甲状腺癌中miR-222关键靶基因预测及其信号通路分析

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　　摘要：目的  利用生物信息学技术预测人类miR-222的靶基因，并分析其可能参与甲状腺癌的生物学过程和信号通路。方法  通过TCGA数据库研究miR-222的表达与甲状腺癌的关系，然后TCGA中表达下调的基因和网站预测的miR-222靶基因进行取交集得到重叠基因，再进行生物信息学分析确定与甲状腺癌相关的关键miR-222靶基因和通路，最后通过GEPIA对靶基因进行表达验证以及miR-222和靶基因的相关性分析。结果  miR-222在甲状腺癌中表达上调，富集分析表明miR-222很有可能参与血管紧张素受体-配体结合的调节，其中一个可能的靶基因是AGTR1，其在甲状腺癌中表达下调，与miR-222的表达呈负相关。结论  上调的miR-222可能以AGTR1为靶标，从而调节甲状腺癌中血管紧张素受体-配体结合发挥作用。
　　关键词：甲状腺癌;miR-222;AGTR1;生物信息学
　　中图分类号：R736.1                                 文献标识码：A                                 DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.01.026
　　文章编号：1006-1959（2020）01-0085-04
　　Prediction of Key Target Genes of miR-222 in Thyroid Cancer and Analysis of Its Signal Pathway
　　HUANG Qi-feng1，ZHENG Lin-lin2，ZHANG Jing1
　　（Department of Pharmacy1，Department of Ultrasound2，Run Run Shaw Hospital，Zhejiang University School of Medicine，
　　Hangzhou 310016，Zhejiang，China）
　　Abstract：Objective  To predict the target genes of human miR-222 using bioinformatics technology， and analyze the biological processes and signal pathways that miR-222 may participate in. Methods  TCGA database was used to study the relationship between miR-222 expression and thyroid cancer， then the genes with down-regulated expression in TCGA and miR-222 target genes predicted by the website were intersected to obtain overlapping genes， and bioinformatics analysis was performed to determine the correlation with thyroid cancer the key miR-222 target genes and pathways， and finally the target genes were verified by GEPIA and the correlation analysis between miR-222 and target genes. Results  miR-222 expression was significantly up-regulated in thyroid cancer. Enrichment analysis showed that miR-222 is likely to be involved in the regulation of angiotensin receptor-ligand binding. One of the possible target genes is AGTR1， which is expressed in thyroid cancer.Down-regulation was significantly negatively correlated with miR-222 expression.Conclusion  The up-regulated miR-222 is likely to target AGTR1， which may play a role in regulating angiotensin receptor-ligand binding in thyroid cancer.
　　Key words：Thyroid cancer;miR-222;AGTR1;Bioinformatics
　　甲状腺癌（thyroid cancer）是最常见的内分泌性恶性肿瘤，发病率逐年升高，严重威胁着人类的生命健康[1]。甲状腺癌的发生发展受多种调控因子共同作用，其具体机制目前尚不明确，因此确定其具体的发病机制，发现敏感的生物标志物和创新治疗方法来提高甲状腺癌的临床诊断和治疗水平是紧迫且具有挑战性的课题。微小RNA（miRNA）是一类含量丰富的非编码RNA分子，大小为15～21个核苷酸，它通过与目标基因的3'非翻译区域互补结合从而使目标基因沉默。miRNA已经被证实对广泛的生物过程具有调节作用，如细胞增殖、凋亡、分化和细胞周期调节[2，3]。miRNA使癌症在临床诊断和治疗中取得了较大进展[4，5]。研究表明[6]，miR-222在甲状腺癌中表达明显高于正常组织，提示其可能在甲状腺癌的发生发展中具有重要的作用，因此探索其在甲状腺癌发病中的分子机制具有重要的意义。本研究利用生物信息學的方法来预测miR-222在甲状腺癌中的目标基因及其参与的信号通路，旨在阐明甲状腺癌的潜在生物标志物，为进一步深入研究其生物功能及临床治疗甲状腺癌提供线索。 　　1资料与方法
　　1.1资料来源  从TCGA 数据库（https：//cancergenome.nih.gov/）下载510例甲状腺癌和58例癌旁组织的mRNA-seq数据和miRNA-seq数据，并取Log2将其表达值标准化。从miRWalk（http：//mirwalk.umm.uni-heidelberg.de/）数据库[7]下载人类miR-222可能的靶基因数据。
　　1.2方法
　　1.2.1 miR-222表达  选取miR-222在甲状腺癌及其癌旁组织的表达数据，利用GraphPad Prism7绘制其在癌组织和正常组织的表达图。
　　1.2.2 miRNA的差异表达  利用计算机R软件中edgeR包筛选出510例癌症组织与58例癌旁组织相比表达下调的基因，筛选条件为：Log2|差异倍数（FC）|<-0.5489，FDR<0.05。为了更好更准确的识别miR-222的目标基因，对miRWalk网站预测的基因与表达下调的基因取交集，然后根据这些重叠基因进行生物信息学分析来探索miR-222在甲状腺癌中潜在分子机制。
　　1.2.3基因富集分析  利用DAVID[8]（http：//david.abcc.ncifcrf.gov/）对重叠基因进行功能注释，包括分子功能、细胞组成与生物过程的GO功能富集分析及KEGG通路富集分析。
　　1.2.4重叠基因蛋白互作网络  通过在线分析网站STRING[9]（https：//string-db.org/）得到差异表达基因的蛋白互作网络，将所得源文件导入Cytoscape[10]进行可视化分析，然后使用MCODE插件查找蛋白互作网络中连接最密集的区域。
　　1.2.5 GEPIA数据库分析目标基因表达  通过GEPIA数据库[11]（http：//gepia.cancer-pku.cn/）验证目标基因在癌症组织与癌旁组织的基因表达差异，并利用GraphPad Prism7绘制目标基因的表达量与miR-222的相关性。
　　1.3统计学分析  标准化后的mRNA和miRNA表达呈正态分布，采用非配对t检验其在癌组织和癌旁组织中的表达差异，采用Pearson相关性分析目标基因与miR-222的表达相关性。P<0.05表示差异有统计学意义，在筛选差异表达基因和对重叠基因富集分析时用Benjamini-Hochberg方法校正P值（FDR）。
　　2结果
　　2.1甲状腺癌组织和癌旁组织中miR-222表达比较  从TCGA下载得到的miR-222在甲状腺癌中和癌旁组织的表达，miR-222在甲状腺癌中表达高于癌旁组织，差异有统计学意义（P<0.05），见图1。
　　2.2 miR-222的目标基因  通过TCGA中基因的差异表达分析和miRWalk靶基因预测平台可以筛选出miR-136-5p可能的靶基因。其中TCGA中甲状腺癌共有801个差异表达基因，miRNA-222在甲状腺癌组织中表达高于癌旁组织，选择342个下调基因，miRWalk网站预测的目标基因有16912个，两者重叠得到279个miR-222可能的目标基因。
　　2.3重叠基因的生物信息学分析
　　2.3.1 GO和KEGG 富集分析  GO分析表明重叠目标基因的生物学过程主要富集在离子跨膜转运、消化、化学性突触传递、质膜的组成成分、细胞连接、突触、细胞外间隙、质膜等生物学过程和功能中，KEGG富集分析显示重叠目标基因的信号通路主要为神经活性配体-受体相互作用，见表1。
　　2.3.2 PPI网络的构建和目标基因分析  根据重叠基因构建得到一个包含279个节点、527条边的PPI网络，利用MCODE插件在蛋白互作网络中查找连接最密集的区域得到12个可能的目标基因，分别为SST、AGTR2、CHRM2、PENK、NPY2R、NPY5R、AGTR1、HTR1E、CCKBR、CCKAR、MLN、GCG，見图2。
　　2.4目标基因的验证
　　2.4.1目标基因在甲状腺癌中的表达  共查找到12个目标基因在甲状腺癌中的表达，由于miR-222在甲状腺癌中表达量比癌旁组织高，其目标基因应在甲状腺癌中表达下调，最终筛选出AGTR1，见图3。
　　2.4.2目标基因AGTR1与miR-222的Pearson相关分析  Pearson相关分析表明，目标基因AGTR1的表达与miR-222的表达在甲状腺癌患者中呈负相关（r=-0.435，P=1.1293E-27），见图4。
　　3讨论
　　据不完全统计，约30%以上的人类蛋白编码基因受miRNA的调控[12]。越来越多的文献报道，miRNA可以通过调控下游靶基因的表达来参与细胞分化、增殖、凋亡等细胞活动，并在肿瘤的发生发展、侵袭与转移[2，3]以及治疗等方面发挥重要作用。但目前已明确的miRNA的靶基因数量有限，且生物学功能尚未完全明确[13]。因此，通过生物信息学预测miRNA 的靶基因，对其靶基因进行生物功能富集分析和信号通路富集分析，有助于确定miRNA的研究方向，具有重要指导意义。
　　研究报道，miR-222在甲状腺恶性肿瘤诊断上具有较高的敏感性[14]，且miR-222的过度表达与甲状腺癌复发、淋巴结转移等一些高风险特征相关，miR-222可以作为甲状腺癌潜在的靶点[15-17]。
　　本研究中，通过对TCGA数据库中miRNA测序发现miR-222在甲状腺癌中的表达高于癌旁组织。GO富集分析显示，miR-222的目标基因的生物学过程主要富集在离子跨膜转运、消化、化学性突触传递、质膜的组成成分、细胞连接、突触、细胞外间隙、质膜等生物学过程和功能中。KEGG 信号通路分析结果显示，miR-222靶基因主要富集在神经活性配体-受体相互作用等信号通路上。基于以上发现，miR-222很有可能参与受体-配体结合的调节。同时，通过目标基因在甲状腺癌组织与癌旁组织中的表达差异筛选得到目标基因AGTR1，发现在甲状腺癌中与miR-222的表达呈负相关（r=-0.435，P=1.1293E-27）。AGTR1是血管紧张素Ⅱ的Ⅰ型受体，是调节心血管系统的受体。研究表明，AGTR1与肿瘤的进展和转移有关，AGTR1参与多种类型的恶性肿瘤，比如乳腺癌[18]、皮肤癌[19]、前列腺癌[20]、妇科肿瘤[21]等。因此，miR-222可能是以AGTR1为靶点，通过调节肾素-血管紧张素系统，从而参与甲状腺癌的发生发展。但这只是预测，未来需要更多的研究去证实。 　　综上所述，本研究基于TCGA数据库进行分析，发现miR-222在甲状腺癌中表达上升，预测其靶基因可能是AGTR1，并可能通过血管紧张素配体-受体结合信号通路中调节甲状腺癌的发生发展。
　　参考文献：
　　[1]Konturek A，Barczyński M，Stopa M，et al.Trends in Prevalence of Thyroid Cancer Over Three Decades： A Retrospective Cohort Study of 17，526 Surgical Patients[J].World J Surg，2016，40（3）：538-544.
　　[2]Shukla KK，Misra S，Pareek P，et al.Recent scenario of microRNA as diagnostic and prognostic biomarkers of prostate cancer[J].Urol Oncol，2017，35（3）：92-101.
　　[3]Dluzen DF，Sun D，Salzberg AC，et al.Regulation of UDP-glucuronosyltransferase 1A1 expression and activity by microRNA 491-3p[J].J Pharmacol Exp Ther，2014，348（3）：465-477.
　　[4]Ganju A，Khan S，Hafeez BB，et al.miRNA nanotherapeutics for cancer[J].Drug Discov Today，2017，22（2）：424-432.
　　[5] Xue J，Yang J，Luo M，et al.MicroRNA-targeted therapeutics for lung cancer treatment[J].Expert Opin Drug Discov，2017，12（2）：141-157.
　　[6]陈英.miR-221与miR-222在甲状腺癌中的表达及临床意义[D].河北医科大学，2017.
　　[7]Sticht C，De La Torre C，Parveen A，et al.miRWalk： An online resource for prediction of microRNA binding sites[J].PLoS One，2018，13（10）：13（10）：e0206239.
　　[8]Huang da W，Sherman BT，Lempicki RA.Systematic and integrative analysis of large gene lists using DAVID bioinformatics resources[J].Nat Protoc，2009，4（1）：44-57.
　　[9]Szklarczyk D，Gable AL，Lyon D，et al.STRING v11： protein-protein association networks with increased coverage， supporting functional discovery in genome-wide experimental datasets[J].Nucleic Acids Res，2019，47（D1）：D607-D613.
　　[10]Shannon P，Markiel A，Ozier O，et al.Cytoscape： a software environment for integrated models of biomolecular interaction networks[J].Genome Res，2003，13（11）：2498-2504.
　　[11]Tang Z，Li C，Kang B，et al.GEPIA： a web server for cancer and normal gene expression profiling and interactive analyses[J].Nucleic Acids Res，2017，45（W1）：W98-W102.
　　[12]劉曙光，韩京军，马红梅，等.人类miR-22靶基因生物信息学预测及功能分析[J].广西医学，2015，37（7）：891-894.
　　[13]Bartel DP.MicroRNAs： genomics， biogenesis， mechanism， and function[J].Cell，2004，116（2）：281-297.
　　[14]He H，Jazdzewski K，Li W，et al.The role of microRNA genes in papillary thyroid carcinoma[J].Proc Natl Acad Sci USA，2005，102（52）：19075-19080.
　　[15]Keutgen XM，Filicori F，Crowley MJ，et al.A panel of four miRNAs accurately differentiates malignant from benign indeterminate thyroid lesions on fine needle aspiration[J].Clin Cancer Res，2012，18（7）：2032-2038.
　　[16]Lee JC，Zhao JT，Clifton-Bligh RJ，et al.MicroRNA-222 and microRNA-146b are tissue and circulating biomarkers of recurrent papillary thyroid cancer[J].Cancer，2013，119（24）：4358-4365. 　　[17]Xiang D，Tian B，Yang T，et al.miR-222 expression is correlated with the ATA risk stratifications in papillary thyroid carcinomas[J].Medicine （Baltimore），2019，98（25）：e16050.
　　[18]Ekambaram P，Lee JL，Hubel NE，et al.The CARMA3-Bcl10-MALT1 Signalosome Drives NFkappaB Activation and Promotes Aggressiveness in AngiotensinⅡReceptor-Positive Breast Cancer[J].Cancer Res，2018，78（5）：1225-1240.
　　[19]Papaggelopoulos J，Angelopoulou A，Avgoustidis D，et al.Association of Polymorphisms in the Genes of Angiotensinogen and Angiotensin Receptors With Risk for Basal Cell Carcinoma[J].Anticancer Res，2019，39（10）：5525-5530.
　　[20]Uemura H，Ishiguro H，Nakaigawa N，et al.Angiotensin Ⅱ receptor blocker shows antiproliferative activity in prostate cancer cells： a possibility of tyrosine kinase inhibitor of growth factor[J].Mol Cancer Ther，2003，2（11）：1139-1147.
　　[21]Zhang Q，Yu S，Lam MMT，et al.Angiotensin Ⅱ promotes ovarian cancer spheroid formation and metastasis by upregulation of lipid desaturation and suppression of endoplasmic reticulum stress[J].J Exp Clin Cancer Res，2019，38（1）：116.
　　收稿日期：2019-10-01;修回日期：2019-10-21
　　編辑/成森
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