frontiers 攻略(or frontiers攻略)

爾云間一個(gè)專門做科研的團(tuán)隊(duì)7分+ ‘Frontiers’生信發(fā)文攻略又來啦！ 腫瘤代謝相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型+簡單驗(yàn)證，思路新穎易復(fù)現(xiàn)，快上車！！！

原創(chuàng) eryun 云生信學(xué)生物信息學(xué)

原創(chuàng)不易請關(guān)注和轉(zhuǎn)發(fā)支持我們

很多小伙伴可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)“純生信”文章內(nèi)卷越來越嚴(yán)重了，小編也經(jīng)常會(huì)收到小伙伴們“純生信是不是不好發(fā)文章了？還能不能做純生信？”等問題，其實(shí)可以肯定地告訴大家，老套的純生信思路確實(shí)不好發(fā)了，但是有些小伙伴確實(shí)實(shí)驗(yàn)條件有限不方便做細(xì)胞或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，那針對(duì)這種情況該怎么辦呢？怎么做才能又省錢又能發(fā)高分生信文章呢？簡單點(diǎn)來說，新穎的數(shù)據(jù)分析+簡單驗(yàn)證就是您的最優(yōu)選擇

其一就是提高分析思路的創(chuàng)新性（比如腫瘤代謝相關(guān)、新型細(xì)胞死亡、單細(xì)胞、蛋白組等）；其二是增加一些簡單的隊(duì)列驗(yàn)證，收集臨床樣本做些qPCR、WB、免疫組化等，既能驗(yàn)證分析結(jié)果又?jǐn)U充了數(shù)據(jù)量還增加了真實(shí)世界研究提高了臨床意義，三效合一，何樂不為呢？如果能兩種都做到，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的話，高分文章豈不就分分鐘收入囊中啦！

思路設(shè)計(jì)

創(chuàng)新型思路怎么設(shè)計(jì)? 數(shù)據(jù)怎么分析才能發(fā)高分?

今天小編就帶來了1個(gè)7分+強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的思路（2022年3月發(fā)表于Frontiers in Immunology，IF=7.561），腫瘤代謝相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型構(gòu)建+簡單隊(duì)列驗(yàn)證，思路創(chuàng)新性高還極易復(fù)現(xiàn)，你還在等什么？學(xué)起來就完事了~ ~ ~

研究背景

前列腺癌（PCa）是男性最常見的惡性腫瘤。盡管近幾十年來PCa的臨床治療取得了很大進(jìn)展，但一旦出現(xiàn)對(duì)治療的耐受性，復(fù)發(fā)后疾病進(jìn)展迅速。PCa 表現(xiàn)出獨(dú)特的代謝重編程，并且此變化從最初的瘤形成一直持續(xù)到晚期PCa。作者的前期研究表明，雄激素受體（AR）信號(hào)通路的激活與PCa細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)蓄積之間存在相互促進(jìn)作用，從而推動(dòng)了去勢抵抗性前列腺癌（CRPC）的進(jìn)展，而脂質(zhì)的異常蓄積與二代抗雄激素耐藥密切相關(guān)。然而，大多數(shù)研究只關(guān)注某些基因變化對(duì) PCa 中腫瘤細(xì)胞或某些 TME 細(xì)胞代謝的影響。因此，系統(tǒng)全面地探索腫瘤代謝格局，將加速PCa代謝領(lǐng)域的發(fā)展，更有利于為PCa患者提供準(zhǔn)確的臨床預(yù)后信息和指導(dǎo)治療。

數(shù)據(jù)來源

TCGA數(shù)據(jù)庫：PCa RNA-q 數(shù)據(jù)集，作為訓(xùn)練集ICGC和 Taylor數(shù)據(jù)庫：PCa 數(shù)據(jù)集，作為驗(yàn)證集分子特征數(shù)據(jù)庫MSigDB：獲得代謝相關(guān)基因（MRG）真實(shí)世界研究隊(duì)列：59 個(gè)正常前列腺組織和196個(gè)PCa 組織，作為驗(yàn)證隊(duì)列（簡單實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）

主要結(jié)果

1. 前列腺癌代謝相關(guān)差異表達(dá)基因的鑒定與分析

作者首先從TCGA PCa數(shù)據(jù)集中篩選并獲得了1186個(gè)與代謝相關(guān)的差異表達(dá)基因 (mDEG)（圖1A）。GO和KEGG富集分析發(fā)現(xiàn)mDEG多富集于脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝、激素代謝和羧酸生物合成等生物過程，并且與藥物、花生四烯酸、酪氨酸和嘌呤代謝途徑顯著相關(guān)（圖1B，C）。針對(duì)mDEG共識(shí)聚類分析發(fā)現(xiàn)，患者可分為三個(gè)亞組（圖1D，E），三個(gè)亞組的DFS的KM分析存在顯著差異（圖 1F）。總的來說，這些結(jié)果表明腫瘤代謝重編程在 PCa 復(fù)發(fā)和進(jìn)展中起重要作用。

2. 篩查前列腺癌生存相關(guān)關(guān)鍵mDEG

作者通過STRING 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)識(shí)別hub基因，根據(jù)連接得分得到前100個(gè)hub 基因并進(jìn)行GO和KEGG富集分析（圖2A）。KEGG分析結(jié)果顯示，關(guān)鍵mDEGs富集于突觸通路、能量代謝通路、藥物代謝通路、膽固醇代謝通路等，前 10 個(gè)富集的 GO 術(shù)語包括類固醇和激素代謝過程、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔、GTPa 復(fù)合物和代謝物條帶（圖2B，C），表明關(guān)鍵 mDEG 在代謝和 PCa 進(jìn)展中的重要作用。然后使用單變量 Cox 回歸分析，根據(jù)前 100 個(gè)hub基因篩選獲得了25個(gè)與 DFS 相關(guān)的 mDEG，包括10個(gè)危險(xiǎn)因素和15個(gè)保護(hù)因素，大多數(shù)與生存相關(guān)的關(guān)鍵 mDEG 彼此相關(guān)（圖2D，E），這表明 PCa 中的代謝重排是整體變化而不是單個(gè)基因變化。

3. 構(gòu)建代謝相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)模型以預(yù)測前列腺癌患者的無病生存期

為了建立一個(gè)全面有效的預(yù)后代謝相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)模型（MRM），作者對(duì) DFS 相關(guān)的關(guān)鍵 mDEG 進(jìn)行了 LASSO Cox 回歸分析，交叉驗(yàn)證后獲5個(gè)基因APOE、AHSG、BGN、SLC2A4 和 CYP2D6（圖3A，B）。隨后進(jìn)行了多變量Cox回歸分析，進(jìn)一步證明了獨(dú)立的預(yù)后相關(guān)基因并獲得了基因指數(shù)，APOE、AHSG、BGN、CYP2D6為獨(dú)立危險(xiǎn)因素，SLC2A4為獨(dú)立保護(hù)因素。基于以下公式構(gòu)建用于預(yù)后的MRM：代謝相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分（MRS）= 0.19 * the expression of APOE + 0.17 * the expression of AHSG + 0.25 * the expression of BGN + 0.36 * the expression of CYP2D6 ? 0.27 * the expression of SLC2A4.（圖3C）。根據(jù)該模型計(jì)算 MRS，并根據(jù) MRS 中位數(shù)將 492 名 PCa 患者分為高 MRS 亞組（n = 246）和低 MRS 亞組（n = 246）（圖3D）。高 MRS 亞組的 DFS 率明顯低于低 MRS 亞組，表明 MRS 越高表明復(fù)發(fā)概率越高。ROC曲線表明 MRM 可作為預(yù)后臨床特征且具有良好的敏感性和特異性（圖E-G）。此外，ROC 曲線表明 MRM 的預(yù)測 DFS 準(zhǔn)確性優(yōu)于其他臨床參數(shù)（Gleason 評(píng)分、前列腺特異性抗原（PSA）水平以及 TNM 分期和年齡）。作者還探討了 MRS與臨床特征和關(guān)鍵 mDEG 表達(dá)水平之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn) APOE、BGN、AHSG 和 CYP2D6 的表達(dá)在高 MRS 亞組中增加，而 SLC2A4 的表達(dá)則相反，MRS 與 Gleason 評(píng)分、T 分期、N 分期和 M 分期呈正相關(guān)，但與 PSA 水平無關(guān)（圖3H，I）。單變量 Cox 回歸表明 Gleason 評(píng)分、PAS 水平、T 分期和 MRS 與 PCa 的 DFS 密切相關(guān)。圖 3J)，多變量 Cox 回歸發(fā)現(xiàn) MRS 的 p 值 (p < 0.001) 低于其他臨床特征，這表明 MRS 可能是 PCa 最重要的獨(dú)立預(yù)后指標(biāo)。

4. 在兩個(gè)獨(dú)立的PCa隊(duì)列和真實(shí)世界研究中驗(yàn)證MRM的預(yù)后價(jià)值

為了驗(yàn)證模型的預(yù)后價(jià)值，作者利用Taylor 和ICGC中的PCa 隊(duì)列計(jì)算MRS，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證隊(duì)列與 TCGA 數(shù)據(jù)庫的結(jié)果相似，MRS 較高的患者 DFS 時(shí)間或 BCR 時(shí)間較短，復(fù)發(fā)的可能性較大，預(yù)后較差（圖4A）。ROC曲線表明 MRM 可能是預(yù)測 PCa 患者 DFS 的潛在臨床特征，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，且MRM 的預(yù)測準(zhǔn)確性優(yōu)于其他臨床特征（圖4B，C）。在 Taylor 中，單變量和多變量 Cox 回歸分析均顯示 Gleason 評(píng)分、PAS 水平、T 分期和 MRS 與 DFS 密切相關(guān)，可以作為 PCa 的獨(dú)立預(yù)后指標(biāo)（圖 4D）。在 ICGC PCa 隊(duì)列中，單因素 Cox 回歸分析顯示 Gleason 評(píng)分、T 分期和 MRS 與 DFS 密切相關(guān)；多因素 Cox 回歸分析發(fā)現(xiàn)，只有 T 分期和 MRS 是 PCa 的獨(dú)立預(yù)后指標(biāo)，而 Gleason 評(píng)分不是 PCa 的獨(dú)立預(yù)后指標(biāo)（圖 4E）。這些數(shù)據(jù)表明 MRM 是兩個(gè)獨(dú)立 PCa 隊(duì)列中 DFS 或 BCR 的最佳獨(dú)立預(yù)測因子。

接下來作者利用收集的臨床組織調(diào)查了 MRM 在真實(shí)世界中的預(yù)測價(jià)值，通過qRT-PCR 以評(píng)估 DFS 相關(guān)關(guān)鍵 mDEG（APOE、AHSG、BGN、SLC2A4 和 CYP2D6）在PCa 組織和匹配的正常前列腺組織中的表達(dá)并基于基因的相對(duì)表達(dá)計(jì)算組織的MRS。利用IHC測定組織中DFS 相關(guān)關(guān)鍵 mDEG的蛋白表達(dá)，并根據(jù)其免疫反應(yīng)評(píng)分 (IRS) 獲得蛋白質(zhì)水平的MRS（pMRS）。結(jié)果顯示，與正常前列腺組織相比，AHSG、APOE、BGN 和 CYP2D6 在 PCa 組織中顯著上調(diào)，而 SLC2A4 顯示相反的結(jié)果。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，MRS和pMRS與Gleason評(píng)分和T分期密切相關(guān)，pMRS與N分期和分級(jí)呈正相關(guān)（圖4F，G）。

5. MRS的分子功能和機(jī)制

作者首先進(jìn)行基因集富集分析 (GSEA) 以預(yù)測 PCa TCGA 隊(duì)列中高 MRS 組和低 MRS 組之間的基因集變化。結(jié)果表明，高 MRS 樣本的基因組聚集在與增殖和細(xì)胞周期相關(guān)的途徑中，而低 MRS 樣本的基因組富集在 PCa 中下調(diào)和在轉(zhuǎn)移性腫瘤中下調(diào)的基因中（圖 5A），表明 MRM 亞組之間的腫瘤生長和轉(zhuǎn)移存在顯著差異。隨后作者進(jìn)行了基因表達(dá)分析，通過比較高和低 MRS 組鑒定了 1,258 個(gè)基因（圖 5B）。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，DEGs大多富集于多種代謝過程、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合物和酶活性（圖 5C）。KEGG分析還表明，這些DEGs與代謝途徑密切相關(guān)，如PPAR信號(hào)通路、cAMP信號(hào)通路、類固醇激素生物合成、膽固醇代謝和藥物代謝（圖 5D，E），并且各亞組具有不同的代謝特征。

6. 不同MRS亞組的免疫特征

作者探討了 MRS 和 TME 之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)MRS 與 TME 評(píng)分呈正相關(guān)，高 MRS 組的免疫細(xì)胞浸潤和基質(zhì)評(píng)分高于低 MRS 組，高 MRS 樣本的基因組富含免疫反應(yīng)相關(guān)通路（圖6A，B）。隨后又利用六種獨(dú)立算法（CIBERSORT、xCell、quantTIq、MCP-counter、EPIC 和 ImmuCellAI）計(jì)算了來自 TCGA 數(shù)據(jù)庫的 PCa 樣本中免疫細(xì)胞的比例以評(píng)估MRS 與 PCa 中免疫細(xì)胞浸潤之間的相關(guān)性，結(jié)果顯示在高 MRS 亞組中 B 細(xì)胞、CD4 + T 細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突細(xì)胞和 CAFs 的浸潤更豐富，而在低 MRS 亞組中，CD8 + T細(xì)胞和中性粒細(xì)胞更豐富（圖6C）。作者篩選并收集了經(jīng)典的免疫檢查點(diǎn)，并應(yīng)用這些基因來定義不同 MRS 組之間的免疫和分子功能，發(fā)現(xiàn) MRS 與 30 個(gè)免疫檢查點(diǎn)的表達(dá)密切相關(guān)，包括 PDCD1、PDL1 和 CTLA4。值得注意的是，高 MRS 樣本中 CTLA4 和 PDCD1 的表達(dá)顯著升高（圖 6D，E)，這表明免疫療法可能是對(duì)這些患者相對(duì)有效的治療方法。同時(shí)， MRM 的 AUC 值在預(yù)測對(duì)免疫治療反應(yīng)的臨床特征中最高（圖 6E），表明MRM 可能是預(yù)測 PCa 患者免疫治療反應(yīng)的潛在指標(biāo)。最后，作者利用臨床組織石蠟切片進(jìn)行了多重免疫熒光 (mIF) 以檢測關(guān)鍵 MRG 和經(jīng)典免疫檢查點(diǎn)的表達(dá)并分析它們的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)高 MRS 亞組中 CTLA4 和 PDCD1 的表達(dá)均高于低 MRS 亞組（圖6F）。綜上，這些結(jié)果表明高 MRS 亞組比低 MRS 亞組更有可能從免疫治療中受益。

7. 不同MRS亞組的前列腺癌患者對(duì)藥物的敏感性

鑒于 GO 和 KEGG 分析表明 MRS 參與藥物代謝、激素合成和代謝相關(guān)途徑，而抗雄激素治療和化療是晚期 PCa 的主要治療方法，作者假設(shè)不同 MRS 亞組的患者對(duì)藥物有不同的敏感性。首先分析了藥物代謝相關(guān)的途徑，發(fā)現(xiàn)與內(nèi)分泌治療耐藥、DNA 修復(fù)基因、甲基化沉默和阿霉素耐藥相關(guān)的通路與高 MRS 相關(guān)，而與藥物反應(yīng)相關(guān)的基因與低 MRS 呈正相關(guān)（圖7A）。隨后作者比較了高 MRS 組和低 MRS 組對(duì)常見抗癌藥物的敏感性，以指導(dǎo)不同 PCa 患者的治療選擇。在標(biāo)準(zhǔn)藥物選擇方面，低 MRS 亞組患者對(duì)抗雄激素（阿比特龍）更敏感，而高 MRS 組患者對(duì)化療（多西他賽和吉西他濱-順鉑（GC）化療）更敏感（圖 7B）。在推薦藥物選擇方面，低 MRS 亞組患者對(duì) EGFR 抑制劑（如阿法替尼）、BI-2536（PLK1 和 BRD4）、HDAC 抑制劑（他西地那林）和 TGF-β 受體抑制劑（SB- 505124），而高 MRS 亞組的患者對(duì) CDK 抑制劑（例如 AZD 5438）、PARP 抑制劑（例如 niraparib）和鐵死亡激動(dòng)劑（RSL3，erastin）更敏感（圖 7C、D）。

文章小結(jié)

本研究確定了關(guān)鍵的 mDEG，呈現(xiàn)了代謝景觀，并構(gòu)建了一個(gè)在預(yù)測 PCa 患者的 DFS 以及預(yù)測對(duì)治療的反應(yīng)方面表現(xiàn)出高診斷準(zhǔn)確性的 MEM。文章的亮點(diǎn)在于不同于以往研究只關(guān)注某些基因變化對(duì) PCa 中腫瘤細(xì)胞或某些 TME 細(xì)胞代謝的影響，而是系統(tǒng)全面地探索了腫瘤代謝格局。整體分析思路較為新穎，搭上了“腫瘤代謝”的國自然熱點(diǎn)，并且利用公共數(shù)據(jù)和真實(shí)世界研究數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，妥妥的高分生信+驗(yàn)證模板文章呀，小伙伴們趕快操練起來吧

參考文獻(xiàn)

Zhou L, Fan R, Luo Y, et al. A Metabolism-Related Gene Landscape Predicts Prostate Cancer Recurrence and Treatment Respon. Front Immunol. 2022;13:837991.