一.研究背景
鐵是人體必需的一種金屬離子，其在癌癥中通常是失調(diào)的。鐵參與許多細胞過程，如DNA合成和修復(fù)、能量代謝和氧化還原反應(yīng)。癌細胞的增殖不受控制，他們需要比正常細胞更多的鐵來促進細胞復(fù)制。因此，鐵代謝失調(diào)是不同類型腫瘤中普遍存在的現(xiàn)象。先前的研究表明，鐵的異位表達通常表現(xiàn)為負責(zé)細胞鐵吸收的基因上調(diào)和鐵外流基因下調(diào)。細胞內(nèi)鐵代謝受到精確控制，不同類型的癌癥具有不同的分子機制。轉(zhuǎn)錄后調(diào)控是維持細胞鐵代謝平衡的重要機制。然而，對鐵相關(guān)基因及其在癌癥中的臨床相關(guān)性缺乏全面的描述。今天小編就和大家分享一篇關(guān)于對癌癥中的鐵代謝進行全面研究的文章【Pan‐cancer analysis of iron metabolic landscape across the Cancer Genome Atlas】。 雜志：Journal of Cellular Physiology ? IF：4.522 ? 發(fā)表日期：2019.06.25
二.方法和材料
1) 鐵代謝相關(guān)基因的選擇：鐵代謝相關(guān)的基因來自兩個數(shù)據(jù)庫，一個是Reactome中鐵的吸收與轉(zhuǎn)運（R‐HSA‐917937），另一個是AmiGo2中細胞內(nèi)鐵離子穩(wěn)態(tài)（GO:0006879）。
2)TCGA數(shù)據(jù)集：經(jīng)過篩選下載了TCGA中14中癌癥的表達數(shù)據(jù),甲基化數(shù)據(jù)以及臨床數(shù)據(jù)。
3) 差異分析：使用DESeq.2以及edgeR進行差異表達，識別出70個在配對樣本和非配對樣本中的差異表達的鐵相關(guān)基因。
4) 生存分析：使用單因素分析，cox風(fēng)險比例回歸模型，log-rank檢驗，生存曲線等預(yù)后方法分析鐵相關(guān)基因與生存的關(guān)系。
5) 腎癌樣本的收集：在蘭州大學(xué)第二醫(yī)院共收集21例具有癌旁組織的KIRC樣本，對這些樣本進行后續(xù)的分析。
6) 濕實驗驗證：細胞系的培養(yǎng)、化合物和體外細胞活力測定、qRT - PCR提取RNA等試驗流程。
三.結(jié)果展示
1 鐵代謝相關(guān)基因在泛癌中的表達模式：基于GO和文獻綜述，這篇研究共選擇70個鐵代謝相關(guān)基因進行分析。為了獲得鐵相關(guān)基因在癌癥類型中的表達模式，作者評估了14個癌癥類型的包括7000多個樣本的數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，在配對樣本分析中，56個(80.2%)鐵代謝基因在至少一種癌癥類型中有差異表達(圖1a)。鐵代謝基因改變在兩種肺癌和兩種腎癌中最多，在前列腺癌中最少。鐵代謝基因的失調(diào)在不同的癌癥類型中存在顯著差異(圖1a)。作者還從TCGA正常組織與所有可用腫瘤樣本的比較中，提出了差異表達的基因。為了進一步描述不同癌癥中與鐵相關(guān)基因的失調(diào)模式，作者使用無監(jiān)督聚類顯示同源組織具有相對密切的表達模式，如(KIRP vs. KIRC;這證實了上述分析的可靠性(圖1c)。最后，作者構(gòu)建這些基因的蛋白-蛋白相互作用(protein - protein interaction, PPI)并將其可視化(圖2)。
2 鐵代謝相關(guān)基因在泛癌中的DNA甲基化：作者研究TCGA中12種癌癥類型的甲基化數(shù)據(jù)來確定甲基化是否參與了鐵代謝基因異常表達的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，多個腫瘤中基因的異常表達伴隨著異常的DNA甲基化，如轉(zhuǎn)鐵蛋白受體2( TFR2)和甲型肝炎病毒細胞受體1 (HAVCR1)(圖3)。因此，鐵代謝基因在癌癥中的異位表達可能與異常的DNA甲基化有關(guān)。
3 鐵代謝基因與臨床相關(guān)性：為了進一步闡明鐵代謝異常在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用，作者采用單變量Cox分析評估鐵相關(guān)基因與患者生存的相關(guān)性。圖1b顯示，60個(85.7%)鐵相關(guān)基因與患者生存存在顯著相關(guān)性(圖1b,d)。表現(xiàn)出腫瘤致癌基因特征的紅細胞鐵素體(ERFE)，與四種癌癥生存期較差及有基因表達上調(diào)有關(guān)(圖1b)。3羥基丁酸脫氫酶2與患者預(yù)后呈負相關(guān)，在幾種癌癥類型中均下調(diào)。研究結(jié)果也表明，鐵代謝基因(共38)在mRNA水平與KIRC預(yù)后相關(guān)的最顯著(圖4)。
4 在成對組織中驗證鐵相關(guān)基因的表達情況：為了驗證上述差異分析的可靠性，作者使用qRT PCR方法對21對KIRC組織中的差異基因進行了驗證。在KIRC中，一共驗證了19個異常表達的基因，其中5個下調(diào)的基因中有3個，14個上調(diào)的基因中有11個被證實(圖5)。以上結(jié)果證明了基于TCGA的RNA seq數(shù)據(jù)的差分分析的可靠性。
5 ?分子靶向鐵代謝對細胞的影響：癌癥中缺鐵和鐵過多都有可能對治療癌癥起到幫助。研究結(jié)果表明，DFO和erastin能抑制多種腫瘤細胞的增殖。DFO的濃度為30um時顯著抑制腫瘤細胞。而erastin的有效濃度范圍很窄，經(jīng)常在1um是沒有顯著抑制的,而2-3um時抑制效果可以達到50%。但是在前列腺癌中DFO以及erastin效果不是很理想(圖6)。此外,正常細胞對erastin相對不敏感。雖然細胞鐵死亡依賴于鐵，但細胞鐵死亡興奮劑對細胞鐵代謝的影響尚不清楚。作者考慮到轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控對細胞鐵代謝的重要作用，作者將erastin、DFO、與,二價鐵和三價鐵在786-O與RKO細胞系中對鐵相關(guān)基因的影響做了比較（圖7,8）。
四.結(jié)論
作者通過對泛癌分析發(fā)現(xiàn)鐵代謝在不同的癌癥類型中都失調(diào)，并且這與患者生存顯著相關(guān)，特別是在KIRC中。這一觀察結(jié)果在腎癌組織中得到了證實。此外，DFO和erastin可抑制多種腫瘤細胞的增殖，影響多種鐵相關(guān)基因的表達。因此，針對鐵代謝的分子治療可能對癌癥的治療有幫助
五.參考文獻
(1) Alim, I., Caulfield, J. T., Chen, Y., Swarup, V., Geschwind, D. H., Ivanova, E., … Ratan, R. R. (2019). Selenium drives a transcriptional adaptive program to block ferroptosis and treat stroke. Cell, 177(5), 1262–1279. https://doi. org/10.1016/j.cell.2019.03.032.
(2) Colaprico, A., Silva, T. C., Olsen, C., Garofano, L., Cava, C., Garolini, D., … Noushmehr, H. (2016). TCGAbiolinks: An R/Bioconductor package for integrative analysis of TCGA data. Nucleic Acids Research, 44(8), e71–e71.https://doi.org/10.1093/nar/gkv1507.
(3) Dixon, S. J., Lemberg, K. M., Lamprecht, M. R., Skouta, R., Zaitsev, E. M., Gleason, C. E., … Stockwell, B. R. (2012). Ferroptosis: An iron‐dependent form of nonapoptotic cell death. Cell, 149(5), 1060–1072. https://doi. org/10.1016/j.cell.2012.03.042
(4) Kerins, M. J., & Ooi, A. (2018). The roles of NRF2 in modulating cellular iron homeostasis. Antioxidants & redox signaling, 29(17), 1756–1773.https://doi.org/10.1089/ars.2017.7176.
(5) Koch, A., Joosten, S. C., Feng, Z., deRuijter, T. C., Draht, M. X., Melotte, V., ... vanEngeland, M. (2018). Analysis of DNA methylation in cancer: location revisited. Nature Reviews Clinical Oncology, 15(7), 459–466. https://doi. org/10.1038/s41571‐018‐0004‐4
(6) Ljungberg, B., Bensalah, K., Canfield, S., Dabestani, S., Hofmann, F., Hora, M., … Bex, A. (2015). EAU guidelines on renal cell carcinoma: 2014 update. European Urology, 67(5), 913–924. https://doi.org/10.1016/j. eururo.2015.01.005.
往期分享
11-IF5+:miRNA表達模式結(jié)合TMB挖掘肺腺癌中的關(guān)鍵分子并建立分類器
12-IF4+:多組學(xué)分析鑒定膀胱癌腫瘤突變負荷和免疫治療的關(guān)系
