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. 2020 Mar 25;22(3):262–268. [Article in Chinese] doi: 10.7499/j.issn.1008-8830.2020.03.015

MYCN扩增型神经母细胞瘤潜在预后生物标志物的综合性分析

A comprehensive analysis of potential prognostic biomarkers for MYCN-amplified neuroblastoma

范 煦 1, 鹿 洪亭 1,*, 侯 琳 2, 张 丽 2, 杨 槟伊 1, 陈 伟明 1, 张 桓瑜 1, 陈 鑫 1, 李 富江 1
PMCID: PMC7389593  PMID: 32204764

Abstract

目的

分析比较MYCN扩增型神经母细胞瘤(NB)和MYCN非扩增型NB表达mRNA的差别,筛选具有预测MYCN扩增型NB预后功能的基因并分析其对预后的预测价值。

方法

从TARGET数据库获得NB转录组数据和患儿临床资料,根据有无MYCN扩增分为MYCN扩增组(n=33)和MYCN非扩增组(n=121),对两组mRNA进行差异分析,得到差异表达基因(DEGs)。采用GO和KEGG数据库分析DEGs的主要功能。采用Cox比例风险回归模型分析影响MYCN扩增组NB预后的基因,根据风险评分的中位值分为高风险组(n=77)和低风险组(n=77),采用生存分析法比较两组生存率,ROC曲线分析风险评分对MYCN扩增型NB患儿预后的预测价值。

结果

共筛选出582个DEGs,这些DEGs参与了核糖体组成、细胞黏附蛋白的表达以及膜蛋白受体活动等重要生物功能。多因素Cox回归模型分析结果显示FLVCR2、SCN7A、PRSS12、NTRK1、XAGE1A基因对MYCN扩增组NB患儿预后具有显著性影响(均P < 0.05)。生存分析发现,高风险组的总生存率低于低风险组(P < 0.05)。ROC分析显示,风险评分对MYCN扩增组NB患儿预后有预测价值(P < 0.05),曲线下面积为0.729,最佳截断值为1.316,灵敏度为53.2%,特异度为84.4%。

结论

FLVCR2、SCN7A、PRSS12、NTRK1、XAGE1A基因的mRNA可作为预测MYCN扩增型NB预后的生物标志物,有助于细化临床危险分层。

Keywords: 神经母细胞瘤, mRNA, MYCN基因, 预后, 儿童


神经母细胞瘤(neuroblastoma, NB)是儿童最常见的颅外实体肿瘤[1],大量研究揭示了人类神经母细胞瘤的分子特征,包括基因组、表观基因组和转录组水平的异常[2]。约25%的NB患儿存在MYCN基因扩增,而MYCN基因的扩增和高危型风险分组、预后差有关[3]。自MYCN扩增被发现以来,越来越多的MYCN扩增型NB分子机制得到了阐释。MYCN编码的mRNA和其表达的蛋白质,参与多个基因的调控,如MYCN编码的转录因子N-myc调节下游p53、S期相关蛋白激酶2(S-phase associated kinase 2, SKP2)、双微体2(murine double minute 2, MDM2)等基因,还调节一些微小RNA(miRNA)和长链非编码RNA(lncRNA)的表达[4]。而许多基因的失调,也可导致MYCN的扩增。虽然MYCN扩增型NB的分子机制一直是研究热点,但机制非常复杂,至今仍不明确。

MYCN扩增是NB预后不良的标志[5],但MYCN扩增型NB患者的5年生存率也可达50%[6]。所以需要确定新的生物标志物,以便更好地进行风险分层,并进一步深入了解NB的生物学基础。本文将MYCN扩增型NB和MYCN非扩增型NB表达的mRNA相比较,初步探究这些差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)的功能,并进一步筛选影响MYCN扩增型NB预后的基因,评估这些基因对其预后的预测价值。

1. 资料与方法

1.1. 数据来源

NB患儿临床资料和基因数据均来自TARGET数据库(https://ocg.cancer.gov/programs/target)。共获取154例NB患儿的数据,其中女63例,男91例;诊断年龄3 d至16.5岁,中位诊断年龄为2.9岁。根据国际NB分期系统(International Neuroblastoma Staging System, INSS)分期,Ⅱb期1例,Ⅲ期6例,Ⅳ期126例,Ⅳ-s期21例;根据儿童肿瘤组(Children's Oncology Group, COG)危险分层,高危型127例,中危型13例,低危型14例。RNA转录组数据来自TARGET数据库中RNA测序数据,共包括18 911个mRNA。根据NB患儿有无MYCN扩增分为MYCN扩增组(n=33)和MYCN非扩增组(n=121)。

1.2. 差异表达分析

采用edgeR 3.9(http://www.bioconductor.org/pa-ckages/release/bioc/html/edgeR.html)识别MYCN扩增组与MYCN非扩增组间DEGs[7]。使用multtest 2.36.0(http://www.bioconductor.org/packages/release/bioc/html/multtest.html)将P值调整为假发现率(false discovery rate, FDR)[8];以FDR < 0.05和差异倍数(fold change, FC)的对数绝对值(|logFC|) > 1为差异有统计学意义。

1.3. 功能富集分析和信号转导通路分析

应用DAVID Bioinformatics Resources 6.8数据库(http://david.ncifcrf.gov)进行Gene Ontology(GO)功能分析和KEGG信号转导通路富集分析,并在Cytoscape中使用BiNGO插件预测潜在的功能[9]。FDR < 0.05为差异有统计学意义。

1.4. 统计学分析

应用SPSS 22.0和R 3.6.0软件进行数据处理。计数资料以例数表示,组间比较采用χ2检验。非正态分布计量资料以中位数和四分位数间距[MP25P75)]表示,组间比较采用Mann-Whitney U秩和检验。采用单因素和多因素Cox比例风险回归模型(简称Cox回归模型)分析影响MYCN扩增型NB患儿预后的基因。根据多因素Cox回归模型分析的结果,计算风险评分。风险评分=基因表达量×多因素Cox回归系数,是预测预后的指标。根据Akaike信息准则(Akaike information criterion, AIC),AIC值越小,模型越好。多因素Cox回归模型分析得到的基因,风险评分最低[10]。按风险评分的中位值将患儿分为高风险组和低风险组,采用R软件的survminer包绘制生存分析曲线。ROC曲线分析基于DEGs的风险评分对MYCN扩增型NB预后的预测价值。P≤0.05为差异有统计学意义。

2. 结果

2.1. MYCN扩增组和MYCN非扩增组一般情况比较

两组间患儿诊断年龄、性别、INSS分期差异无统计学意义(P > 0.05)。MYCN扩增组COG危险分层中高危型患儿比例高于MYCN非扩增组(P < 0.05)。见表 1

1.

MYCN扩增组和MYCN非扩增组一般资料比较

项目 MYCN扩增组(n=33) MYCN非扩增组(n=121) χ2/Z值 P
性别(男/女, 例) 19/14 72/49 0.400 0.842
诊断年龄[M(P25, P75), d] 752 (645, 1 099) 1 155 (679, 1 730) -1.823 0.068
INSS分期[n(%)]        
  Ⅱb期 0(0) 1(0.8) 4.667 0.198
  Ⅲ期 2(6.1) 4(3.3)
  Ⅳ期 30(90.9) 96(79.3)
  Ⅳ-S期 1(3.0) 20(16.5)
COG危险分层[n(%)]
  高危型 33(100) 94(77.7) 8.929 0.012
  中危型 0(0) 13(10.7)
  低危型 0(0) 14(11.6)

2.2. 差异分析

与MYCN非扩增组比较,MYCN扩增组共发现582个DEGs,其中206个DEGs表达上调,376个DEGs表达下调。部分DEGs见表 2

2.

MYCN扩增组与MYCN非扩增组中部分DEGs 

基因状态 基因 P |logFC|值 基因状态 基因 P |logFC|值
上调 ALB < 0.001 4.913 下调 MUC15 < 0.001 -6.398
  MYCN < 0.001 4.602   APOD < 0.001 -5.708
  NBAS < 0.001 3.484   PMP2 < 0.001 -5.429
  FLVCR2 < 0.001 3.363   HBG2 < 0.001 -4.265
  HSD3B2 < 0.001 3.074   S100B < 0.001 -3.932
  HOXD10 < 0.001 2.835   HBG1 < 0.001 -3.922
  CRABP1 < 0.001 2.827   ORM1 0.007 -3.826
  FAM49A < 0.001 2.714   KRT19 < 0.001 -3.753
  SLC38A5 < 0.001 2.504   ORM2 0.016 -3.546
  DDX1 < 0.001 2.499   PENK < 0.001 -3.542
  CPNE7 < 0.001 2.395   SERPINA3 < 0.001 -3.489
  CLIP4 < 0.001 2.345   PLP1 < 0.001 -3.379
  COMP < 0.001 2.342   SCN7A < 0.001 -3.353
  PRSS12 < 0.001 2.294   ST6GALNAC2 < 0.001 -3.302
  PHGDH < 0.001 2.262   SEMA3D < 0.001 -3.225
  ETV1 < 0.001 2.219   MAGEA4 < 0.001 -3.111
  SLC30A3 < 0.001 2.145   SOX10 < 0.001 -3.032
  PRRX2 < 0.001 2.062   MAL < 0.001 -2.987
  LPIN1 < 0.001 1.990   FGL1 0.002 -2.977
  COL11A1 < 0.001 1.947   SLC18A2 < 0.001 -2.958
  SIX3 < 0.001 1.919   HPCAL4 < 0.001 -2.919
  SFRP2 < 0.001 1.863   HP 0.003 -2.870
  CYP17A1 0.010 1.832   PLA2G2D < 0.001 -2.848
  EBF3 < 0.001 1.818   XAGE1A < 0.001 -2.827

2.3. GO分析和KEGG分析

GO功能富集分析结果表明,上调的DEGs主要富集在翻译起始(44个)、蛋白质转移(40个)、核糖体(40个)、细胞外基质构成(19个)等(图 1A);表达下调的DEGs,主要富集在质膜蛋白复合物(34个)、突触组织(32个)、神经递质水平(28个)、受体调节活性(25个)和抗原处理和呈递(18个)等(图 1B)。

1.

DEGs的GO分析

图A为上调DEGs的GO富集分析结果,图B为下调DEGs的GO富集分析结果。

1

KEGG信号转导通路分析,上调的DEGs主要涉及核糖体(41个)、蛋白质的消化和回收(8个)等(图 2A),而细胞黏附分子(27个)、类风湿关节炎(19个)等是表达下调基因参与的主要通路(图 2B)。

2.

DEGs的KEGG分析

图A为上调DEGs的KEGG分析结果,图B为下调DEGs的KEGG分析结果。

2

2.4. 影响MYCN扩增型NB预后的的单因素Cox回归模型分析

以|logFC| > 2为条件,进一步筛选得到89个差异表达的mRNA。经单因素Cox回归模型分析,发现15个基因的mRNA对MYCN扩增型NB预后产生显著性影响(P≤0.05),分别为FLVCR2、FAM49A、PKIB、SCN7A、C17orf107、RGS9、INSRR、PRSS12、NTRK1、CRABP1、MBP、RP11-566K11.2、ERBB3、XAGE1A和XAGE1B,见表 3

3.

影响MYCN扩增型NB预后的单因素Cox回归模型分析

基因 回归系数 标准误 Wald P OR OR值的95%可信区间
FLVCR2 0.216 0.077 7.849 0.005 1.241 1.067~1.443
FAM49A -0.315 0.149 4.455 0.035 0.730 0.544~0.978
PKIB -0.145 0.065 5.018 0.025 0.865 0.762~0.982
SCN7A -0.304 0.088 11.848 0.001 0.738 0.621~0.877
C17orf107 -0.278 0.100 7.653 0.006 0.758 0.622~0.922
RGS9 -0.221 0.081 7.424 0.006 0.802 0.684~0.940
INSRR -0.146 0.070 4.427 0.035 0.864 0.754~0.990
PRSS12 0.223 0.073 9.334 0.002 1.250 1.083~1.442
NTRK1 -0.111 0.050 5.007 0.025 0.895 0.812~0.986
CRABP1 0.105 0.047 4.962 0.026 1.111 1.013~1.218
MBP -0.215 0.104 4.299 0.038 0.806 0.658~0.988
RP11-566K11.2 0.180 0.084 4.643 0.031 1.197 1.016~1.411
ERBB3 -0.158 0.081 3.854 0.050 0.854 0.729~1.000
XAGE1A 0.131 0.057 5.300 0.021 1.140 1.020~1.275
XAGE1B 0.130 0.056 5.391 0.020 1.139 1.020~1.271

2.5. 影响MYCN扩增型NB预后的的多因素Cox回归模型分析

对单因素分析结果中差异具有统计学意义的15个基因进行多因素Cox回归模型分析,发现5个基因的mRNA可用于预测MYCN扩增型NB的预后,分别为FLVCR2、SCN7A、PRSS12、NTRK1、XAGE1A,见表 4

4.

影响MYCN扩增型NB预后的单因素Cox回归模型分析

基因 回归系数 标准误 Wald P OR OR值的95%可信区间
FLVCR2 0.246 0.087 7.955 0.005 1.278 1.078~1.516
SCN7A -0.354 0.111 10.150 0.001 0.702 0.565~0.873
PRSS12 0.301 0.083 13.164 < 0.001 1.351 1.148~1.590
NTRK1 0.145 0.074 3.880 0.049 1.156 1.001~1.335
XAGE1A 0.225 0.064 12.436 < 0.001 1.253 1.105~1.420

2.6. 高风险组和低风险组的生存分析

基于AIC,多因素Cox回归模型分析得到的FLVCR2、SCN7A、PRSS12、NTRK1和XAGE1A的风险评分最低,为预测预后的最佳生物标志物。根据风险评分的中位值将患儿分为高风险组和低风险组。两组间患儿诊断年龄、性别差异无统计学意义(P > 0.05);高风险组INSS分期中Ⅳ期患儿比例及COG危险分层中高危型患儿比例均高于低风险组(P < 0.05)。见表 5。生存分析发现,高风险组的总生存率明显低于低风险组(P < 0.05),见图 3

5.

高风险组和低风险组患儿一般资料的比较

项目 高风险组(n=77) 低风险组(n=77) χ2/Z P
性别(男/女, 例) 42/35 49/28 1.316 0.251
诊断年龄[M(P25, P75), d] 1 030 (696, 1 531) 1 123 (361, 1 713) -0.034 0.973
INSS分期[n(%)]        
  Ⅱb期 1(1) 0(0) 10.190 0.017
  Ⅲ期 3(4) 3(4)
  Ⅳ期 69(90) 57(74)
  Ⅳ-S期 4(5) 17(22)
COG危险分层[n(%)]
  高危型 69(90) 58(75)
  中危型 6(8) 7(9) 8.173 0.017
  低危型 2(3) 12(16)

3.

3

高风险组和低风险组生存曲线

2.7. 基于5个mRNA的风险评分对MYCN扩增型NB患儿预后的ROC曲线分析

基于5个mRNA的风险评分的ROC曲线下面积为0.729(95%可信区间:0.650~0.808,P < 0.001),当约登指数为0.376时,风险评分的最佳截断值为1.316,灵敏度为53.2%,特异度为84.4%, 阴性预测值为84.4%,阳性预测值为53.2%,见图 4

4.

4

基于5个mRNA风险评分预测MYCN扩增型NB预后的ROC曲线

3. 讨论

本研究发现MYCN扩增型NB和MYCN非扩增型NB在基因表达上有许多不同,因此存在很多差异明显的mRNA。这些mRNA与MYCN扩增关系密切。虽然MYCN扩增与预后不良相关,但研究发现MYCN无法作为靶向治疗的直接靶标,需要找寻其他有效靶标[11]。而本研究为未来进一步研究NB的分子靶标提供参考。经过DEGs功能分析,初步探讨了促进MYCN扩增型NB发生的分子机制。本研究发现,FLVCR2、SCN7A、PRSS12、NTRK1、XAGE1A基因对MYCN扩增组NB患儿预后具有显著性影响,基于上述5个mRNA的风险评分对MYCN扩增组NB患儿预后有预测价值,故这5个mRNA可以作为MYCN扩增型NB的预测预后的生物标志物。

在GO分析中,上调的DEGs生物功能主要富集在蛋白质的翻译以及转运至膜的过程,细胞构成主要富集在核糖体,分子功能主要富集在核糖体和细胞外基质的结构组成,KEGG结果也显示上调的DEGs主要参与了核糖体通路的表达。因此,可以预测,MYCN扩增型NB的核糖体功能表达更加活跃,蛋白质的的翻译和转移也更加高效。而已有研究表明,MYCN扩增的NB细胞真核转录延长[12]。下调的DEGs生物功能主要富集在突触组织,神经递质的转移,分子功能主要富集在膜受体的活动上,由此可知,MYCN扩增型NB神经细胞表达更加活跃,侵袭能力更加强大。而已有研究表明,MYCN扩增促进NB细胞代谢和侵袭[13]

研究表明,FLVCR2、SCN7A、PRSS12、NTRK1和XAGE1A参与多种生物过程和分子机制。FLVCR2主要促进主要易化子超家族(MFS)的跨膜转运蛋白,参与生长、钙交换和体内平衡的调节[14];SCN7A/Nax通道可作为体液的钠水平传感器,通过改变神经元兴奋性来控制钠摄入,增强的SCN7A / Nax表达通过增加背根神经节中神经元的兴奋性而导致骨癌疼痛[15];PRSS12编码的蛋白是由神经细胞分泌的,被认为对认知功能很重要,因为其功能丧失会导致严重的非综合征性精神发育迟滞[16]。高水平的NTRK1/TrkA受体在低阶段NB中表达,NTRK1/TrkA的表达影响NB细胞的免疫原性,其特征在于患者预后良好并且经常发生自发消退[17]。NTRK1还通过表观遗传学来调节NB的分化[18];有外显子水平分析将MYCN和NTRK1鉴定为替代外显子表达的主要决定因素,并且可以有力地预测原发性NB的预后[19]。XAGE1在头颈部鳞状细胞癌中的表达和预后有相关性,它和GAGE1是头颈部鳞状细胞癌预后的独立危险因素[19]

自引入RNA测序和表达微列阵以来,使用mRNA表达特征作为个体患者结局的预测因子已成为目前研究的热点。本研究讨论了MYCN扩增型NB和MYCN非扩增型NB表达基因的差别并且筛选出可以预测MYCN扩增型NB预后的5个mRNA,分析了这5个基因作为预后生物标志物的预测价值。目前NB的临床治疗仍然存在很大的挑战,特别是高危患儿,即使运用多种治疗模式,也很难进一步提高生存率[20]。近年来,分子靶向治疗一直是研究热点,原因在于其可以精准地在某个关键环节上发挥作用。本研究通过层层筛选出的基因,也为NB的分子靶向治疗提供了新的素材和思路。

TARGET是大型和全面的癌症基因组数据库,基于这5个mRNA的风险评分是一个稳妥的生存预测模型。但即使通过一系列统计学算法,确定了这5个mRNA可以作为预测预后的生物标志物,临床试验等实验研究仍然是必要的,以避免假阳性的可能。并且需要一系列的实验来揭示这些mRNA在NB中的作用及机制。

Biography

范煦, 女, 硕士研究生

Funding Statement

青岛市科技局民生科技计划项目(18-6-1-71-nsh)

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Articles from Chinese Journal of Contemporary Pediatrics are provided here courtesy of Xiangya Hospital, Central South University

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