单一癌种综合分析也能发8分+SCI
大家好！今天给大家介绍一篇2022年6月发表在Journal of Translational Medicine(IF:8.440)上的一篇文章。本研究作者全面分析了胶质瘤患者的小胶质细胞的作用并基于相应亚通路构建预后模型。
Comprehensive analysis of microglia gene and subpathway signatures for glioma prognosis and drug screening: linking microglia to glioma
胶质瘤的小胶质细胞综合分析，基于基因和亚通路特征的预后和药物筛选
摘要
胶质瘤是最常见的脑肿瘤。已有研究表明，小胶质细胞作为神经系统中的先天免疫细胞，参与胶质瘤的病理过程。小胶质细胞与外周巨噬细胞的生物学作用不同。在本研究中，作者使用公共数据集研究胶质瘤内小胶质细胞的特异生物学作用，揭示了胶质瘤小胶质细胞与胶质瘤巨噬细胞（MicT/MacT）和胶质瘤小胶质细胞与正常小胶质细胞（MicT/MicN）的生物学特征。值得注意的是，9个核心MicT/MicN基因与胶质瘤的复发和预后有关。此外，作者使用随机游走算法鉴定小胶质细胞的特异性亚通路并构建用于胶质瘤预后分析的SubP28模型。使用多个验证数据集验证SubP28模型的预测性能和分子亚型。最后，作者构建了一个全面的药物-亚通路网络，用于筛选候选可用于治疗的亚通路靶点。总的来说，作者的综合分析小胶质细胞相关基因和生物学特征并确定对胶质瘤具有作用的特征。
流程图
结果
1. 数据集的获取和下载
从GEO数据库获取胶质瘤的数据集GSE65868,GSE86573和GSE80338。从TCGA和CGGA数据库获取胶质瘤的数据集。
2.转录组数据集整合分析揭示小胶质细胞的生物学作用
为了揭示胶质瘤内小胶质细胞的特定生物学作用，作者对4个GEO数据集进行分析，这些数据集包括从胶质瘤和正常组织中分离的小胶质细胞和巨噬细胞群。首先，作者对胶质瘤的小胶质细胞与胶质瘤的巨噬细胞（MicT/MacT）和胶质瘤的小胶质细胞和正常样本的小胶质细胞（MicT/MicN）进行差异分析。MicT/MacT和MicT/MicN的差异表达基因如图1A所示，两组差异表达基因间存在交集基因。在这4个GEO数据集中有9个共有的上调基因。MicT/MacT和MicT/MicN的上调基因涉及功能主要包括神经递质代谢过程，前脑神经元分化，后肾间充质发育和轴突引导调控等。MicT/MacT和MicT/MicN的下调基因涉及功能主要包括神经元分化相关功能（图1B）。为了进一步研究小胶质细胞特异性特征基因间的关系，作者构建了一个差异表达子网络（图1C）。MicT/MacT和MicT/MicN内具有相同方向的互作定义为组内，其他互作定义为组外。
图1 小胶质细胞特异性生物学特征和互作网络
3. 胶质瘤生物学中9-MicT/MicN核心基因模型
作者将4个数据集MicT/MicN中共有的9个基因定义为MicT/MicN核心基因。作者使用GEO,TCGA,CGGA和PCAWG数据库中的34个数据集分析这9个基因的作用。如图2A所示，这9个MicT/MicN核心基因与胶质瘤生物学密切相关。一些基因在不同胶质瘤中具有相同的表达模式，例如，OAS3和MMP19在胶质瘤样本中的表达水平高于正常样本，复发样本中的表达水平高于原发样本，高危组中的表达水平高于低危组（图2B）。为了研究免疫细胞和肿瘤细胞的细胞来源，作者进一步研究了MicT/MicN核心基因与肿瘤纯度的关系，有5个基因与肿瘤纯度显著相关（图2C和2D），MMP19,LY9和P2RY2与GBM和LGG纯度负相关。随后，作者根据肿瘤纯度将样本分为低纯度和高纯度样本，大部分基因在LGG中比GBM表现出较好的预测性能。此外，作者研究P2RY2在LGG临床反应亚组中的表达水平（图2E）。生物学作用研究发现，P2RY2表达水平与GBM的创面愈合功能有关（图2F）。
图2 9个MicT/MicN核心基因的生物絮作用
4.鉴定小胶质细胞特异性亚通路和交互网络
作者开发了一种基于MicT/MacT和MicT/MicN鉴定小胶质细胞特异性亚通路的框架。首先，作者基于网络的随机游走算法优化MicT/MacT和MicT/MicN一致上调和下调的候选基因。其次，综合考虑不同调控失调的影响，得到亚通路列表并计算亚通路打分。使用随机策略评估所有亚通路的显著性。结果表明，在MicT/MacT中分别鉴定到1条上调亚通路和34条下调亚通路，在MicT/MicN中分别鉴定到18条上调亚通路和46条下调亚通路，在MicT/MacT和MicT/MicN共有的下调亚通路有4条。最后，作者构建亚通路的交互网络，其中方向相同的失调亚通路互作较为密切，这些亚通路大部分为下调通路。
5.与胶质瘤生物学相关的小胶质细胞亚通路
小胶质细胞特异性亚通路与胶质瘤生物学之间的关系分析表明，这些亚通路表现出两种表达模式（图3A）。大多数Ⅰ型亚通路来源于免疫系统和细胞群落，Ⅱ型亚通路来源于细胞运动，发育和再生。在胶质瘤生物学中，这些亚通路与肿瘤形成，预后情况密切相关。例如，通路04810_15在肿瘤样本中表达水平较高，ssGSEA分析表明这个亚通路的表达模式较高（图3B和3C）。
图3 小胶质细胞亚通路与胶质瘤生物学的关系
6.基于亚通路的胶质瘤预后风险模型
作者的研究揭示了，在神经网络中的亚通路与胶质瘤的预后密切相关（图3A）。因此，作者使用LASSO分析构建胶质瘤的预后模型，确定了29条预测性能最好的小胶质细胞特异性亚通路并定义为SubP28模型。使用CGGA,TCGA和PCAWG数据集验证SubP28模型的性能，其中高打分样本的预后较差（图4A）。此外，作者使用IGAP的数据量化SubP28模型，在侵袭性胶质瘤和浸润性肿瘤样本中，SubP28信号具有较高的功能活性，这些亚通路信号在细胞瘤中具有较低的活性（图4B）。相关性分析表明SubP28特征与其他小胶质细胞特征密切相关（图4C），SubP28打分与巨噬细胞调节功能正相关，与CD4 T细胞负相关（图4E）。不同胶质瘤亚型的预后不同，其中间叶细胞型和神经细胞型样本的SubP28打分高于其他亚型（图4D）。
图4 SubP28模型的预测性能和免疫浸润相关性
7.SubP28与GBM和LGG的小胶质细胞状态的相关性
为了进一步研究SubP28特征与小胶质细胞状态的关系，作者使用ssGSEA计算TCGA-GBM和TCGA-LGG样本的小胶质细胞打分。相关性分析表明，在LGG样本中SubP28打分与小胶质细胞稳态正相关（图5A），在GBM样本中，SubP28打分与小胶质细胞活性正相关。小胶质细胞以M1/M2小胶质细胞为主，在考虑分子亚型和IDB1突变时，IDH突变与M1和M2小胶质细胞具有一定相关性，在未发生IDH1突变的LGG样本中SubP28打分与M1特征正相关（图5B）。
图5 SubP28打分与GBM和LGG的小胶质细胞状态的相关性
8.药物-亚通路网络揭示新的治疗策略
为了预测SubP28高打分和低打分患者的药物敏感性，作者系统评估了SubP28打分与抗肿瘤药物反应敏感性的关系。作者使用三组药物反应数据计算IC50与SubP28打分的相关性。结果表明，作者获得两组候选药物集分别为与SubP28打分高的细胞系敏感性较高的药物和与SubP28打分低的细胞系敏感性较高的药物。其中，治疗BRCA的药物拉帕替尼是SubP28打分高组的敏感药物，而吉西他滨是SubP28打分低组的敏感药物。为了研究抗肿瘤化合物对28条小胶质细胞亚通路之间的关系，作者基于HGCC构建多组学集成网络。如图6所示，多个候选药物从三个组学水平靶向小胶质细胞特异性亚通路。
图6 HGCC中的药物亚通路网络
结论
总的来说，作者基于多个转录组数据集鉴定小胶质细胞特异性基因和亚通路特征的综合分析并研究其与胶质瘤生物学的关系。此外，作者基于亚通路水平构建风险模型SubP28，可以预测胶质瘤患者的预后和临床治疗反应。最后，作者研究这些亚通路和候选药物的复杂关系。这些研究为小胶质细胞与胶质瘤的关系提供证据，为胶质瘤的预后，药物反应和临床治疗提供有价值的信息。然而，本研究还存在一定局限性，例如还需要一定的实验验证本研究的结果。