基于生物信息学分析TGFBI基因在头颈部鳞癌中的表达及其预后意义

胡婷 卢诗丽 李钰颖 刘洁兰 侯沅林 莫丽梅 唐玉莲

【摘要】 目的 探讨转化生长因子β诱导基因（transforming growth factor β-induced gene， TGFBI）在头颈部鳞癌（head and neck squamous carcinoma，HNSC）中的表达及其预后意义。

方法 首先通过TIMER2.0数据库分析TGFBI基因在泛癌中的表达水平；并进一步利用UALCAN数据库和GEPIA数据库检索TGFBI基因在HNSC与正常组织中的表达水平，以及TGFBI基因与患者种族、年龄、性别、肿瘤分期、淋巴结转移状况等相关临床特征的关系；通过STRING数据库分析TGFBI基因的互作蛋白，借助DAVID数据库对其与互作蛋白基因进行功能富集分析；最后通过GEPIA数据库分析TGFBI基因在HNSC中的生存意义。

结果 发现TGFBI在HNSC中的表达明显高于正常组织（P<0.05），TGFBI高表达的患者总生存期明显低于低表达的患者（P<0.05）。蛋白互作分析发现，FN1、MMP14、ITGA3、ITGAM、ITGAV、ITGB1、ITGB2、ITGB3、TGIF2和TGIF2LX这10个蛋白基因与TGFBI存在紧密联系，此外，TGFBI及相关基因功能富集分析显示它们主要参与了5个生物学程序、4个细胞组分、3个分子功能、4個信号通路。

结论 TGFBI在HNSC中的表达水平较正常组织明显升高，且与患者预后不良有关，有望成为HNSC诊断和治疗的生物学靶点。

【关键词】 转化生长因子β诱导基因；头颈部鳞癌；生物信息学；预后

中图分类号：R739.6   文献标志码：A   DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2023.02.002

Analysis of expression of TGFBI gene in head and neck squamous cell carcinoma and its prognostic significance based on bioinformatics

HU Tinga， LU Shilib， LI Yuyingb， LIU Jielanb， HOU Yuanlinb， MO Limeia， TANG Yulianb

（a. School of Clinical Medicine， b. School of Laboratory Medicine， Youjiang Medical University for Nationalities， Baise 533000， Guangxi， China）

【Abstract】 Objective To investigate the expression of transforming growth factor β-induced （TGFBI） gene in head and neck squamous carcinoma （HNSC） and its prognostic significance.

Methods First， the expression level of TGFBI gene in pan-cancers was analyzed by TIMER2.0 database. Furthermore， UALCAN database and GEPIA database were used to search the expression levels of TGFBI gene in HNSC and normal tissues and the relationship of TGFBI gene with relative clinical characteristics such as race， age， gender， tumor stage and lymph node metastasis status. The interacting proteins of TGFBI gene were analyzed by STRING database， and the functional enrichment analysis was performed on TGFBI gene and its interacting protein genes through DAVID database. Finally， the survival significance of TGFBI gene in HNSC was analyzed through GEPIA database.

Results It was found that the expression level of TGFBI in HNSC was significantly higher than that in normal tissues （P<0.05）， and the overall survival time of patients with high expression level of TGFBI was significantly lower than that of patients with low expression （P<0.05）. Protein interaction analysis showed that there was a close relationship between TGFBI and 10 proteins： FN1， MMP14， ITGA3， ITGAM， ITGAV， ITGB1， ITGB2， ITGB3， TGIF2， and TGIF2LX. In addition， the functional enrichment analysis of TGFBI and related genes showed that they were mainly involved in 5 biological processes， 4 cell components， 3 molecular functions and 4 signal pathways.

Conclusion The expression level of TGFBI in HNSC is significantly higher than that in normal tissues and is related to the poor prognosis of patients， which is expected to become a biological target for the diagnosis and treatment of HNSC.

【Key words】 transforming growth factor β-induced  gene （TGFBI）; head and neck squamous carcinoma （HNSC）; bioinformatics; prognosis

頭颈部鳞癌（head and neck squamous carcinoma， HNSC）是最常见的恶性肿瘤之一，其高发病率和死亡率给人类的身体健康造成了严重威胁，尽管现在的治疗技术不断进步，但当前患者年生存率仍较低（低于65%）［1-3］。转化生长因子β诱导基因（transforming growth factor β-induced gene， TGFBI），也称Betaig-h3基因。TGFBI蛋白被认为是一种细胞外基质（extracellular matrixc， ECM）蛋白，其已被证实参与各种生理过程，如形态发生、细胞增殖、黏附、迁移、分化和炎症的激活［4］。在肿瘤微环境的特定成分中，特别是ECM蛋白，对肿瘤发生过程中的转移有一定的影响，其在早期阶段有限制癌症发生的作用，并推动疾病向恶性肿瘤发展［5］。据报道，TGFBI同时具有肿瘤抑制因子和促进肿瘤发展的作用，早期的研究主要集中在肿瘤抑制方面［6］，现在有越来越多的研究表明TGFBI在促进肿瘤进展方面具有显著作用［7-8］。目前，TGFBI的研究大多是在角膜营养不良［9］和促进胶质瘤细胞［10］增殖及迁移中的作用。然而，TGFBI在HNSC中表达缺乏相关报道，本研究基于多种数据库分析TGFBI在HNSC中的表达情况，为临床诊断提供有效依据，对降低HNSC高发病率和死亡率具有一定意义。

1 资料与方法

1.1 TIMER2.0数据库

利用TIMER2.0数据库（http：//timer.cistrome.org/），进入“Cancer Exploration”下的“Gene_DE”模块来检索TGFBI在多种癌症中的表达情况。

1.2 UALCAN数据库

基于UALCAN（http：//ualcan.path.uab.edu/）数据库的TCGA（TCGA Gene analysis）模块下的“Expression”分析TGFBI在HNSC与正常组织中的差异表达及其与临床病理特征（年龄、性别、肿瘤分期和淋巴结转移状况等）的相关性。并利用GEPIA数据库（http：//gepia.cancer-pku.cn/）下的“Boxplot”模块进一步验证TGFBI在HNSC与正常组织中的表达。

1.3 STRING数据库

采用STRING数据库（https：//www.string-db.org/），“Organism”选择“Homo sapiens”，其余条件默认下分析TGFBI基因的互作蛋白，并构建蛋白互作网络。

1.4 DAVID数据库

通过DAVID数据库（https：//david.ncifcrf.gov/home.jsp）进入“Start Analysis”模块下的“Upload”。在“Step1”处输入TGFBI基因及互作蛋白基因；“Step2”处选择“OFFICIAL_GENE_SYMBOL”；“Step2a”处选择“Homo sapiens”；“Step3”处设置为“Gene List”。最后在“Functional Annotation Clustering”模块下得到数据（t2t_CA7F8C7F18621633430373215），进而对TGFBI基因与互作蛋白基因进行功能富集分析。

1.5 GEPIA数据库

运用GEPIA数据库（http：//gepia.cancer-pku.cn/）下的“Boxplot”模块分析TGFBI在HNSC与正常组织中的差异表达。并在“Survival Analysis”板块下检索患者总生存曲线图，输入TGFBI基因，设置“Group Cutoff”为“Quartile”［即“Cutoff-High（%）”值为75；“Cutoff-Low（%）”值为25］，其余条件默认，分析患者的总生存情况。

1.6 统计学方法

数据的分析多通过数据库默认的统计学分析方法进行。采用 Wilcoxon 检验分析TGFBI基因在各种常见肿瘤组织与正常组织间的表达；使用单因素方差分析TGFBI基因在 HNSC与正常组织中的表达水平；运用 Pearson 相关进行TGFBI与其共表达基因的相关性分析 ；通过 Logrank 检验分析TGFBI高、低表达组的生存期。检验水准：α=0.05，双侧检验。

2 结  果

2.1 TGFBI基因在泛癌中的表达

TIMER2.0数据库分析发现TGFBI基因在多种肿瘤中高表达，包括在HNSC中。见图1。

2.2 TGFBI基因在HNSC和正常组织中的差异表达

GEPIA数据库和UALCAN数据库分析结果均表明，TGFBI在HNSC中的表达明显高于正常组织（P<0.05）。见图2。

2.3 TGFBI基因与HNSC患者临床病理特征的关系

UALCAN数据库分析发现，相对于正常组织，TGFBI与HNSC患者的种族、性别、年龄、分期、淋巴结转移和TP53突变均密切相关，比较差异有统计学意义（P<0.05）。见图3。

2.4 TGFBI基因蛋白互作网络

STRING數据库构建TGFBI及其蛋白的互作网络，结果发现FN1、MMP14、ITGA3、ITGAM、ITGAV、ITGB1、ITGB2、ITGB3、TGIF2和TGIF2LX这10个蛋白基因与TGFBI存在紧密联系。见图4。

2.5 TGFBI及相关基因功能富集

通过DAVID数据库对TGFBI及相关基因进行功能富集，结果显示，它们主要参与了5个生物学程序（biological process， BP），如细胞外基质组织、白细胞迁移和细胞黏附等，4个细胞组分（cell component， CC），如整合素复合体、细胞表面和胞外体等，3个分子功能（molecular function， MF），如蛋白酶结合、金属离子结合和纤维连接蛋白结合，4个信号通路（kegg pathway， KEGG），如PI3K-Akt信号通路、ECM受体相互作用和肌动蛋白细胞骨架的调节。见表1。

2.6 TGFBI基因与HNSC预后的关系

TGFBI在HNSC中的总生存状况中，TGFBI高表达较TGFBI低表达的生存期缩短（P<0.05）。见图5。

3 讨  论

肿瘤转移是癌症患者死亡的主要原因。有研究表明，肿瘤微环境中ECM的分子改变在肿瘤转移过程中有一定的影响。它不仅调节组织发育和平衡，还是肿瘤的组成部分之一，肿瘤细胞黏附到ECM的增加可以绕过许多正常的生长抑制途径并促进恶性转化［11］。TGFBI是由TGF-β诱导的ECM蛋白，作为ECM的重要组成部分，在许多细胞类型中，与其他基质蛋白（如胶原蛋白、纤维素）相互作用，从而调节细胞增殖、黏附和迁移等［12］。其外分泌TGFBI还促进肿瘤细胞的增殖、入侵和转移，而细胞迁移和侵袭过程是肿瘤复发和转移的生物学基础。先前研究描述TGFBI在癌症进展中具有相互矛盾的作用，可作为癌症发生发展的促进者或抑制因子［13］。但近年来，越来越多的研究显示TGFBI在癌症中起促进作用，其已被证实在结直肠癌［14］、膀胱癌［15］、乳腺癌［16］和胰腺癌［17］中表达。可见，TGFBI在肿瘤发病机理中是重要的正向或负向调节剂，这表明了它可能作为生物标志物或治疗靶点发挥潜在作用。目前，尚未见有TGFBI基因在HNSC中的研究，因此TGFBI具有重要的研究价值。我们的研究表明TGFBI基因在HNSC中的表达明显高于正常组织，其高表达与相关临床特征（年龄、种族、性别、肿瘤分期、淋巴结转移和TP53突变等）存在紧密联系。TGFBI的作用不同可能取决于肿瘤类型和肿瘤分期，在晚期患者诊断中，淋巴结转移和复发是HNSC预后不良的主要原因［18］，进而导致高死亡率。而靶向TGFBI的机制在治疗晚期癌症方面具有潜在的临床效用。此外，我们在分析HNSC患者生存情况时，发现TGFBI基因高表达对HNSC患者的总生存时间存在显著影响。因此，TGFBI基因可能是评估肿瘤进展的生物标志物。

进一步分析TGFBI基因的互作蛋白，发现FN1、MMP14、ITGA3、ITGAM、ITGAV、ITGB1、ITGB2、ITGB3、TGIF2和TGIF2LX这10个蛋白基因与TGFBI蛋白存在紧密联系。纤维连接蛋白1（fibronectin 1， FN1）在胃癌和结直肠癌［19-20］等恶性肿瘤的调控中发挥了重要作用。有研究表明，FN1是HNSC放射抗性的潜在生物标志物［21］，作为一种ECM糖蛋白，在细胞黏附和细胞迁移中起重要作用。MMP14调节多种细胞外和质膜蛋白的活性，影响细胞间和ECM的通信，调节ECM降解和重塑、细胞侵袭和癌症转移等过程，并且在大量的实验研究中显示MMP14与肿瘤大小、分化和淋巴结转移等呈正相关，是肿瘤入侵的关键［22］。整合素是异源二聚体跨膜受体的一大家族，由α和β亚基组成。ITGA3、ITGAM和ITGAV为α亚基基因；ITGB1、ITGB2和ITGB3为β亚基基因。然而，整合素在生理上参与细胞增殖、分化和迁移的信号通路，重点是转移过程和肿瘤细胞与ECM之间的相互作用［23］。近年来，研究发现有许多肿瘤的整合素异常表达，包括乳腺癌、胰腺癌、胃癌、前列腺癌和结直肠癌等，并通过介导细胞迁移和侵袭来促进肿瘤的恶性表型。这表明了整合素与肿瘤的形成和发展密切相关。TGIF2是一种转录调节剂，通过与TGF-β 相互作用来充当转录抑制因子。已有研究表明TGIF2可能通过基因扩增机制在一些卵巢肿瘤的发育和/或进展中发挥重要作用［24］。TGIF2LX（转化生长因子β诱导的因子2样，X连锁）是一种同源域（HD）蛋白，与细胞信号通路的负调节相关，其已被暗示为人类恶性肿瘤发生的肿瘤抑制基因。

功能富集分析显示它们在信号通路中主要参与了PI3K-Akt信号通路，PI3K-Akt信号通路是细胞增殖和凋亡不可或缺的，也是癌症中最常见的受管制途径之一，在许多癌症的发病机制中起着重要的作用［25］。据报道，PI3K-Akt信号通路在90% HNSC中过度活跃，具有调节肿瘤增殖、代谢、活力和转移的作用［26］。在分子功能方面主要参与了纤维连接蛋白结合、金属离子结合和蛋白酶结合。TGFBI通常作为连接蛋白，通过集成物相互连接ECM分子，并诱导细胞相互作用，不同类型肿瘤细胞中的癌性纤维连接蛋白在实验和临床上与肿瘤恶性、转移或预后不良相关［27］。在金属结合方面，金属离子在生物体中是必不可少的，然而其在人体内的作用是复杂的。如锌、铁、氦和铜，这些微量元素以酶的共生体的形式参与各种生化反应，并通过与受体和转录因子的结合来控制重要的生物过程，在化学、分子和生物水平上对细胞功能起到重要作用［28］。大量临床证据表明，细胞内和组织水平的金属平衡调节不良导致许多不同类型癌症的发生发展，其触发细胞的肿瘤转化或降低免疫细胞的抗肿瘤功能［29］。此外，它们对于稳定细胞结构和维持基因组稳定性具有重要作用；在蛋白酶结合方面，蛋白酶涉及许多重要的正常生理过程，包括蛋白质周转、营养消化、受精、细胞分化和生长、免疫反应和凋亡。其除了调节ECM代谢外，还通过处理细胞间和细胞基质黏附分子，为肿瘤的发生提供了重要的优势［30］。由此可见，TGFBI的表达和功能受到多种机制的严格调节，与TGFBI紧密互作的蛋白基因的功能和信号通路与肿瘤的发生发展有关。

综上所述，TGFBI基因在HNSC中的表达水平高于正常组织，且与种族、年龄、性别、肿瘤分期和淋巴结转移等都密切相关；生存分析显示，TGFBI基因高表达与患者预后不佳相关，高表达TGFBI基因的HNSC患者的总生存期（OS）较低表达者缩短；蛋白互作发现，FN1、MMP14、ITGA3、ITGAM、ITGAV、ITGB1、ITGB2、ITGB3、TGIF2和TGIF2LX这10个蛋白基因与TGFBI紧密互作；它们共同的功能富集分析发现，其与癌症发展和转移的重要信号通路——PI3K-Akt信号通路相关。故多项证据表明，TGFBI基因可能参与HNSC的发展与转移，其可能作为HNSC潜在的早期诊断标志物和治疗靶点。

参 考 文 献

［1］ MILLER K D，SIEGEL R L，LIN C C，et al.Cancer treatment and survivorship statistics，2016［J］.CA Cancer J Clin，2016，66（4）：271-289.

［2］ BRAY F，FERLAY J，SOERJOMATARAM I，et al.Global cancer statistics 2018：GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries［J］.CA Cancer J Clin，2018，68（6）：394-424.

［3］  JIN Y，YANG Y.Identification and analysis of genes associated with head and neck squamous cell carcinoma by integrated bioinformatics methods［J］.Mol Genet Genomic Med，2019，7（8）：e857.

［4］  ZHU J，CHEN X，LIAO Z，et al.TGFBI protein high expression predicts poor prognosis in colorectal cancer patients［J］.Int J Clin Exp Pathol，2015，8（1）：702-710.

［5］  PICKUP M W，MOUW J K，WEAVER V M.The extracellular matrix modulates the hallmarks of cancer［J］.EMBO Rep，2014，15（12）：1243-1253.

［6］  李冰燕.TGFBI抑制惡性间皮瘤和乳腺癌细胞增生与侵袭的体内外研究［D］.苏州：苏州大学，2009.

［7］  刘欣，肖青，吕敬龙.TGFBI与肿瘤的相关性研究进展［J］.重庆医学，2013，42（22）：2669-2672.

［8］  陈贵巧，于晶，王云慧，等.转化生长因子-β诱导基因表达与肿瘤相关性研究［J］.临床军医杂志，2018，46（11）：1389-1391.

［9］  HAN K E，CHOI S I，KIM T I，et al.Pathogenesis and treatments of TGFBI corneal dystrophies［J］.Prog Retin Eye Res，2016，50：67-88.

［10］  GUO S K，SHEN M F，YAO H W，et al.Enhanced expression of TGFBI promotes the proliferation and migration of glioma cells［J］.Cell Physiol Biochem，2018，49（3）：1097-1109.

［11］  NEOPHYTOU C M，PANAGI M，STYLIANOPOULOS T，et al.The role of tumor microenvironment in cancer metastasis：molecular mechanisms and therapeutic opportunities［J］.Cancers：Basel，2021，13（9）：2053.

［12］  CORONA A，BLOBE G C.The role of the extracellular matrix protein TGFBI in cancer［J］.Cell Signal，2021，84：110028.

［13］  RUDRA-GANGULY N，LOWE C，MATTIE M，et al.Discoidin domain receptor 1 contributes to tumorigenesis through modulation of TGFBI expression［J］.PLoS One，2014，9（11）：e111515.

［14］  MA C，RONG Y，RADILOFF D R，et al.Extracellular matrix protein betaig-h3/TGFBI promotes metastasis of colon cancer by enhancing cell extravasation［J］.Genes Dev，2008，22（3）：308-321.

［15］  ZOU J，HUANG R，LI H，et al.Secreted TGF-beta-induced protein promotes aggressive progression in bladder cancer cells［J］.Cancer Manag Res，2019，11：6995-7006.

［16］  FICO F，SANTAMARIA-MARTNEZ A.TGFBI modulates tumour hypoxia and promotes breast cancer metastasis［J］.Mol Oncol，2020，14（12）：3198-3210.

［17］  COSTANZA B，RADEMAKER G，TIAMIOU A，et al.Transforming growth factor beta-induced，an extracellular matrix interacting protein，enhances glycolysis and promotes pancreatic cancer cell migration［J］.Int J Cancer，2019，145（6）：1570-1584.

［18］  DUPREZ F，BERWOUTS D，DE NEVE W，et al.Distant metastases in head and neck cancer［J］.Head Neck，2017，39（9）：1733-1743.

［19］  CAI X，LIU C，ZHANG T N，et al.Down-regulation of FN1 inhibits colorectal carcinogenesis by suppressing proliferation，migration，and invasion［J］.J Cell Biochem，2018，119（6）：4717-4728.

［20］  AMUNDSON S A，SMILENOV L B. Integration of biological knowledge and gene expression data for biomarker selection：FN1 as a potential predictor of radiation resistance in head and neck cancer［J］.Cancer Biol Ther，2010，10（12）：1252-1255.

［21］  JERHAMMAR F，CEDER R，GARVIN S，et al.Fibronectin 1 is a potential biomarker for radioresistance in head and neck squamous cell carcinoma［J］.Cancer Biol Ther，2010，10（12）：1244-1251.

［22］  GONZALEZ-MOLINA J，GRAMOLELLI S，LIAO Z，et al.MMP14 in sarcoma：a regulator of tumor microenvironment communication in connective tissues［J］.Cells，2019，8（9）：E991.

［23］  LI Z H，ZHOU Y，DING Y X，et al.Roles of integrin in tumor development and the target inhibitors［J］.Chin J Nat Med，2019，17（4）：241-251.

［24］  IMOTO I，PIMKHAOKHAM A，WATANABE T，et al.Amplification and overexpression of TGIF2，a novel homeobox gene of the TALE superclass，in ovarian cancer cell lines［J］.Biochem Biophys Res Commun，2000，276（1）：264-270.

［25］  XIE Y，SHI X，SHENG K，et al.PI3K/Akt signaling transduction pathway，erythropoiesis and glycolysis in hypoxia （review）［J］.Mol Med Rep，2019，19（2）：783-791.

［26］  WANG J，SUN Z，WANG J，et al.Expression and prognostic potential of PLEK2 in head and neck squamous cell carcinoma based on bioinformatics analysis［J］.Cancer Med，2021，10（18）：6515-6533.

［27］  WANG J，LI R，LI M，et al.Fibronectin and colorectal cancer：signaling pathways and clinical implications［J］.J Recept Signal Transduct Res，2021，41（4）：313-320.

［28］  MERLOT A M，KALINOWSKI D S，KOVACEVIC Z，et al.Exploiting cancer metal metabolism using anti-cancer metal- binding agents［J］.Curr Med Chem，2019，26（2）：302-322.

［29］  SERRA M，COLUMBANO A，AMMARAH U，et al.Understanding metal dynamics between cancer cells and macrophages：competition or synergism？［J］.Front Oncol，2020，10：646.

［30］  AFFARA N I，ANDREU P，COUSSENS L M.Delineating protease functions during cancer development［J］.Methods Mol Biol，2009，539：1-32.

（收稿日期：2021-11-23 修回日期：2022-05-13）

（編辑：梁明佩）