| 前列腺癌(prostate cancer, PCa)是危害男性健康最常見的腫瘤之一,其發(fā)病率在美國居男性惡性腫瘤之首,占男性死亡原因的第二位,在中國前列腺癌的發(fā)病率遠(yuǎn)低于西方國家,然而,近20年來,我國前列腺癌的發(fā)病率也呈現(xiàn)逐年上升趨勢,并且發(fā)病年齡也日趨年輕化,可能與生活方式、壽命延長,、人口老齡化以及診斷技術(shù)的提高有關(guān),。前列腺癌多發(fā)生在外周帶,早期無特異性癥狀,病變發(fā)展到晚期,則多發(fā)生局部浸潤或遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移,盆腔淋巴結(jié)是PCa最早轉(zhuǎn)移部位,而骨骼是常見轉(zhuǎn)移部位。局限性的PCa患者5年生存率幾乎100%,而發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的PCa患者5年生存率下降到約為29%,前列腺癌患者一旦發(fā)生轉(zhuǎn)移不僅預(yù)后差,而且嚴(yán)重影響其生活質(zhì)量,。骨轉(zhuǎn)移是前列腺癌重要的臨床特征和主要致死原因,美國死于前列腺癌的患者中,80%以上合并骨轉(zhuǎn)移,。前列腺癌骨轉(zhuǎn)移可導(dǎo)致患者發(fā)生骨痛、病理性骨折,、脊髓壓迫,、活動(dòng)受限等骨相關(guān)事件(skeletal related events, SREs)。前列腺癌骨轉(zhuǎn)移診斷主要依賴X片,、CT以及MRI等影像學(xué)檢查,骨掃描是前列腺癌轉(zhuǎn)移診斷的最重要的診斷方法,骨掃描通過放射性追蹤劑顯示區(qū)分正常和異常骨活動(dòng),當(dāng)懷疑骨轉(zhuǎn)移,、前列腺癌患者出現(xiàn)臨床癥狀或者治療過程中PSA升高應(yīng)考慮行骨掃描進(jìn)一步檢查。雄激素與正常前列腺細(xì)胞與前列腺癌細(xì)胞的生長存在密切關(guān)系,目前,內(nèi)分泌治療目前仍是轉(zhuǎn)移性前列腺的最有效治療手段,其目的在于減少或消除雄激素對(duì)前列腺生長的促進(jìn)作用,從而緩解轉(zhuǎn)移性前列腺癌的癥狀,。內(nèi)分泌治療通常包括手術(shù)去勢與藥物去勢,。藥物去勢通過使用雌激素類藥物、抗雄激素類藥物或黃體素釋放激素類似物等藥物以阻斷雄激素與雄激素受體的結(jié)合或減少體內(nèi)雄激素的產(chǎn)生,。轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者的內(nèi)分泌治療屬于姑息治療,。其治療目的主要是在于減少或消除雄激素對(duì)前列腺生長的促進(jìn)作用,控制前列腺癌的進(jìn)展,減少相關(guān)癥狀,提高生活質(zhì)量,目前對(duì)于臨床醫(yī)師來講其治療仍舊是巨大的挑戰(zhàn)。前列腺癌轉(zhuǎn)移是一系列復(fù)雜而有序的過程,其臨床表現(xiàn)及轉(zhuǎn)歸也不盡相同,對(duì)轉(zhuǎn)移機(jī)制的研究尚待繼續(xù)深入,。與此同時(shí),遺傳學(xué)及分子生物學(xué)研究正努力尋找敏感,、有效的判斷腫瘤發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移的標(biāo)記物,用于臨床指導(dǎo)治療方案的選擇,為前列腺癌治療的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。前列腺癌轉(zhuǎn)移與其它惡性腫瘤一樣是多基因,、多因子相互作用和相互影響的復(fù)雜過程,也是腫瘤防治工作中面臨的難題。轉(zhuǎn)移包括腫瘤細(xì)胞的播撒入血液和淋巴系統(tǒng),、粘附管壁,、維持生長、分泌生長因子和細(xì)胞因子,、同轉(zhuǎn)移部位微環(huán)境之間的分子相互作用等多個(gè)步驟,。只有有效控制、阻斷腫瘤轉(zhuǎn)移才可能實(shí)現(xiàn)腫瘤的治愈,。腫瘤在演進(jìn)過程中,一些腫瘤細(xì)胞具有了侵襲和轉(zhuǎn)移能力,而這種轉(zhuǎn)移表型的獲得在很大程度上是由于腫瘤細(xì)胞內(nèi)基因發(fā)生異常改變引起的,。因此,從分子水平揭示腫瘤轉(zhuǎn)移的本質(zhì),研究腫瘤轉(zhuǎn)移相關(guān)基因成為腫瘤轉(zhuǎn)移研究的熱點(diǎn)。近年發(fā)展起來的基因芯片技術(shù)和生物信息學(xué)顯示了其在分析疾病方面的優(yōu)越性,?；蛐酒巧茖W(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的技術(shù)平臺(tái),是篩選差異表達(dá)相關(guān)基因的有效手段,具有高通量和快速測量等優(yōu)點(diǎn),。在基因表達(dá)譜分析、新基因發(fā)現(xiàn),、基因突變及多態(tài)性分析,、基因組文庫作圖、疾病診斷和預(yù)測,、藥物篩選,、基因測序等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但得到了基因芯片結(jié)果,并不等于獲得了信息和知識(shí),如何解讀芯片上成千上萬個(gè)基因點(diǎn)的雜交信息,將無機(jī)的信息數(shù)據(jù)與有機(jī)的生命活動(dòng)聯(lián)系起來,闡釋生命特征和規(guī)律以及基因的功能,是基因芯片后期數(shù)據(jù)挖掘的一個(gè)重要方向,。高通量微陣列雜交技術(shù)和測序技術(shù)的快速發(fā)展,產(chǎn)生了大量的基因數(shù)據(jù),生物信息迅速膨脹成為數(shù)據(jù)的海洋,。為適應(yīng)這種高通量基因表達(dá)數(shù)據(jù)的不斷增長和人們共享數(shù)據(jù)的需要,各種數(shù)據(jù)庫應(yīng)運(yùn)而生,其中,美國國立生物信息技術(shù)中心(National Center for Biotechnology Information, NCBI)的高通量基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(Gene Expression Omnibus, GEO)是世界上最大的儲(chǔ)存高通量分子豐度數(shù)據(jù)的公共數(shù)據(jù)庫,用戶可以提交、儲(chǔ)存和檢索多種形式的數(shù)據(jù)并免費(fèi)使用,。GEO數(shù)據(jù)庫操作簡單,數(shù)據(jù)全面,免費(fèi)共享的優(yōu)勢為后期數(shù)據(jù)挖掘和信息推廣提供了良好的平臺(tái),。生物信息學(xué)是二十世紀(jì)80年代末隨著基因組測序數(shù)據(jù)迅猛增加而逐漸形成的一門交叉學(xué)科。隨著生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展,特別是人類基因組計(jì)劃的順利推進(jìn),產(chǎn)生了海量的生物學(xué)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)具有豐富的內(nèi)涵,隱藏著豐富的生物學(xué)知識(shí),。充分利用這些數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析,、處理,揭示這些數(shù)據(jù)的內(nèi)涵,得到對(duì)人類有用的信息,將是生物學(xué)家和數(shù)學(xué)家所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),生物信息學(xué)正是為迎接這種挑戰(zhàn)而發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科。具體地說,生物信息學(xué)是現(xiàn)代生物學(xué)與醫(yī)學(xué)科學(xué)和信息科學(xué),、計(jì)算機(jī)科學(xué),、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科相互滲透并高度交叉形成的一門新興前沿學(xué)科,它以獲取,、加工,、儲(chǔ)存、管理,、檢索,、分配、分析和釋讀生物學(xué)實(shí)驗(yàn)信息為手段,綜合運(yùn)用數(shù)學(xué),、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)工具,以達(dá)到理解數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的生物學(xué)含義為目的,。目前,生物信息學(xué)已廣泛地滲透到生命科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域中,成為不可或缺的重要工具,在人類疾病與功能基因的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別,基因與蛋白質(zhì)的功能研究方面都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用,如藥物設(shè)計(jì),、基因多態(tài)性分析,、基因表達(dá)調(diào)控、疾病相關(guān)基因鑒定,、基因產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與功能預(yù)測,、基因進(jìn)化、基于遺傳的流行病學(xué),、癌癥的遺傳機(jī)制研究等,。隨著近年來生物實(shí)驗(yàn)方法和檢測數(shù)據(jù)的發(fā)展,積累了大量生物學(xué),尤其是分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分類、收集,、整理,產(chǎn)生了成千上萬的數(shù)據(jù)庫,。為了高效處理日益增長的海量生物數(shù)據(jù),使全世界的研究人員能共享已有的研究成果,數(shù)據(jù)庫技術(shù)在生物數(shù)據(jù)的處理和儲(chǔ)存上有越來越重要的應(yīng)用,。數(shù)據(jù)庫是生物信息學(xué)的主要內(nèi)容,各種數(shù)據(jù)庫幾乎覆蓋了生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。目前,生物信息學(xué)已廣泛地滲透到生命科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域中,成為不可或缺的重要工具,在人類疾病與功能基因的發(fā)現(xiàn),、識(shí)別,基因與蛋白質(zhì)的功能研究方面都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用,如藥物設(shè)計(jì),、基因多態(tài)性分析、基因表達(dá)調(diào)控,、疾病相關(guān)基因鑒定,、基因產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與功能預(yù)測,、基因進(jìn)化,、基于遺傳的流行病學(xué)、癌癥的遺傳機(jī)制研究等,。生物信息學(xué)最使人們感興趣的是它利用計(jì)算方法分析生物數(shù)據(jù),如根據(jù)核酸序列預(yù)測蛋白質(zhì)序列,、結(jié)構(gòu)、功能的算法等,。雖然這些預(yù)測還不是非常精準(zhǔn),但是當(dāng)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還無法得到的情況下,這一預(yù)測可以作為一盞路燈,指示你應(yīng)如何開展實(shí)驗(yàn),。利用基因芯片技術(shù)和生物信息學(xué)方法系統(tǒng)分析腫瘤相關(guān)基因及其調(diào)控機(jī)制,是當(dāng)前功能基因組學(xué)的重要研究手段。它明顯優(yōu)于過去的單一基因研究模式,可以在整體的,、基因組的水平對(duì)基因的表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析,。本研究從GEO數(shù)據(jù)庫中下載157個(gè)前列腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)集(GSM152931-GSM152991,GSM152856-GSM152880, GSM799468-GSM799489和CSM799490-GSM799518)為分析材料,采用BRB-ArrayTools4.3.0Beta軟件篩選前列腺癌原發(fā)腫瘤和轉(zhuǎn)移腫瘤芯片數(shù)據(jù)的差異表達(dá)基因,再結(jié)合生物信息學(xué)工具和數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)差異基因及其相互作用關(guān)系進(jìn)行分析,從中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)前列腺癌轉(zhuǎn)移高度相關(guān)基因SPP1、VCAN,最后再運(yùn)用生物信息學(xué)方法對(duì)SPPl,、VCAN基因進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能研究,為前列腺癌癌轉(zhuǎn)移的發(fā)病機(jī)制提供新的思路,也為轉(zhuǎn)移性前列腺癌的分子診斷和個(gè)體化治療奠定基礎(chǔ),。本研究的內(nèi)容和過程分為四部分第一部分：前列腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)基因的生物信息學(xué)分析在公共基因芯片數(shù)據(jù)庫(GEO)中下載前列腺癌轉(zhuǎn)移的相關(guān)基因芯片數(shù)據(jù),其中61例原發(fā)性局限性前列腺癌樣本,25例前列腺癌轉(zhuǎn)移樣本,利用BRB-ArrayTools4.3.0Beta3軟件、STRING,、ToppGene,、GOEAST、DAVID等工具對(duì)前列腺癌差異基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析,。通過BRB-ArrayTools4.3.0Beta3分析篩選出210個(gè)前列腺癌轉(zhuǎn)移差異基因,其中上調(diào)84個(gè),下調(diào)126個(gè),。對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)AR、FOS,、JUN,、ACTB、FN1,、MYL9,、MYH11、 MYLK,、SPP1等基因以及Rho GTPase調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架通路,、整合素信號(hào)通路、鈣粘蛋白信號(hào)通路,、Wnt信號(hào)通路等信號(hào)通路在前列腺癌轉(zhuǎn)移的發(fā)生發(fā)展中可能起著重要作用,。第二部分：前列腺癌骨轉(zhuǎn)移相關(guān)基因的生物信息學(xué)分析在公共基因芯片數(shù)據(jù)庫(GEO)中下載前列腺癌骨轉(zhuǎn)移的相關(guān)基因芯片數(shù)據(jù),利用BRB-ArrayTools4.3.0Beta3軟件,、STRING、ToppGene,、GOEAS,、DAVID等生物信息學(xué)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘及生物信息學(xué)分析。通過BRB-ArrayTools4.3.0Beta3分析篩選出501個(gè)前列腺癌骨轉(zhuǎn)移差異基因,其中上調(diào)181個(gè),下調(diào)320個(gè),。對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)SPP1,、HBB、AR,、MMP9,、AZGP1、POSTN,、 FN1,、VCAN等基因以及膠原蛋白及其生物合成、細(xì)胞粘附,、小分子代謝過程,、黏著斑、ECM受體相互作用,、細(xì)胞周期,、整合素信號(hào)通路等分子生物學(xué)過程及通路在前列腺癌骨轉(zhuǎn)移的發(fā)生發(fā)展中可能起著重要作用。第三部分：基于基因芯片的前列腺癌轉(zhuǎn)移基因SPPl的生物信息學(xué)分析在公共基因芯片數(shù)據(jù)庫(GEO)中下載前列腺癌轉(zhuǎn)移的相關(guān)基因芯片數(shù)據(jù),利用BRB-ArrayTools4.3.0Beta3軟件,、protparam,、MotifScan、SignalP4.0,、 TMHMM,、NetPhos2.0、PredictProtein,、GO,、KEGG、STRING等生物信息學(xué)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘及生物信息學(xué)分析,。一共篩選出前列腺癌轉(zhuǎn)移共同差異基因73個(gè),其中表達(dá)上調(diào)21個(gè),表達(dá)下調(diào)52個(gè),其中對(duì)前列腺癌轉(zhuǎn)移高表達(dá)基因SPP1進(jìn)行生物信息學(xué)發(fā)現(xiàn),SPP1蛋白由314個(gè)氨基酸組成,其相對(duì)分子質(zhì)量為35422.7,該蛋白含有2個(gè)N-連接糖基化位點(diǎn),、8個(gè)酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位點(diǎn)、2個(gè)豆蔻?；稽c(diǎn),、3個(gè)PKC磷酸化位點(diǎn),主要參與細(xì)胞因子活動(dòng)、細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)合,、骨化,、成骨細(xì)胞分化、炎癥反應(yīng),、細(xì)胞粘附等分子功能及生物學(xué)過程以及參與PI3K-Akt signaling pathway,、Focal adhesion,、ECM-receptor interaction、 Toll-like receptor signaling pathway等信號(hào)通路,。第四部分：基于基因芯片的前列腺癌轉(zhuǎn)移基因VCAN的生物信息學(xué)分析在公共基因芯片數(shù)據(jù)庫(GEO)中下載前列腺癌轉(zhuǎn)移的相關(guān)基因芯片數(shù)據(jù),利用BRB-ArrayTools4.3.0Beta3軟件,、protparam、SMART,、SignalP4.0,、 TMHMM、NetPhos2.0,、PredictProtein,、SWISS-MODEL、GO,、KEGG,、STRING等生物信息學(xué)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘及生物信息學(xué)分析,。一共篩選出前列腺癌轉(zhuǎn)移共同差異基因73個(gè),其中表達(dá)上調(diào)52個(gè),表達(dá)下調(diào)21個(gè),其中對(duì)前列腺癌轉(zhuǎn)移基因VCAN進(jìn)行生物信息學(xué)發(fā)現(xiàn),VCAN蛋白由3396個(gè)氨基酸組成,其相對(duì)分子質(zhì)量為372820.0,該蛋白含有1個(gè)IG (Immunoglobulin)結(jié)構(gòu)域,、2個(gè)Link (HA, Hyaluronan-binding)結(jié)構(gòu)域,1個(gè)EGF (Epidermal growth factor-like domain)結(jié)構(gòu)域、1個(gè)EGF_CA (Calcium-binding EGF-like domain)結(jié)構(gòu)域,、1個(gè)CLECT (C-type lectin)結(jié)構(gòu)域和1個(gè)CCP (Domain abundant in complement control proteins)結(jié)構(gòu)域,主要參與細(xì)胞粘附,、透明質(zhì)酸結(jié)合(hyaluronic acid binding)、鈣離子結(jié)合,、糖胺聚糖結(jié)合(glycosaminoglycan binding),、細(xì)胞外基質(zhì)、Cell adhesion molecules (CAMs)等分子功能及信號(hào)通路,。綜上所述,利用基因芯片及生物信息學(xué)方法探討了前列腺癌轉(zhuǎn)移發(fā)生的可能的分子機(jī)制及潛在分子標(biāo)記物的篩選,通過生物信息學(xué)對(duì)前列腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)基因的挖掘發(fā)現(xiàn),MMP9,、EGFR、MMP2,、ADM,、MIF、IGFBP3,、IL2,、MET、 BAD,、RHOA,、SPP1、EP300,、SMAD3,、RAF1、PTK2,、TGFB2等基因在前列腺癌轉(zhuǎn)移中可能起著重要作用,。同時(shí)也篩選出一些前列腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)的潛在的分子標(biāo)記物,其中包括SPP,、VCAN,并通過生物信息學(xué)對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行初步研究。通過基因芯片和生物信息學(xué)前列腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)基因的分析及分子標(biāo)記物的篩選,為研究前列腺癌轉(zhuǎn)移發(fā)生機(jī)制,、診斷,、治療提供了一些新思路。 |
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