MGMT基因在脑胶质瘤组织中表达变化、突变及功能的生物信息学分析

朱鸣峰

天津市静海区医院，天津301600

脑胶质瘤是中枢神经系统最常见的恶性肿瘤之一，尤其是胶质母细胞瘤，患者预后较差，远期生存率低于10%，大多数患者于1年内死亡[1]。脑胶质瘤的发生发展是一个涉及多基因、多步骤的复杂生物学过程，其确切分子机制目前仍未完全阐明。研究显示，癌基因和抑癌基因的异常表达在脑胶质瘤发生发展中发挥了重要作用[2]。O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶(MGMT)基因编码蛋白属于MGMT家族，该蛋白参与细胞DNA中O6-甲基鸟嘌呤(O6-Meg)和O4-甲基胸腺嘧啶(O4-Met)的生物学效应[3，4]。该基因编码蛋白可将甲基转移到半胱氨酸残基，修复DNA中的甲基化碱基，从而对受损DNA进行修复。MGMT基因在脑胶质瘤中的表达、突变情况及其表达水平与患者预后的关系目前尚不清楚[5，6]。2019年4～7月，我们采用生物信息学方法，分析MGMT基因在脑胶质瘤中的表达变化、突变及生物学功能。

1 资料与方法

1.1 MGMT在脑胶质瘤中的表达变化及突变分析 在癌症基因组图谱数据库(TCGA)中检索MGMT基因在脑胶质瘤患者肿瘤组织和对应的正常脑组织中的表达水平，检索关键词为“胶质瘤”“MGMT基因”，检索物种为“人类”。根据肿瘤组织中MGMT基因表达的中位数分为高表达组(MGMT基因表达≥中位数)和低表达组(MGMT基因表达<中位数)，计算两组总生存时间和无疾病进展生存时间。采用cBioportal分析TCGA数据库中MGMT基因突变情况。

1.2 MGMT及其相互作用基因的蛋白网络构建、功能富集及信号通路富集分析 在STRING数据库中构建MGMT及其相关基因的蛋白相互作用网络，构建条件为不小于20个蛋白，相互作用指数不小于0.4。采用基因本体论(GO)[7]对网络中的相关基因进行生物学功能分析，包括MGMT及其相关基因的细胞定位、生物学过程以及分子功能；采用京都基因百科全书(KEGG)对MGMT基因进行相关信号通路分析。

2 结果

2.1 MGMT基因在脑胶质瘤组织的表达变化 MGMT基因在正常脑组织和脑胶质瘤组织中的相对表达量分别为2.88±1.41、3.09±1.62，胶质瘤组织中MGMT基因表达较正常脑组织上调，但差异无统计学意义(t=1.03，P>0.05)。MGMT高、低表达组总生存的中位时间分别为41.2和57.4月，无疾病进展生存的中位时间分别为29.8和50.6月，高表达组总生存时间、无疾病进展生存时间均低于低表达组(HR均为1.5，P均<0.05)。

2.2 MGMT基因突变情况 MGMT基因突变率为2.8%，突变谱主要为C>A、C>G、C>T的突变。

2.3 MGMT基因功能富集和信号通路富集情况 MGMT蛋白网络中相互作用的蛋白有21个，蛋白间的联系为104个，平均相互作用度为9.9，聚集指数为0.78，蛋白间富集显著(P<0.05)。MGMT基因的生物学功能主要富集于DAN修复、细胞对DNA损伤的反应、受损的DNA结合以及RNA聚合酶Ⅱ通用转录起始因子结合等(表1)，其相关信号通路主要富集于铂类化疗药物耐药、癌症的信号通路、神经系统肿瘤和DNA错配修复等(表2)。

表1 MGMT基因的生物学功能

3 讨论

脑胶质瘤是临床常见的神经系统肿瘤之一，流行病学调查显示，其在普通人群中的发病率为3/10万～8/10万[8]。然而胶质瘤确切的发病机制目前仍不十分清楚，有研究认为其发病与先天的遗传高危因素和环境的致癌因素相互作用有关。分子生物学技术及基因表达高通量检测技术的发展为探讨脑胶质瘤的发病机制提供了重要的方法。MGMT基因为DNA甲基转移酶编码基因，在基因转录调控过程中发挥重要作用[9～11]。人类MGMT基因定位于10号染色体，该基因有4个转录本，编码蛋白质主要功能为不可逆地将O6-甲基鸟嘌呤转移，促使鸟嘌呤复原，从而保护DNA免受损伤[12，13]。既往研究认为，MGMT基因异常表达与多种肿瘤的发生发展有关[14]。然而MGMT基因在脑胶质瘤中的表达、生物学功能及相关信号通路并不清楚。

表2 MGMT基因的相关信号通路

TCGA数据库是美国国家癌症研究所和美国人类基因组研究所共同监督的一个项目，旨在应用高通量的基因组分析技术，提高对癌症的预防、诊断和治疗能力，从而在整体上提高癌症患者的预后。本研究分析了TCGA数据库中MGMT基因在脑胶质瘤中的表达、突变情况及其与胶质瘤患者预后的关系，结果显示，与正常脑组织比较，胶质瘤患者肿瘤组织中MGMT基因表达上调，但差异无统计学意义。同时发现，MGMT基因在不同肿瘤组织与其对应的正常组织中的表达水平并不一致，在前列腺癌、肾癌和甲状腺癌中表达水平上调，在食管癌、头颈部鳞癌和皮肤癌中表达水平下调。因此推测，MGMT基因的表达不但与肿瘤类型有关，可能也存在组织特异性。MGMT基因在脑胶质瘤中的差异表达提示其可能参与了脑胶质瘤的发生发展[15]。

MGMT基因甲基化是其失活的重要原因，也是脑胶质瘤发生的重要机制，同时也为胶质瘤靶向药物的研发开辟了新的方向和思路。近年来，随着高通量表达谱芯片和二代测序技术的发展，癌基因和抑癌基因的差异表达和突变在胶质瘤发生发展中也发挥重要作用。在本研究中，MGMT基因在脑胶质瘤肿瘤组织中上调表达，并存在C>A、C>G、C>T的突变，提示该基因的异常表达可能参与了胶质瘤的发生。同时，MGMT表达上调胶质瘤患者总生存时间和无疾病进展生存时间明显减低，说明MGMT高表达是胶质瘤患者预后不良的分子标志物。探讨MGMT在胶质瘤中的作用信号通路及其导致患者预后较差的分子机制，有望成为胶质瘤靶向治疗的新靶点。