也可能共同参与肝癌的发展。

综上所述，BCAT1 mRNA在肝癌中高表达，其表达水平与肝癌患者的预后密切相关，可能通过调节能量代谢及免疫细胞浸润参与肝癌的发生发展，可能作为肝癌患者靶向治疗的一种标志物。然而，本研究的局限性在于未采用独立样本对肝癌组织中BCAT1的表达水平进行验证，此外，本研究下一步继续对BCAT1在肝癌中的分子生物学作用机制进行深入探讨。

参考文献：

[10]曹毛毛,李贺,孙殿钦,等.全球肝癌2020年流行病学现状IJ].中华肿瘤防治杂志,2022,29(5):322-328.

[16]邹添添,覃伟,朱迎,等.肝癌免疫微环境与免疫治疗:研究进展与发展趋势[J.中国普通外科杂志,2020,29(7):785-797

[19]阎盘宇,张绍林,陈海燕,等.能量代谢与氧化应激在肿瘤中的作用及其相互关系IJ.中南药学,2022,20(6):1373-1378.

[20]王子恒,杜有呈,陈璐璐,等,肿瘤微环境对肿瘤细胞能量代谢调节的研究进展].交通医学,2020,34(2):155-158.

基金资助：2020年新乡市科技攻关计划项目(GG2020028)；

文章来源：岳明强,周艳彩,卓亚等.BCAT1在肝癌中的表达、预后及免疫浸润的生物信息学分析[J].中国卫生检验杂志,2023,33(13):1580-1584.