肺腺癌组织GART基因高表达对患者预后的影响

赵 佳，黄琪峰，张 菁

(浙江大学医学院附属邵逸夫医院药学部，浙江 杭州 310016)

原发性支气管肺癌简称为肺癌，起源于支气管黏膜上皮及肺泡，主要分为非小细胞肺癌和小细胞肺癌。其中非小细胞肺癌包含肺腺癌、肺鳞癌及大细胞肺癌，约占肺癌的85%[1]。肺腺癌是非小细胞肺癌最常见的组织学亚型，患者5年生存率低于15%[2]。近年来，除不断完善肺癌患者的治疗外，寻求有效指导临床诊断的肿瘤标志物也成为肺腺癌研究的热点。嘌呤对能量代谢、细胞信号传导和细胞繁殖至关重要；同时，也是辅酶、能量转移分子、调节因子和参与RNA、DNA合成的前体蛋白[3]。磷酸核糖甘氨酰胺转甲酰酶(GART)催化嘌呤从头合成的第1次依赖叶酸的转甲酰基反应[4]。癌细胞需要大量嘌呤来维持其加速生长[5]。因此，GART作为癌症化疗的一个研究热点而受到广泛关注。然而，GART基因在肺腺癌患者预后中的作用尚鲜见相关文献报道。本研究利用生物信息学手段分析了肺腺癌组织GART基因变化及其临床意义，现报道如下。

1 资料与方法

1.1数据来源 2020年1月收集癌症芯片数据库Oncomine(https://www.Oncomine.org/resource/main.html)、癌症基因组学分析门户网站cBioPortal(http://www.cbioportal.org/)、癌症基因组学门户网站UALCAN(http://ualcan.path.uab.edu/index.html)、生物信息学数据库DAVID 6.8(https://david.ncifcrf.gov/)中肺腺癌组织GART基因变化及其与患者预后关系的相关数据。

1.2方法

1.2.1cBioPortal cBioPortal是一个交互式探索多维癌症基因组学数据集的开放网站[6]。登录cBioPortal 网站首页，数据集选择“Lung adenocarcinoma(TCGA PanCancer Atlas)”，病例组选择“Tumor Samples with mRNA data(RNA Seq V2，510)”，分别分析GART基因突变、拷贝数畸变、mRNA 水平变化及GART高表达与患者预后的关系。分析GART mRNA水平变化时选择RNA测序结果，且选择默认阈值(表达量大于或等于2)。

1.2.2Oncomine Oncomine是目前世界上最大的肿瘤基因芯片数据库和整合数据提取平台[7]。登陆Oncomine数据库首页，输入基因名称“GART”。分析其在Lung adenocarcinoma及肺正常组织的表达情况。

1.2.3UALCAN UALCAN是癌症基因组学门户网站[8]，登录UALCAN 网站首页，数据库类型选择“Lung adenocarcinoma”，输入基因名称“GART”，分析GART基因表达变化及其与患者预后(生存率)的关系。为考虑患者临床特征对GART表达模式的影响，在UALCAN数据库中根据患者性别、年龄、种族、吸烟状况及疾病分级情况对健康者和肺腺癌患者GART转录水平进行亚组分析。

1.2.4DAVID DAVID是一个生物信息数据库，整合了生物学数据和分析工具，为大规模基因或蛋白列表(成百上千个基因ID或蛋白ID列表)提供了系统综合的生物功能注释信息，帮助用户从中提取生物学信息[9]。登录DAVID v6.8首页，导入基因列表，获得GO及KEGG-pathway富集通路。为确定GART在肺腺癌中的生物相互作用网络，选取UALCAN数据库中与GART基因共表达基因的包括1个负相关基因和2 798个正相关基因。对这些基因进行GO分析。

2 结 果

2.1Oncomine 数据库分析结果 GART在多种肿瘤中均有表达变化。本研究选取肺腺癌继续进行研究。与正常组织比较，其中7个数据集的肺腺癌患者GART 基因表达明显上调。见图1。

A.GART基因在不同类型肿瘤中的表达情况，1.红色代表异常高表达，蓝色代表异常低表达；2.方格里的数字表示有多少个数据集的研究结果支持;B.GART基因在Landi数据集中的表达情况；C.GART基因在Selamat数据集中的表达情况；与正常组织比较，aP<0.05。

2.2cBioPortal 数据库分析结果 501例肺腺癌患者中发生GART基因改变38例,包括错义突变、截短突变、基因融合、拷贝数畸变和mRNA水平上调；GART基因高表达不利于患者预后，差异有统计学意义(P<0.05)；GART在肿瘤组织中表达明显高于正常组织。见图2。

A.肺腺癌组织GART基因表达变化；B.肺腺癌组织GART表达变化与患者预后(生存率)的关系；C.GART基因在基于样本类型的肺腺癌中的表达情况。

2.3UALCAN数据库分析结果 肺腺癌组织GART基因表达明显升高，且在40岁以上、吸烟人群中GART的表达更为显著。见图3。

A.GART在健康者及肺腺癌患者各年龄段(>20～40、>40～60、>60～80、>80～100岁)的相对表达比较；B.GART在健康者及肺腺癌患者不同性别的相对表达比较；C.GART在健康者及肺腺癌患者吸烟状况、戒烟各年龄段的相对表达比较；D.GART在任何种族个体及肺腺癌患者白人、非裔美国人、亚洲人的相对表达比较；E.GART在健康者及肺腺癌患者各阶段(stage1、stage2、stage3、stage4)的相对表达比较；F.GART在健康者及肺腺癌患者各分期(N0、N1、N2、N3)的相对表达比较。与健康者比较，aP=0.001。

2.4DAVID富集分析结果 基因编码主要定位于细胞核、核质和细胞质；分子功能为蛋白质结合、多聚RNA结合和ATP结合；主要参与细胞分裂、姐妹染色单体黏着和DNA复制等生物学过程；类似地，京都基因和基因组百科全书(KEGG)途径分析显示，细胞周期、RNA转运、DNA复制等途径的富集。见图4。

A.气泡图展示了在肺腺癌中与GART显著相关的基因的富集结果细胞成分;B.生物过程;C.分子功能;D.KEGG通路。

3 讨 论

肺腺癌是我国乃至全世界范围内发病率及致死率最高的恶性肿瘤。尽管近年来，肺腺癌的诊治进展迅速，但目前很多肺腺癌患者均在较晚期时才被诊断或发现，且一经发现其预后极差，严重加重了患者的家庭负担。研究判断肺腺癌患者预后的生物标志物，探讨其临床价值对改善患者预后具有重要意义[10]。

从头嘌呤合成的几个步骤中的突变导致人类先天性代谢错误，其通常以精神发育迟滞、张力减退、感觉神经性听力丧失、视神经萎缩和其他特点为特征[11]。GART基因编码三功能蛋白，执行3个步骤的从头嘌呤合成。GART基因位于人21号染色体上，在患有唐氏综合征的个体中具有异常调节和过表达，且可能参与了唐氏综合征的表型[11]。已有证据表明，在结直肠癌患者氟尿嘧啶联合亚叶酸钙化疗方案中，亚叶酸钙的生化调节可使氟尿嘧啶增效，而亚叶酸钙作用机制与叶酸代谢分子——GART等有关[12]。GART发挥活性需要10-甲酰基四氢叶酸，近20年来一直是抗肿瘤药物研发的靶标[13-14]。已有研究表明，抗癌药物对GART的抑制对于几种培养的肿瘤细胞系的侵袭性表型是有效的[15]。另外，有研究表明，GART高表达不利于肝癌患者的预后，且与肝癌细胞增殖有关[16]。然而，关于GART在人类肺腺癌进展中的作用及其机制知之甚少。

本研究使用基于生物信息学理论的在线工具对来自公共数据库的肿瘤数据进行目标基因分析。与传统芯片筛选比较，此方法具有样本量大、成本低、简单等优点。使大规模肺腺癌基因组学研究和随后的功能研究成为可能。首先，回顾一些来自Oncomine数据库的肿瘤组织中GART的表达情况发现，GART的表达在肺腺癌细胞中增加，提示其参与了肺腺癌的发生和发展过程。然后，cBioPortal数据库结果显示，GART的主要突变为mRNA高表达，且高表达不利于患者预后，提示GART高表达可能可以作为判断非小细胞肺癌患者预后的新靶标。随后，对肺腺癌患者进行临床特征亚组分析发现，肺腺癌患者中40岁以上、吸烟人群GART的表达更为显著。最后，进一步对GART相互作用网络进行确认发现，GART改变的生物相互作用网络主要涉及细胞周期和RNA转运过程。但由于本研究所使用的数据来源于公共数据库，无法保证所有数据的质量。其次本研究是完全基于数据分析开展的，因此，尚需分子生物学方法在动物或离体细胞上进一步验证。