乳腺癌微环境中CXC趋化因子治疗靶点和预后标志物的综合生物信息学分析

李瑾，毕志金，李杨

（西南医科大学 医学信息与工程学院，四川泸州 646000）

乳腺癌（Breast Cancer，BC）是世界上女性发病率最高的癌症，每年在全球范围内出现近170万例新病例[1]。由于在诊断和治疗方面取得了显著进步，在医学研究充分的地区，乳腺癌患者的存活率有所提高[2]。尽管乳腺癌的治疗和诊断方法取得了进展，但由于对化疗和转移的耐药性，一些患者的预后仍然很差。因此，确定更好的治疗和预后生物标志物对于乳腺癌诊疗极为重要。

调节癌症进展的免疫机制是一个有吸引力的领域，多年来一直是深入研究的重点。趋化因子是一个细胞因子家族，由肿瘤细胞、白细胞、免疫细胞和其他细胞类型分泌，可调节炎症和免疫反应。所有趋化因子可根据其半胱氨酸（C）残基序列分为四大类：CXC趋化因子、CC趋化因子、C趋化因子和CX3C趋化因子，其中X代表任何氨基酸。炎症趋化因子通常由有害刺激物诱导，例如感染或细胞损伤，而稳态趋化因子在正常免疫网络调节中组成性表达。除了以介导趋化性而闻名之外，大多数趋化因子还表现出与细胞增殖和存活以及刺激或抑制血管生成相关的各种附加功能。其中，CXC趋化因子在肿瘤血管生成、生长、侵袭和转移中发挥关键作用[3]。

在本研究中，基于几个大型公共数据库对临床病理学和生存数据进行全面的生物信息学分析，阐明整个CXC家族在乳腺癌中的预后价值。

1 使用工具

本研究使用了若干在线数据库和在线工具。利用 UALCAN（http://ualcan.path.uab.edu/index.html）进行CXC趋化因子表达差异分析，利用Kaplan-Meier Plotter数据库（https://kmplot.com/analysis/）进行CXC趋化因子总体生存期分析，利用CBioPortal（https://www.cbioportal.org/）分析CXC趋化因子在乳腺癌患者中的基因改变率，利用Metascape（https://metascape.org/gp/index.html）分析CXC趋化因子的通路和功能富集，利用GEPIA（http://gepia.cancer-pku.cn/）分析CXC趋化因子与肿瘤分期的相关性[4-6]。

2 结果与分析

2.1 乳腺癌患者CXC趋化因子表达异常

利用UALCAN数据库鉴定16个CXC趋化因子（CXCL1至CXCL17，无CXCL15）的表达情况。图1展示了16个CXC趋化因子在20种癌症中的转录水平，并将其与正常样本进行比较，其中CXCL8无表达量。阈值指标分别为P≤1×10-4，Fold Change≥2，Gene Rank≥Top 10%。不同类型的癌症与相应的正常组织相比，具有统计学显著性（P＜0.05），其中mRNA高表达组用红色表示，低表达组用蓝色表示。在多个数据集的乳腺癌样本中，CXCL9/10/11/13/17的mRNA表达显著上调，而CXCL1/2/4/5/7的mRNA表达显著下调。

图1 CXC趋化因子的mRNA表达水平

2.2 乳腺癌患者CXC趋化因子的功能富集分析

利用GEPIA和Metascape分析乳腺癌患者中差异表达的CXCL1/2/4/5/7/9/10/11/13和CXCL17的功能、通路富集。如图2所示，基因功能主要富集在CXCR趋化因子受体结合（CXCR chemokine receptor binding）、髓系白细胞迁移（myeloid leukocyte migration）、CXCR3趋化因子受体结合（CXCR3 chemokine receptor binding）、肝素结合（heparin binding）；KEGG通路主要富集在IL-17信号通路（IL-17 signaling pathway）。

图2 GO和KEGG富集结果

2.3 乳腺癌患者CXC趋化因子的基因改变分析

利用CBioPortal分析差异表达趋化因子CXCL1/2/4/5/7/9/10/11/13和CXCL17在乳腺癌患者中的基因改变率，其中CbioPortal中的CXCL4和CXCL7分别用PF4和PPBP表示。如图3所示，这些差异表达的CXC趋化因子均发生了不同比例的突变，其中CXCL2/5/10突变率最高，均达到5%；CXCL4突变率最低，为1%。

图3 基因突变率

2.4 CXC趋化因子在乳腺癌患者中的预后价值

通过Kaplan-Meier Plotter数据库探讨了乳腺癌中CXC趋化因子改变的预后价值，与总体生存期显著相关的趋化因子共9个，其总生存期（Overall Survival，OS）曲线如图4所示。数据表明，CXCL9、CXCL11、CXCL12、CXCL13和CXCL17高表达的乳腺癌患者与长期OS显著相关；CXCL1、CXCL10、CXCL14和CXCL16的低表达也与较长的OS相关。与上一步差异表达筛选出的基因求交集，发现CXCL1、CXCL9、CXCL11、CXCL13和CXCL17可以作为乳腺癌的潜在预后标志物。

图4 9个与乳腺癌患者总体生存率显著相关的CXC趋化因子OS曲线

2.5 差异表达趋化因子与分期的关系

在GEPIA中评估了差异CXC趋化因子的表达与乳腺癌患者病理分期之间的相关性，如图5所示，CXC1（P=0.006）、CXCL2（P=0.002）、CXCL5（P=0.007）、CXC13（P=0.010）的表达量在5个乳腺癌病理分期中有显著性差异，表明这些CXC趋化因子在乳腺癌的发生和发展中起重要作用。与筛选出的差异基因求交集，认为CXCL1、CXCL2、CXCL5和CXCL13可以作为乳腺癌的潜在分期标志物。

图6 4个与肿瘤分期显著相关的CXC趋化因子

3 结论

本文使用UALCAN、Kaplan-Meier Plotter、CBio-Portal、Metascape和GEPIA对CXC趋化因子进行了综合性生物信息学分析。结果发现，在乳腺癌患者中CXCL9/10/11/13/17的mRNA表达水平升高，而CXCL1/2/4/5/7的mRNA表达水平较非肿瘤组织低。KaplanMeier分析显示，CXCL9/11/12/13/17高表达及CXCL1/14/16低表达与较长的OS相关。CXCL1/2/5/13的表达量在乳腺癌病理分期中有显著差异。综合生物信息学分析表明，与其他CXC趋化因子相比，CXCL1/9/11/13/17可能是乳腺癌患者的潜在预后标志物，CXCL1/2/5/13可以作为乳腺癌的潜在分期标志物。