生物信息学分析胃癌和结直肠癌中共有的差异表达基因

李少东，洪 森，李世权，董睿智，梁 斌，康振华

(吉林大学第一医院，吉林 长春130021)

胃癌和结直肠癌是世界上发病率和死亡率较高的恶性消化道肿瘤，严重影响着患者的生存质量，依然是世界各国重点防治的恶性肿瘤之一。消化道肿瘤的发生与基因调控、环境因素、饮食习惯等都有很密切关系。目前国内外认为基因调控仍是发病的主要因素，胃癌和结直肠癌的发生发展分别与很多基因有密切关系，本文通过NCBI-GEO微阵列数据库中筛选到基因表达谱GSE156355和GSE154127，对胃癌和结直肠癌的发生发展中的共同基因做出了初步研究，在结直肠癌基因表达谱GSE156355筛选到特有的差异基因有738个，占比为62.9%，在胃癌基因表达谱GSE156355筛选到特有的差异基因有425个，占比为36.2%，结果显示共检测到11个基因在两个基因表达谱中共同表达，占比仅为0.9%，其中3个基因上调表达(logFC>0)，8个基因下调表达(logFC<0)。但这11个基因对患者存活率影响没有明显的差异，只有CST1基因与正常样本相比，在胃癌和结直肠癌样本中均高表达。

1 材料与方法

1.1 微阵列数据信息

NCBI-GEO被视为微阵列/基因图谱，我们获得了基因微阵列基因图谱，我们在NCBI-GEO(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi)搜索获得了在结直肠癌和胃癌中的基因表达谱GSE156355和GSE154127。基因表达谱GSE156355是基于GPL21185测序平台，利用全基因组微阵列技术比较了6例结直肠癌患者癌组织和6例正常结直肠组织的基因表达谱。基因表达谱GSE154127为了了解胃癌干细胞获得5-FU耐药的分子基础，使用微阵列来详细描述胃癌中5-FU耐药和干细胞特性维持的基因表达谱，其中包括了4例正常胃组织，3例胃癌组织，3例5-FU干预治疗胃癌组织。

1.2 差异表达基因(DEGs)的筛选处理

DEGs的筛选通过GEO2R在线工具识别，FDR(false discovery rate)表示错误发现率，它是通过p value进行校正得到的，是差异基因筛选取的关键指标。在筛选中，选取P value < 0.05且|logFC |>=2作为标准(Fold Change表示差异倍数)筛选出DEGs。原始数据以TXT的格式在Venn软件(在线提供：http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/Venn/)在线检查结直肠癌和胃癌两个数据集中常见的DEGs，logfc<0的DEGs被认为是下调基因，而logfc>0的DEGs被认为是上调基因。

1.3 核心基因的生存分析及RNA测序表达

Kaplan-Meier绘图仪[1]是一个常用的网站工具，基于EGA、TCGA数据库和GEO(仅限Affymetrix微阵列)用于评估大量基因对生存率的影响，并在曲线图上显示出来。为了验证这些DEGs，我们应用GEPIA网站[2]对来自GTEx项目和TCGA的数千个样本的RNA测序表达数据进行了分析。

2 结果

2.1 直肠癌和胃癌差异表达基因(DEGs)的识别

通过GEO2R在线工具，提取基因表达谱GSE156355和GSE154127中的数据，以P value < 0.05且|logFC |>=2作为标准，用维恩图软件识别出了两个数据集中共有的DEGs，在结直肠癌基因表达谱GSE156355筛选到特有的差异基因有738，占比为62.9%，在胃癌基因表达谱GSE156355筛选到特有的差异基因有425，占比为36.2%，结果显示在共检测到11个基因在两个基因表达谱中共同表达，占比仅为0.9%，其中3个基因上调表达(logFC>0)，8个基因下调表达(logFC<0)，详见图1和表1。

图1 通过Venn diagrams软件验证两个数据集(GSE156355和GSE154127)中公共的DEGs

表1 11个共有差异表达基因(DEGs)

2.2 核心基因的生存分析

KaplanMeierplotter(http://kmplot.com/analysis)对11个共有差异表达基因的存活率数据进行统计。结果发现这11个基因对患者存活率没有明显的差异；P值均大于0.05。用GEPIA技术挖掘出11个基因在正常人和癌症病人之间的表达水平，结果表明，结果只有CST1基因与正常样本相比，在结直肠癌和胃癌样本中均高表达(P<0.05)，(图2)。

图2 CST1基因在肿瘤组织和正常组织中的表达

3 讨论

为了识别更多差异基因在消化道肿瘤中的表达，本文在NCBI-GEO微阵列数据库中，筛选胃癌和结直肠癌基因谱，共有6例结直肠癌患者癌组织和6例正常结直肠组织，3例正常胃组织，3例胃癌组织，3例5-FU干预治疗胃癌组织。以P value < 0.05且|logFC |>=2作为标准，在结直肠癌基因表达谱GSE156355筛选到特有的差异基因有738，占比为62.9%在胃癌基因表达谱GSE156355筛选到特有的差异基因有425，占比为36.2%，结果显示在共检测到11个基因在两个基因表达谱中共同表达，占比仅为0.9%，其中3个基因上调表达(logFC>0)，8个基因下调表达(logFC<0)，生存分析发现这11个基因对患者存活率没有明显的差异；但CST1基因与正常样本相比，在结直肠癌和胃癌样本中均高表达。

胃癌[3]和结直肠癌[4]是世界上发病率和死亡率较高的恶性消化道肿瘤，严重影响着患者的生活质量，恶性肿瘤的发生、发展与基因表达异常和突变等有密切关系，目前已明确了肿瘤发生的部分机制。半胱氨酸蛋白酶抑制剂(CST)是对半胱氨酸蛋白酶具有抑制作用的一类蛋白质,广泛分布于人体体液和分泌液中[5]。目前研究表明CST超家族与肿瘤之间具有密切联系,在多种肿瘤中都能检测到CST1基因所表达的产物[6]；也有研究表明，CST1基因异常表达与肿瘤发生、发展密切相关，近年来大量研究表明，过度表达的CSTl在恶性肿瘤细胞的增殖、转移及浸润等方面发挥关键作用[7]。胃癌中CST1基因异常高表达，RNA干扰其表达后可降低细胞增殖，RNA干扰CST1基因表达可抑制结直肠癌细胞的增殖和侵袭[8]。CST1在结直肠癌中高表达,且高表达将缩短结直肠癌患者生存期,过表达CST1能够促进结直肠癌细胞增殖、迁移和侵袭能力[9]。

本文研究发现在胃癌和结直肠癌中，CST1基因上调表达，与正常样本相比，在肿瘤组织中均高表达，推测CST1基因与胃癌和结直肠癌的发生密切相关，可以作为检测的重要指标，可以作为消化道肿瘤诊疗中的有效靶点。