多組學數(shù)據(jù)整合分析技術體系的建立及其在不同轉移潛能肝癌細胞系多組學數(shù)據(jù)整合分析中的應用研究.pdf

1、肝細胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)在我國分布廣，年新增40萬肝癌患者；肝細胞癌致死率高，僅我國平均每年約有38.3萬人死于肝細胞癌，占全球肝癌死亡病例數(shù)的51％。肝癌的轉移復發(fā)是造成肝癌患者死亡的主要因素，因此，研究肝癌在侵襲轉移發(fā)生發(fā)展過程中的分子機制有著重要的意義。
　　肝癌的發(fā)生、發(fā)展和轉移涉及的環(huán)節(jié)多，累及基因本身、轉錄、翻譯和蛋白質翻譯后修飾水平的復雜調控，參與其中的基因數(shù)目眾多。組學技

2、術的快速發(fā)展，不同層次和類型的組學數(shù)據(jù)獲取及分析方法的日趨成熟，為系統(tǒng)分析肝癌轉移的分子機制研究創(chuàng)造了條件。
　　多組學數(shù)據(jù)整合分析研究涉及到多學科的交叉，容易出現(xiàn)兩方面的問題。一方面有關工具開發(fā)的多組學數(shù)據(jù)整合分析研究側重于算法與軟件的研發(fā)，對生物學問題的理解不夠深刻，開發(fā)的工具缺乏生物學問題的應用；另一方面有關疾病的多組學數(shù)據(jù)整合分析研究側重于生物學問題，研究涉及的多組學數(shù)據(jù)層次偏少，對多層次組學數(shù)據(jù)的整合過于簡單。針對上述問

3、題，本研究以轉移潛能遞增的肝癌細胞系模型作為研究對象，通過整合不同層次的組學數(shù)據(jù)，建立從組學原始數(shù)據(jù)出發(fā)的完整的多組學數(shù)據(jù)整合分析流程；利用該流程系統(tǒng)地探究不同肝癌轉移潛能細胞系在基因、轉錄和蛋白質水平變遷的規(guī)律。
　　肝癌轉移潛能細胞系具有相同的遺傳背景，而隨著肝癌轉移潛能細胞系轉移潛能的增強，模型系統(tǒng)在基因水平和蛋白水平都發(fā)生了相應的變化。我們認為這種變化會隨著轉移潛能的增強呈現(xiàn)出一定的趨勢和方向性。為了證明這種方向性，我們采

4、用了多組學數(shù)據(jù)整合分析流程對模型系統(tǒng)進行整合分析。通過組學原始數(shù)據(jù)處理和質量控制，包括基因變異檢測分析、基因表達豐度定量分析和蛋白表達豐度定量分析。在基因水平，共同鑒定到224個變異基因；在轉錄水平，共同定量到17032個基因；在蛋白水平，共同定量到5654個蛋白。其中轉錄組、蛋白質組共同定量5405個基因/蛋白。進一步通過組學數(shù)據(jù)的整合分析，我們印證了肝癌轉移潛能細胞系多組學數(shù)據(jù)隨轉移潛能規(guī)律性變遷。
　　進而采用主成分分析和差

5、異表達基因/蛋白篩選的方法，得到227個和肝癌轉移潛能增強顯著相關的候選基因/蛋白。這些基因根據(jù)表達模式的相似性可被分成三個模塊。其中一個模塊在細胞周期進程、紡錘絲形成、染色體分離等生物學過程顯著富集，蛋白質主要分布于染色體著絲粒、動粒、微管骨架蛋白等和細胞周期、運動密切相關的區(qū)域，可能在肝癌轉移潛能細胞系轉移潛能遞增的過程中發(fā)揮著促進細胞增殖和遷移能力的作用；其余兩個模塊在生物膜結構的融合、與未折疊蛋白結合、調控相關受體信號通路等生物

6、學過程顯著富集，可能起著信號傳遞與調控相關信號通路的作用。變異基因和候選基因/蛋白在細菌入侵上皮細胞、甲狀腺癌、檸檬酸循環(huán)等代謝通路中顯著富集，其中細菌入侵上皮細胞通路涉及到蛋白與細胞表面受體蛋白相互作用后起始信號級聯(lián)反應，并導致細胞膜和細胞骨架的變化，可能與肝癌轉移潛能細胞系轉移潛能增強相關。
　　在細胞水平得到的多組學數(shù)據(jù)整合分析結果，在人體內是否具有相同的結論，需要在大規(guī)模人群樣本中進行驗證。通過對 TCGA、HPA大規(guī)模人

7、群樣本的數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)挖掘與檢索，我們發(fā)現(xiàn)在肝癌轉移潛能細胞系鑒定的224個變異基因中，有191個可在TCGA數(shù)據(jù)庫肝癌人群樣本中檢測到，占總鑒定的224個基因數(shù)的85%。在227個和肝癌轉移潛能細胞系轉移能力增強顯著相關的候選基因/蛋白中，有39個基因的表達量和肝癌不同病理學分期顯著相關。我們發(fā)現(xiàn)其中的ZWILCH、NUF2、CENPQ、ZWINT、DLGAP5和CD2AP基因，其轉錄水平隨著癌癥分期正相關，且與癌癥患者的生存預后負相

8、關；DLGAP5和CD2AP蛋白在肝癌組織中也高表達，顯示我們鑒定的候選基因DLGAP5和CD2AP可能與癌癥的發(fā)生發(fā)展進程密切關聯(lián)，證明我們建立的技術體系的有效性。
　　綜上，我們建立了由組學原始數(shù)據(jù)處理和質量控制和組學數(shù)據(jù)整合分析流程組成的完整的多組學數(shù)據(jù)整合分析技術體系?；谠摷夹g體系，我們印證了肝癌轉移潛能細胞系多組學數(shù)據(jù)變遷的方向性；篩選、鑒定了和轉移潛能相關的基因；探究這些基因在腫瘤轉移發(fā)生、發(fā)展進程中的生物學功能。對