利用TCGA数据库分析COL11A1、MMP-11基因在膀胱癌中的表达及临床意义*

陈 玉，彭 维

(1.广西医科大学附属武鸣医院泌尿外科，广西 南宁 530110；2.广西医科大学附属肿瘤医院肝胆外科，广西 南宁 530021)

膀胱癌是泌尿系恶性肿瘤最常见的一种，是全球第十大最常见的癌症。膀胱癌在男性中比在女性中更为常见，男性的发病率和死亡率分别为9.6/10万和3.2/10万，大约是全球女性的4倍。吸烟是除职业暴露于化学和水污染物之外的主要危险因素[1]。目前，膀胱癌的治疗方法主要为手术切除+化疗，非肌层浸润性膀胱癌以经尿道膀胱肿瘤电切术+术后膀胱内灌注治疗为主；浸润性膀胱癌则以根治性膀胱癌切除术+化疗为主。尽管如此，其肿瘤极高的复发率仍为膀胱癌治疗的难点。随着分子水平研究的深入，从分子水平探讨膀胱癌的发生发展机制对控制膀胱癌复发及改善预后极其重要。COL11A1基因编码胶原Ⅺ的α1链，胶原Ⅺ有利于肿瘤细胞的转移和扩散，其主要的机制是通过活化局部黏着斑激酶(FAK)导致E-钙黏蛋白粘连复合物解聚，抑制细胞之间黏附，影响组织的完整性。基质金属蛋白酶-11(MMP-11)是基质金属蛋白酶家族成员之一，一般情况下在机体中低表达，在病理过程中常表现为高表达，其能够通过细胞外基质重构促进肿瘤进展，同时还能抑制细胞凋亡促进癌细胞存活，在肿瘤的浸润和转移中起到重要作用。但目前有关于COL11A1、MMP-11在膀胱癌发生发展过程中的研究甚少，本研究将分析COL11A1、MMP-11两个基因与膀胱癌发展、预后的关系，为寻求新的治疗膀胱癌靶点提供依据。

1 资料与方法

1.1一般资料 从TCGA数据库(http://cancergenome.nih.gov)中下载截至2019年7月的共412例膀胱癌组织及19例癌旁组织中COL11A1、MMP-11的mRNA表达RNA-seq数据及膀胱癌患者的临床数据。412例膀胱癌中有11例为非肌层浸润性，401例为肌层浸润性。

1.2方法

1.2.1数据处理 根据患者ID号将COL11A1、MMP-11的mRNA表达值与临床资料整合到同一Excel表格。以中位数为截点，将COL11A1、MMP-11表达分成高表达组和低表达组各206例(其中有部分数据缺失导致有的分组不足206例)，分析COL11A1和MMP-11的表达与膀胱癌临床病理特征及预后的关系。

1.2.2基因集富集分析(GSEA) 根据COL11A1、MMP-11的表达情况分为高表达组(>0.5)和低表达组(≤0.5)，对应分析COL11A1、MMP-11的表达情况对其他基因集的影响。

2 结 果

2.1COL11A1、MMP-11在膀胱癌组织与癌旁组织中的表达差异 COL11A1在癌组织中的表达高于癌旁组织，但差异无统计学意义(P>0.05)；MMP-11在癌组织中的表达高于癌旁组织，差异有统计学意义(P<0.05)。见图1、2。

图1 膀胱癌组织及癌旁组织中COL11A1表达水平

2.2COL11A1、MMP-11在膀胱癌患者中表达与临床特征的相关性 COL11A1、MMP-11表达与年龄、T分期、N分期、病理分级、临床分期均显著相关(P<0.05)，与M分期、性别均无关(P>0.05)。见表1。

表1 COL11A1、 MMP-11表达与各项临床特征的相关性

2.3COL11A1、MMP-11表达与膀胱癌患者预后的相关性 Kaplan-Meier生存曲线法分析COL11A1表达与膀胱癌患者的总生存期、3年无瘤生存期、5年无瘤生存期无相关性(P>0.05)，但COL11A1低表达组的3、5年无瘤生存率(34.2%、33.4%)高于COL11A1高表达组(28.7%、28.0%)，差异均有统计学意义(P<0.05)。与COL11A1低表达组相比，COL11A1高表达组3年内肿瘤无复发的相对危险度为1.301(95%CI1.045～1.621)，5年内肿瘤无复发的相对危险度为1.294(95%CI1.043～1.606)。Kaplan-Meier生存曲线法分析MMP-11表达与膀胱癌患者的总生存期无相关性(P>0.05)，MMP-11表达与膀胱癌患者3、5年无瘤生存期均呈负相关(P<0.05)(图3、4)；MMP-11低表达组的3、5年无瘤生存率(34.6%、33.9%)高于MMP-11高表达组(28.3%、27.5%)，差异均有统计学意义(P<0.05)。与MMP-11低表达组相比，MMP-11高表达组3年内肿瘤无复发的相对危险度为1.363(95%CI1.091～1.704)，5年内肿瘤无复发的相对危险度为1.354(95%CI1.088～1.686)。

图2 膀胱癌组织及癌旁组织中MMP-11表达水平

图3 患者3年无瘤生存期与MMP-11表达的相关性

2.4COL11A1、MMP-11功能富集分析 COL11A1高表达组织样本富集至细胞黏附因子(P<0.001,FDR=0.002)、细胞外基质受体相互作用(P<0.001,FDR=0.001)、黏着斑(P<0.001,FDR=0.002)、白细胞跨上皮迁移(P<0.001,FDR=0.006)、自然杀伤细胞介导的细胞毒性(P<0.001,FDR=0.004)、细胞因子受体相互作用(P=0.002,FDR=0.004)、趋化因子信号通路(P=0.002,FDR=0.004)、T细胞受体信号通路(P=0.002,FDR=0.004)等基因集。见图5。MMP-11高表达组织样本富集至细胞外基质受体相互作用(P<0.001，FDR<0.001)、黏着斑(P<0.001，FDR<0.001)、细胞黏附分子(P<0.001，FDR<0.001)、白细胞跨上皮迁移(P<0.001，FDR<0.001)、细胞因子受体相互作用(P<0.001，FDR<0.001)、癌症通路(P<0.001，FDR<0.001)、趋化因子信号通路(P<0.001，FDR<0.001)、溶酶体(P<0.001，FDR<0.001)等基因集。见图6。

图4 患者5年无瘤生存期与MMP-11表达的相关性

A.细胞黏附因子；B.细胞外基质受体相互作用；C.黏着斑；D.白细胞跨上皮迁移；E.自然杀伤细胞介导的细胞毒性；F.细胞因子受体相互作用；G.趋化因子信号通路；H.T细胞受体信号通路。

A.细胞外基质受体相互作用；B.黏着斑；C.细胞黏附分子；D.白细胞跨上皮迁移；E.细胞因子受体相互作用；F.癌症通路；G.趋化因子信号通路；H.溶酶体。

3 讨 论

COL11A1基因位于人染色体1p21上，编码COL11A1蛋白，COL11A1蛋白是纤维胶原蛋白家族成员之一，纤维胶原蛋白与多种肿瘤的发生发展有关。近年来，有研究结果提示很多恶性肿瘤中COL11A1异常表达。研究发现COL11A1在头颈部鳞癌、结肠癌、胃癌、胰腺癌、非小细胞肺癌、胶质瘤的癌组织中呈高表达[2-5]。但目前COL11A1在膀胱癌中的研究甚少，EWALD等[6]的研究报道通过检测COL11A1表达差异一定程度上能用于区分浅表性和肌层浸润性膀胱癌。DI等[7]通过分析GEO数据发现在膀胱癌中COL11A1基因表达可区分膀胱癌的病理类型，COL11A1高表达与不良预后相关，GSEA结果显示COL11A1基因与胶原纤维组织、细胞黏附、细胞外基质组织过程有关。FREIRE等[8]对43例膀胱肿物电切标本性免疫组织化学检测发现在pT2膀胱癌中(10/11阳性)和其他病变[pTa、pT1期膀胱癌(1/26)或非肿瘤(0/6)]中的阳性表达率存在显著差异(P<0.001)。EWALD等[6]使用表达微阵列荟萃分析与肌肉侵袭性膀胱移行细胞癌进展中的相关途径研究中发现，在浅表性膀胱癌(Ta与T1)表达相似，但在肌肉浸润性T2肿瘤中改变的基因，发现COL3A1、COL5A1、COL11A1等7个基因肌肉浸润性肿瘤中的表达模式在5～7个独立的外部微阵列研究中是一致的。此外，在肌肉浸润性肿瘤样本和转移性T24细胞中，原纤维胶原蛋白COL3A1和COL5A1的表达增加。提示参与有丝分裂信号传导的基因表达增加可能支持肌肉浸润性膀胱肿瘤的进展，而这些途径通常缺乏激活突变，而纤维胶原、纤维连接蛋白和特异性信号蛋白的表达变化与肌肉浸润性疾病有关。COL11A1基因在肿瘤发展过程中的作用机制尚未明确，在胃癌研究中COL11A1通过调节p21和cyclin D1-CDK6复合物的表达和活性使HGC-27细胞阻滞于G1期，抑制细胞的增殖[9]。另外，COL11A1对细胞侵袭的作用可能通过MMP-3上调实现，一项卵巢癌研究发现COL11A1下调能减少Ets-1结合MMP-3启动子区域[10]。本研究对TCGA数据挖掘发现COL11A1在膀胱癌组织中的表达水平高于癌旁组织，但差异无统计学意义(P>0.05)。本研究结果中COL11A1在T3～4及N1～3中表达水平更高，考虑COL11A1高表达与疾病进展有一定相关性。COL11A1高表达组的3、5年无瘤生存率显著低于低表达组，提示COL11A1可能与肿瘤的预后相关。

MMP是一类蛋白水解酶，可降解大部分细胞外基质与基底膜中蛋白酶，正常机体中为低表达，在病理过程中常表现为高表达，与肿瘤细胞增殖、分化、浸润及迁移等关系密切。MMP-11为MMPs家族的一种，主要在器官组织周围分布，通过细胞外基质重构可促进肿瘤进展，另外还能抑制细胞凋亡促进癌细胞存活，并在浸润前及晚期病变中发挥重要作用[11]。既往研究表明，MMP-11影响多种肿瘤的发生发展及预后，在乳腺癌、口腔癌和食管癌中高表达[12]。小鼠肿瘤模型研究结果显示MMP-11高表达初级肿瘤的发生和发展，其机制可能与增加MMP-11介导的胰岛素样生长因子1生物利用度，以及IGF1/AKT/FOXO1信号通路激活，AKT信号通路激活促进细胞内活性氧的积累，并在癌细胞中诱导有氧糖酵解，增强氧化应激相关[11]。有体外、体内实验表明MMP-11缺失表达可抑制肿瘤细胞的增殖、影响血管形成[13]。LI等[14]发现MMP-11表达增加与病理分期增加，MMP-11从正常尿路上皮和非浸润性尿路上皮癌到表面浸润性亚型及晚期尿路上皮癌的逐步增加有关，MMP-11的表达与膀胱癌的高癌症特异性死亡率和转移呈正相关。MASAYA等[15]的研究也表明MMP-11表达水平越高，膀胱癌患者的生存期越短(P=0.029)。LI等[14]分析GSE31684数据集中发现MMP-11高表达与晚期pT状态、淋巴结转移、更高组织学等级、血管和神经周浸润及频繁的有丝分裂显著相关；多变量Cox回归分析显示，MMP-11的表达与癌症特异性死亡率、转移相关。BI等[16]分析GSE13507数据集中MMP-11在膀胱癌组织表达水平明显高于其在正常膀胱组织中的表达水平；MMP-11高表达与更快的疾病进展、更差的TN分期、更高病理级别及不良预后相关。本研究结果中MMP-11在癌组织中的表达高于癌旁组织，提示MMP-11与膀胱癌的发生、发展有一定的联系。MMP-11在T3～4及N1～3中的表达水平更高，考虑MMP-11高表达与疾病进展有一定相关。MMP-11表达与膀胱癌患者3、5年无瘤生存期均呈负相关，且MMP-11高表达组的3、5年无瘤生存率显著低于低表达组，提示MMP-11与肿瘤的预后相关。

综上所述，COL11A1、MMP-11基因表达水平与膀胱癌发展、预后有关，但其具体机制尚未明确，进一步研究COL11A1、MMP-11基因可能从靶向治疗方向去预防、治疗膀胱癌及改善预后起到帮助。