基于生物信息学方法的胶质瘤成纤维细胞相关预后模型的识别

Identification of a Fibroblast-Related Prognostic Model in Glioma Based on Bioinformatics Methods.

作者信息Haofuzi Zhang, Yutao Huang, Erwan Yang, Xiangyu Gao, Peng Zou, Jidong Sun, Zhicheng Tian, Mingdong Bao, Dan Liao, Junmiao Ge, Qiuzi Yang, Xin Li, Zhuoyuan Zhang, Peng Luo, Xiaofan Jiang
PMID36358948
发布时间2022-10-30
DOI10.3390/biom12111598

实验完整度

中

包含生物信息学分析(差异表达、LASSO、Cox、GSEA、免疫浸润)及免疫组化验证,但缺乏体外或体内功能实验验证。

主要模型

TCGA胶质瘤队列 CGGA胶质瘤队列 临床胶质瘤样本

重点核对

TCGA队列中635例胶质瘤样本,按7:3分为训练集(445例)和测试集(190例) CGGA队列中657例胶质瘤样本作为外部验证集 7个预后基因:NEGR1、ANGPTL2、TMEM100、MEX3A、CDK4、SLC2A3、PBK 风险评分公式的回归系数 免疫组化验证使用临床GBM样本和对照样本

摘要

背景:胶质瘤是中枢神经系统最常见的原发性肿瘤,具有很高的致死率。本研究旨在挖掘具有预后价值的成纤维细胞相关基因,并构建相应的预后模型。方法:本研究纳入了胶质瘤相关的TCGA(癌症基因组图谱)队列和CGGA(中国胶质瘤基因组图谱)队列。通过“limma”R包执行差异表达分析。应用“clusterProfiler”R包进行GO(基因本体论)分析。采用Kaplan-Meier(K-M)曲线、LASSO回归分析和Cox分析确定预后基因。创建了成纤维细胞相关的风险模型,并通过独立队列进行验证。我们使用基因集变异分析(GSEA)推导了成纤维细胞相关高风险和低风险亚组之间的富集通路。使用微环境细胞群计数器(MCP-counter)方法计算免疫浸润细胞和基质细胞,并使用SubMap算法评估免疫治疗反应。化疗敏感性通过“pRRophetic”R包进行评估。结果:在胶质瘤中共发现93个差异表达的成纤维细胞相关基因(DEFRGs)。在TCGA-胶质瘤队列训练集中筛选出7个预后基因,以创建成纤维细胞相关基因特征。然后通过TCGA-胶质瘤队列和CGGA-胶质瘤队列测试集验证了成纤维细胞相关风险模型。Cox回归分析证明,成纤维细胞相关风险评分是预测胶质瘤患者总生存期的独立预后预测因子。GSEA揭示的成纤维细胞相关基因特征适用于免疫相关通路。MCP-counter算法结果显示,成纤维细胞相关高风险和低风险亚组之间的肿瘤微环境存在显著差异。SubMap分析证明,成纤维细胞相关风险评分可以预测免疫治疗的临床敏感性。化疗敏感性分析表明,低风险患者对多种化疗药物更敏感。结论:我们的研究确定了预后相关的成纤维细胞基因,并生成了一种新的风险特征,可以评估胶质瘤的预后,并为临床胶质瘤治疗提供理论基础。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
挖掘具有预后价值的成纤维细胞相关基因,并构建能够预测胶质瘤预后及治疗敏感性的预后模型
核心机制
成纤维细胞相关基因通过影响免疫相关通路和肿瘤微环境,与胶质瘤预后相关
主要证据
基于TCGA和CGGA队列的生物信息学分析,结合临床样本免疫组化验证,发现7个预后基因构建的风险模型可预测总生存期、免疫治疗反应和化疗敏感性
研究意义
为胶质瘤预后评估和治疗提供理论基础,有可能作为新的预后标志物和治疗靶点

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

差异表达基因筛选

识别胶质瘤与正常组织之间的差异表达基因,并筛选成纤维细胞相关基因

从TCGA数据库获取5例正常样本和644例胶质瘤样本的RNA测序数据,用limma包进行差异表达分析,筛选标准为|log2FC|>2且调整后p<0.05,获得509个DEGs;与MsigDB中2784个FRGs取交集,得到93个DEFRGs

2

功能富集分析

探究DEFRGs的生物学功能和相关通路

使用clusterProfiler包对93个DEFRGs进行GO分析,得到74个GO条目,包括66个BP和8个CC

3

预后基因筛选与风险模型构建

筛选与胶质瘤预后相关的成纤维细胞基因,并构建风险评分模型

基于93个DEFRGs的表达和TCGA生存数据进行生存分析,筛选出57个与生存显著相关的基因;将635例患者随机分为训练集(445例)和测试集(190例);在训练集中进行单因素Cox分析,得到47个基因;再经LASSO回归筛选出13个基因;最后通过逐步多因素Cox回归确定7个预后基因,并构建风险评分公式

4

风险模型验证

验证风险模型的预测能力

在测试集和CGGA外部验证集中,通过K-M曲线、ROC曲线和风险曲线评估模型性能;训练集1年、3年、5年AUC分别为0.883、0.916、0.868;测试集为0.847、0.897、0.839;验证集为0.760、0.794、0.758

5

独立预后分析与列线图构建

评估风险评分的独立预后价值,并构建列线图模型

纳入年龄、性别、IDH、分级、MGMT等临床因素进行单因素和多因素Cox回归,确定风险评分为独立预后因素;构建列线图,C指数为0.878,并用校准曲线验证

6

基因集富集分析

探究高低风险组之间差异的生物学通路

GSEA分析高风险和低风险组,以及生存时间大于5年和小于5年的患者,富集到GO和KEGG通路;通过ssGSEA计算样本得分并进行聚类

7

免疫浸润和免疫治疗反应评估

比较高低风险组之间的免疫细胞浸润和免疫治疗反应差异

使用MCP-counter计算10种细胞丰度,比较高低风险组差异;分析免疫检查点表达;使用SubMap预测免疫治疗反应

8

化疗敏感性评估

比较高低风险组对化疗药物的敏感性

从GDSC数据库获取药物敏感性数据,用pRRophetic包估算37种药物的IC50,比较高低风险组

9

甲基化与CNV分析

探索预后基因表达异常的潜在机制

从TCGA获取甲基化数据,分析7个预后基因表达与对应cg位点甲基化水平的Spearman相关性;从cBioPortal获取CNV数据,分析基因表达与CNV的相关性

10

蛋白表达验证

验证预后基因在蛋白水平的表达差异

使用临床GBM样本和对照样本进行免疫组化,检测7个预后基因的蛋白表达,结果与转录组数据一致(SLC2A3除外)

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
CDK4抗体ServicebioGB11238-2
SLC2A3抗体ServicebioGB11294
NEGR1抗体Bioss ANTIBODIESbs-11095R
MEX3A抗体Bioss ANTIBODIESbs-18820R
ANGPTL2抗体Proteintech12316-1-AP
PBK抗体Proteintech16110-1-AP
TMEM100抗体Proteintech25581-1-AP
HRP标记的山羊抗兔/小鼠IgG H&L二抗ZSGB-bioPV-6000D
山羊血清ZSGB-bioSP-9001
链霉亲和素/HRP工作液ZSGB-bioSP-9001
DAB工作液ZSGB-bioSP-9001

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
数据获取
TCGA胶质瘤样本数量(5例正常,644例肿瘤,其中635例有生存信息);CGGA样本数量(657例)
阅读提示:参见Materials and Methods第2.1节
差异表达分析
差异表达阈值:|log2FC|>2,调整后p<0.05;使用limma包版本3.52.2
阅读提示:参见Materials and Methods第2.2节
预后模型构建
训练集与测试集比例7:3;预后基因筛选阈值(K-M p<0.001,单因素Cox p<0.001);LASSO回归参数(未明确说明)
阅读提示:参见Materials and Methods第2.4节
免疫组化
一抗孵育条件(4°C过夜);二抗孵育时间(室温10分钟);DAB显色时间(室温5分钟);山羊血清封闭时间(10分钟)
阅读提示:参见Materials and Methods第2.12和2.13节