基于数据挖掘分析POLR2A基因在脑胶质瘤的表达及意义

李素芬，王唯斯，杨娜，梅雯，孙美涛，熊伟

1.大理大学 基础医学院，云南 大理 671000；2.楚雄州人民医院 病理科，云南 楚雄 675000；3.杭州医学院 基础医学与法医学教研室，浙江 杭州 310053

脑胶质瘤是成人中最常见的原发性恶性脑肿瘤，可发生于中枢神经系统的任何位置，主要在大脑的神经胶质组织中[1]。脑胶质瘤占所有系统性恶性肿瘤的2%～4%，约占所有脑瘤和中枢神经系统肿瘤的30%，以及所有恶性脑瘤的75%[2]。脑胶质瘤细胞一般是星形细胞、少突胶质细胞，或者是这2种细胞类型同时存在。通常根据国际疾病分类肿瘤学专辑第3版（ICD-O-3）和世界卫生组织（WHO）等级进行疾病分类[3]。脑胶质瘤恶性程度可达到WHO的Ⅰ～Ⅳ级。成人中最常见的脑胶质瘤组织学类型包括星形细胞瘤（Ⅰ～Ⅳ级）、少突胶质细胞瘤（Ⅱ～Ⅲ级）和少星形胶质细胞瘤（Ⅱ～Ⅲ级），其中低级别脑胶质瘤包括WHOⅠ级和Ⅱ级[3]。一般而言，胶质瘤的发病率约为每年100 000例，包括6种类型的脑瘤，并且每年诊断出17 000例多形性胶质母细胞瘤新病例[4]。尽管在综合治疗方面取得了重大进展，但脑胶质瘤患者的5年预后仍然很差[5-6]。

在真核生物中，所有mRNA以及几种非编码RNA如snRNA、snoRNA、siRNA的转录，都是通过RNA聚合酶Ⅱ（polⅡ）实现的[7]。人类RNA polⅡ由12个亚基组成，最大的催化亚基为POLR2A，也称为RPB1。人POLR2A基因位于染色体17p13.1上，编码产物由1970个氨基酸残基构成，相对分子质量为220×103，包含有52个七肽重复序列（YSPTSPS）的C端结构域（CTD），这对于聚合酶活性至关重要[8-9]。已经广泛研究了CTD修饰，如Ser2和Ser5的磷酸化，这些修饰在转录的各个步骤（包括起始、暂停、延伸和终止）动态发生[7-9]。现已确定，POLR2A，特别是它的CTD结构域，在协调转录与共转录（例如mRNA加工），从而调节基因表达中起关键作用[10]。因此，POLR2A的缺失将导致基因表达失调，从而导致细胞死亡。此外，据报道，基于微阵列分析，与年轻的供体细胞相比，Werner综合征患者或老年人的供体细胞中的POLR2A显著下调，表明其在细胞衰老中的作用[11]。POLR2A中反复的体细胞突变可驱动脑膜瘤进展，提示它可能在肿瘤发生中发挥作用[12]。POLR2A在基因表达和细胞功能中具有重要地位，但除了由泛素化介导的DNA损伤依赖性或非依赖性POLR2A降解外，对其自身的调控知之甚少[13-16]。目前，关于POLR2A基因在低级别脑胶质瘤中的研究还未见相关报道。在本研究中，我们通过不同的肿瘤生物信息数据库进行数据挖掘，分析了POLR2A基因在低级别脑胶质瘤中的表达及其预后意义。

1 材料与方法

1.1 Oncomine数据库提取POLR2A基因与低级别脑胶质瘤相关数据

Oncomine数据库（http://www.oncomine.org）是基于基因芯片和整合数据挖掘的平台，通过计算基因表达特征、集群和基因集模块，从数据中自动提取生物信息[17]。本研究中我们设定数据集筛选条件如下：①Gene：POLR2A；②Analysis Type：Cancer vs.Normal Analysis；③Cancer Type：Astrocytoma，Oligodendroglial Tumor，Mixed Glioma；④Date Type：mRNA；⑤Simple Type：Clinical Specimen；⑥ 临 界 值 设 定 条 件 ：Pvalue＜1E-4，fold change 2，gene rank=top10%。

1.2 Oncomine数据库分析POLR2A基因在低级别脑胶质瘤中的表达

通过在Oncomine数据库所提取出的数据集，进一步分析POLR2A基因在低级别脑胶质瘤组织中的表达。

1.3 GEPIA数据库分析POLR2A基因在各肿瘤组织中的表达

基因表达谱动态分析（Gene Expression Profiling Interactive Analysis，GEPIA）（http://gepia.cancer-pku.cn）包含许多肿瘤及正常样本的RNA序列表达数据[18]。通过GEPIA分析POLR2A基因在低级别脑胶质瘤和正常脑组织中的表达差异，同时分析人体中其他部位的肿瘤组织及其相对应的正常组织中POLR2A基因的表达差异。

1.4 cBioportal数据库分析POLR2A基因在低级别脑胶质瘤组织中的突变

cBioprotal数据库（http://www.cbioportal.org/）是Memorial Sloan Kettering Cancer Center（MSK）开发的基于癌症基因组图谱（TCGA）数据库的一款集数据挖掘、数据整合及可视化等多功能于一体的综合性开放网络平台[19]。使用cBioportal进行癌症基因组学分析，分析TCGA数据库（http://cancergenome.nih.gov）低级别脑胶质瘤患者POLR2A基因突变率。

1.5 OncoLnc数据库分析POLR2A基因的表达与低级别脑胶质瘤患者预后的关系

OncoLnc（https://www.oncolnc.org）数据库是对癌症数据集进行Kaplan-Meier生存分析的在线工具[20]。选择TCGA数据集中的LGG项目，输入POLR2A基因，高表达组与低表达组均设置为33%，得到168例POLR2A基因高表达和168例POLR2A基因低表达的低级别脑胶质瘤样本，进行Kaplan-Meier分析。

1.6 String-DB数据库分析与POLR2A蛋白相互作用的蛋白质

String-DB数据库（https://string-db.org）可以分析基因或蛋白质的相互作用，数据库中的生物数据和网络资源都已被证实或者可以预测[21]。利用String-DB数据库分析POLR2A蛋白在真核生物转录中相互作用的蛋白质。

1.7 统计学分析

正常脑组织和对应的低级别脑胶质瘤组织之间POLR2A表达的差异采用t检验；POLR2A表达与低级别脑胶质瘤预后的关系采用Kaplan-Meier分析。所用统计学分析采用SPSS24.0进行，P＜0.05时，差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 POLR2A在低级别脑胶质瘤中的表达

Oncomine数据库显示，在有关低级别脑胶质瘤的基因芯片中，选择了7项涉及POLR2A基因的研究，相关文献分别发表于Cancer Res、Oncogene、Cancer Cell杂志。分析这7项研究结果发现，与正常脑组织相比，POLR2A mRNA在低级别脑胶质瘤组织中呈高表达，P=0.022（图1）。

2.2 POLR2A在低级别脑胶质瘤组织及正常脑组织的表达差异

对Oncomine数据库中不同类型脑胶质瘤芯片的分析发现，与正常脑组织相比，不同类型脑胶质瘤组织中的POLR2A呈现高表达（图2）。

2.3 GEPIA分析POLR2A基因在人体各种肿瘤中的表达差异

通过GEPIA分析TCGA数据库中低级别脑胶质瘤数据集，结果表明，与正常脑组织相比，POLR2A基因在低级别脑胶质瘤组织中呈高表达，差异具有统计学意义（P＜0.05）（图3）。GEPIA分析TCGA数据库中POLR2A基因在人体31种肿瘤组织及其相应的正常组织中的表达差异，结果显示，POLR2A基因在很多人体肿瘤组织中呈高表达（图4）。

2.4 cBioportal分析POLR2A基因在低级别脑胶质瘤组织中的突变

图1 Oncomine数据库中7项研究显示POLR2A基因在正常脑组织（对照组）与低级别脑胶质瘤组织中的表达差异

使用cBioportal数据库分析脑胶质瘤数据集Glioma（UCSF）、LGG（TCGA PanCan）、Glioma（TCGA）、LGG-GBM（TCGA 2016）低级别脑胶质瘤组织中POLR2A的基因突变，观察到POLR2A的高突变率（图5）。

2.5 OncoLnc数据库中Kaplan-Meier生存分析

图2 POLR2A在低级别脑胶质瘤组织及正常脑组织的表达差异

OncoLnc数据库检索结果显示，POLR2A基因的表达水平对低级别脑胶质瘤患者的总生存时间无显著影响。与POLR2A基因高表达组相比，POLR2A基因低表达的低级别脑胶质瘤患者总体生存率无明显变化（LogrankP=0.454）（图6）。

2.6 与POLR2A蛋白相互作用的蛋白质

String-DB分析发现，POLR2A在真核生物基因转录过程中发挥重要作用，PPI富集P=0.056，节点数为11（图7）。与POLR2A蛋白有相互作用的蛋白质为真核生物RNA聚合酶2E（POLR2E）、2F（POLR2F）、2G（POLR2G）、2K（POLR2K）、2L（POLR2L）。

3 讨论

图3 正常脑组织和低级别脑胶质瘤组织中POLR2A mRNA的表达差异（*P＜0.05）

图4 人体各种肿瘤组织及其相应正常组织中POLR2A基因的表达差异

图5 POLR2A基因在低级别脑胶质瘤组织中的突变

图6 OncoLnc数据库低级别脑胶质瘤数据集中POLR2A表达量与患者预后的Kaplan-Meier生存分析

图7 真核生物转录过程中与POLR2A相互作用的蛋白质

脑胶质瘤按恶性程度可达到WHO的Ⅰ～Ⅳ级。成人中最常见的脑胶质瘤组织学类型包括星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤和少星形胶质细胞瘤。其中低级别胶质瘤生长缓慢，是由中枢神经系统支持性胶质细胞产生的异质性神经上皮肿瘤，占所有原发性脑肿瘤的10%～20%。一般情况下，低级别脑胶质瘤WHOⅠ级可以通过手术切除治愈，WHOⅡ级包括星形细胞瘤、少突胶质瘤和混合性少突胶质细胞瘤，很少能治愈[22]。低级别脑胶质瘤虽进展缓慢，但具有向高度恶性转化的潜力，可转化为高级别胶质瘤[23]。在真核生物中，POLR2A协调转录与共转录，在调节基因表达和细胞功能中发挥重要作用。由于POLR2A中反复的体细胞突变可驱动脑膜瘤进展，提示它可能在肿瘤发生中起作用，而POLR2A与低级别脑胶质瘤的发生发展及其预后的关系目前未见报道。

我们利用Oncomine和GEPIA数据库对POLR2A基因在低级别脑胶质瘤组织中的表达进行了汇总分析。通过探究Oncomine数据库发现，POLR2A在低级别脑胶质瘤中表达上调，提取Oncomine数据库中POLR2A mRNA在低级别脑胶质瘤组织和正常脑组织的表达情况，显示POLR2A在不同类型的低级别脑胶质瘤组织中均高表达，且差异具有统计学意义。GEPIA分析结果表明，与正常脑组织相比，脑胶质瘤组织中POLR2A的表达水平显著升高，且差异具有统计学意义。利用OncoLnc数据库分析POLR2A基因的表达水平如何影响低级别脑胶质瘤患者的总生存时间，结果发现，与POLR2A基因高表达组相比，POLR2A基因低表达的低级别脑脑脑胶质瘤患者总体生存时间无明显变化，与预后无相关性。通过cBioportal分析发现，POLR2A基因在低级别脑胶质瘤组织中存在高突变率。最后，通过String-DB数据库分析发现，真核生物RNA聚合酶多个亚基与POLR2A之间存在相互作用。

随着基因诊疗技术的不断发展，分子靶向治疗已成为临床治疗低级别脑胶质瘤研究的热点，这些数据挖掘结果为后续的实验研究提供了重要的理论基础，也为进一步探究POLR2A在低级别脑胶质瘤发生发展中的分子机制，找到早期诊断的分子标志物，从而进行抗肿瘤靶向治疗提供了理论依据。