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导语

肝细胞癌 (HCC) 是一项全球性的健康挑战。早期诊断需要有效的生物标志物，以提高 HCC 患者的存活率。核酸外切酶 1 (EXO1) 在 DNA 修复和重组机制中起重要作用。

背景介绍

单基因生信分析近两年热度不减，今天小编为大家带来的这篇文章，作者探讨了核酸外切酶 1 (EXO1) 在 HCC 中的诊断和预后作用。文章发表在《 Frontiers in Molecular Biosciences》上，影响因子为：6.113，文章题目为：Exonuclease 1 is a Potential Diagnostic and Prognostic Biomarker in Hepatocellular Carcinoma。

数据介绍

本研究从TCGA和GEO中下载了HCC的数据集。从重庆医科大学第一附属医院的 5 名 HCC 患者中随机选择了肿瘤和癌旁肝组织。

技术路线

本研究技术路线如图所示。

结果解析

01

EXO1的表达水平在包括肝细胞癌在内的多种癌症中显著升高

本研究在来自 TCGA 数据库的 33 个癌症数据集中分析了 EXO1 的表达。EXO1 在 33 种癌组织中的 19 种癌组织中显著上调（图 1A）。所分析的癌症均未显示出任何显著的 EXO1 下调。此外，在GSE46408（图 1B）和 GSE84402（图 1C）数据集的 HCC 组织以及 GSE114564 数据集（图 1D）的 HCC 患者血清中的 EXO1 表达显著更高。与临近瘤周肝组织相比，HCC 组织中的 EXO1 表达显著更高（图 1E，F）。

图 1

02

高表达和低表达EXO1的HCC患者之间的差异表达基因

本研究使用 EXO1 表达值中位数将 424 名 HCC 患者分为高和低 EXO1 表达组。然后使用log|FC| > 1.5 和 p < 0.05 作为阈值参数，与低 EXO1 相比，本研究在高 EXO1 表达组中鉴定出 794 个差异表达基因（DEG）（659 个上调和 135 个下调）（图 1G）。其中六个最重要的 DEG 显示在图 1H 的单基因共表达热图中。

03

EXO1相关差异表达基因在HCC中的功能富集分析

然后，本研究使用“clusterProfiler”R 包对 HCC 患者中的 EXO1 相关 DEG 进行了功能注释。GO 富集分析结果包括显著富集的生物过程、细胞成分和分子功能 (p < 0.05)，如图 2A 所示。最重要的生物学过程包括“细胞器裂变”、“核分裂”、“染色体分离”和“核染色体分离”。最丰富的细胞成分是“凝聚染色体”、“染色体”、“着丝粒区域”、“动粒”。最丰富的分子功能是“通道活动”、“运动活动”、“神经递质受体活动”和“微管运动活动”。

图 2

GSEA 显示与 EXO1 相关的 DEG 在细胞增殖相关簇中显著富集（图 2B-I），包括与细胞周期检查点相关的基因，G2-M 检查点, M 期 , S 期 , 有丝分裂 G2-M 期 , 有丝分裂前中期 , 有丝分裂中期和后期, 以及姐妹染色体分离。EXO1 相关的 DEG 也富集在 DNA 修复簇中（图 2J），并与 RHO GTPASE 效应子和RHOGTPASE 调节的信号通路（图 2K，L）和纤毛组件（图 2M）显著相关。

04

EXO1表达水平与HCC组织中多种免疫细胞的浸润有关

接下来本研究通过 ssGSEA 评估 HCC 组织中 24 种免疫细胞类型的浸润状态。通过 Spearman 相关分析估计 EXO1 表达与免疫细胞浸润之间的关联。EXOI 表达水平与中性粒细胞 (图 3B)、细胞毒性细胞 (图 3C)和 CD8+ T 细胞 呈负相关，并且与 aDC(图 3D)、T 辅助细胞 (图 3F) 和 2 型 T 辅助细胞 (图 3G) 呈正相关（图 3A）。接下来，本研究评估了 EXO1 表达与免疫细胞标志物之间的相关性。EXO1 表达水平与HCC 组织中的 B 细胞（CD19、CD20 和 CD38）、CD8+ T 细胞（CD8A、CD8B）、其他 T 细胞亚群（TFH、Th2 和 Treg）、M1 巨噬细胞（IRF5）、M2 巨噬细胞（CD115）和 TAM（PDCD1LG2、CD80 和 CD40）的特定生物标志物呈正相关。

图 3

05

HCC中EXO1表达水平与免疫检查点基因和TP53表达相关

CTLA-4和PDCD-1是与肿瘤免疫逃逸相关的重要免疫检查点蛋白。而TP53是一种在正常细胞中低表达、在恶性肿瘤中高表达的抑癌基因。本研究发现，在TCGA数据集的HCC样本中，EXO1的表达水平与CTLA-4、PDCD-1和TP53的表达水平呈正相关(图4A-C)。

图 4

06

EXO1的甲基化状态与HCC患者预后有关

本研究使用 MetSurv 工具分析 EXO1 基因中的 DNA 甲基化水平和 EXO1 基因中 CpG 岛的预后价值。结果显示 14 个甲基化 CpG 岛，包括 cg03292648、cg03116938、cg11837910 和 cg22022181， DNA 甲基化水平升高（图 5）。

图 5

此外，六个 CpG 岛的甲基化水平，即 cg03116938、cg03292648、cg11837910、cg21919602、cg22022181 和 cg24741598 与预后相关（p < 0.05）（表 1）。与 EXO1 中 CpG 甲基化水平较低的患者相比，这六个 CpG 岛中的 EXO1 甲基化水平升高，尤其是 cg03292648，与 HCC 患者的总生存期较差有关。

表 1

07

EXO1的基因改变与HCC患者的生存结果无关

然后，本研究根据另外三个数据集的 737 名 HCC 患者的样本分析了 EXO1 基因的遗传改变。仅 7% 的 HCC 患者观察到 EXO1 基因的遗传改变（图 6A）。K-M 生存曲线和对数秩检验显示，有或没有 EXO1 基因遗传改变的患者的 OS和 DSS没有显著差异（图 6B，C）。

图 6

08

EXO1的表达水平与HCC的多种临床病理学特征相关

基于 TCGA-LIHC 数据集的 HCC 患者临床病理特征与 EXO1 表达水平之间的关联如表 2 所示。

表 2

EXO1 表达水平与种族（图 7A）、AFP 水平（图 7B）、DSS（图 7C）、OS（图 7D）、T 分期（图 7E）、肿瘤状态（图 7F）、组织学分级（图 7G）和 HCC 患者的病理分期（图 7H）显著相关。此外，具有高 AFP 水平、低 OS 和 DSS 以及晚期癌症阶段的 HCC 患者也表现出更高的 EXO1 水平。logistics回归分析显示，EXO1 表达水平与 HCC 组织中的 T 分期、肿瘤状态、组织学分级和 AFP 水平呈正相关（表 3）。

图 7

表 3

09

EXO1是一种潜在的HCC预后和诊断的生物标志物

K-M 生存曲线分析显示，与低 EXOI 表达水平的HCC患者相比 (图 8C)，EXO1 高表达的 HCC 患者的 OS (图 8A)、DSS(图 8B) 和PFI显著降低 。多因素 Cox 回归分析表明，EXO1 是预测 OS和 DSS的独立危险因素（表 4）。

图 8

表 4

接下来本研究采用ROC曲线分析确定EXO1表达水平的诊断价值。EXO1的表达水平准确地区分了肿瘤组织和邻近的瘤周组织，其AUC值为0.971(图9A)。时间依赖性ROC曲线分析显示，基于EXO1表达水平预测HCC患者1、3、5年生存率的AUC值均在0.6以上(图9B)。本研究还构建以T分期、肿瘤状态、病理分期、EXO1表达水平为参数的列线图模型。列线图在预测 HCC 患者的 1 年、3 年和 5 年生存概率方面显示出显著的高临床价值（图 9C）。

图 9

10

EXO1在HCC患者临床病理亚组中的预后表现

表 5 和图 10 显示了基于临床病理参数对特定 HCC 患者亚组进行 Cox 回归分析的结果，以确定 EXO1 的预测价值。不同种族的HCC患者中，EXO1高表达水平与不良OS相关，特别是亚洲人、临床T2、T3、T4期，临床病理分期，肿瘤状态，临床组织学分级，G1和G2 (图10A)， DSS(图10B)。在不同种族和临床组织学分级G1和G2中，EXO1高表达水平也与较低的PFI相关(图10C)。这些结果表明，EXO1高表达的HCC患者的生存率明显短于EXO1低表达的HCC患者。

表 5

图 10

小编总结

这项研究表明，EXO1是一个潜在的诊断和预后的生物标志物，是一个有前途的HCC治疗靶点。研究局限性在于，本研究结果是基于TCGA数据库中HCC组织的RNA测序数据，无法直接评估HCC组织中EXO1下游信号通路的活性和相关蛋白水平。这项研究分析十分的简洁明了，上手十分容易，大家若对这方面有兴趣可以将一些思路方法应用在自己的研究中。