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基于生物信息学分析乳腺癌中UFC1表达及临床意义

2024-07-10 17 上传者：管理员

摘要：目的通过生物信息学方法分析泛素折叠修饰因子(UFM)结合酶(UFC)1在乳腺癌中表达及临床意义。方法应用人类蛋白质表达图谱分析UFC1蛋白在乳腺癌组织中表达，利用TIMER2.0、UALCAN分析UFC1基因在乳腺癌中表达，应用Kaplan-Meier Plotter、UALCAN分析UFC1与乳腺癌预后的关系，使用String-DB数据库分析与UFC1相关蛋白共表达网络。结果 UFC1在乳腺浸润癌中蛋白和mRNA表达均明显高于正常组织(P<0.05)。UFC1在正常组织中启动子甲基化水平明显高于癌组织(P<0.05)。生存分析显示，UFC1蛋白和mRNA低表达组总生存期(OS)明显优于高表达组(P<0.05)。与UFC1相互作用的蛋白质包括泛素样修饰激活酶(UBA)5、UFM1、胚胎致死性异常视觉样蛋白(ELAVL)1、DDRGK1、UFM连接酶(UFL)1、泛素蛋白连接酶(UBE2)M、UFM1特异性肽酶(UFSP)2、泛素结合酶(UB)E2F、UFSP1、周期素依赖性激酶5关联蛋白(CDK5RAP)3,参与蛋白质酰化和去酰化、细胞内雌激素受体信号通路的调控、内质网应激反应、泛素样蛋白结合酶活性等相关生物学过程。结论基于现有的肿瘤数据库进行生物信息学分析发现，UFC1在乳腺癌组织中表达升高，并能预测乳腺癌预后，UFC1可能作为潜在致癌基因为乳腺癌提供新的生物标志物。

关键词：
乳腺癌
恶性肿瘤
泛素折叠修饰因子(UFM)结合酶(UFC)1
生物信息学
预后
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目前，乳腺癌已成为威胁女性健康的主要恶性肿瘤之一，世界卫生组织国际癌症研究机构发布的2020年全球最新癌症数据显示，全球乳腺癌新发病例数占新增癌症病例数的11.7%,死亡病例数占所有癌症死亡病例数的6.9%[1]。近年来，基于不同分子分型的精准个体化治疗极大提高了乳腺癌患者的生存，但晚期难治性乳腺癌仍是临床面临的棘手问题。因此，从分子层面加深对乳腺癌的认识，定位疾病发生、发展过程中的关键基因和探寻新的治疗靶点，可以更精准地改善乳腺癌患者的预后。

泛素化与类泛素化修饰是最常见的蛋白质翻译后修饰之一，作为多种生物学功能的重要调节因子，其在细胞周期进程、细胞凋亡、细胞增殖和DNA 损伤反应及肿瘤发生过程中发挥重要作用。泛素折叠修饰因子(UFM)1是类泛素化蛋白(UBLs) 家族成员，UFM1可通过激活(E1)、结合(E2)和连接(E3)酶与靶蛋白共价结合。首先，UFM1 C端被切割后暴露保守的Glu残基，随后被UFM激活酶(UBA)5通过形成高能硫酯键激活，激活的UFM1被UFM结合酶(UFC)1转移到E2的活性位点；UFM连接酶(UFL)1作为E3将UFM1从E2转移并连接到底物，完成对受泛素调节的关键蛋白进行修饰[2,3]。UFC1作为其中关键成员在激活类泛素修饰系统中扮演着重要角色。研究显示，UFC1与多种肿瘤发生和进展有关[4,5,6]。然而， UFC1在乳腺癌中的分子功能和作用机制尚未完全阐明。本研究旨在通过生物信息学方法，明确UFC1在乳腺癌中表达特点及与预后的关系。

1、资料与方法

人类蛋白质表达图谱(HPA)数据库提供了24 000种人类蛋白质组织和细胞分布信息[7]。本研究利用HPA数据库分析乳腺正常组织和乳腺浸润癌(BRCA)组织中UFC1蛋白表达情况；使用Timer2.0在线工具[8]分析生物信息数据库(TCGA)数据库中不同肿瘤组织中UFC1 mRNA表达的状态；利用UALCAN在线工具[9]分析TCGA 数据库中正常乳腺组织和癌标本中UFC1转录组数据和甲基化情况；利用Kaplan-Meier Plotte[10]平台获取TCGA数据库中乳腺癌患者生存资料，分析UFC1表达与乳腺癌患者总生存期(OS)之间的关系，并绘制Kaplan-Meier曲线；String-DB数据库是分析生物学基因或蛋白相互作用的检索工具[11],本研究利用String-DB数据库绘制与UFC1基因相关蛋白的共表达网络。

2、结果

2.1 HPA数据库中UFC1蛋白在乳腺浸润癌中表达

通过对HPA数据库(抗体HPA0247481)检索发现，UFC1蛋白在总共12例乳腺浸润癌组织中均呈现染色面积大于75%强表达，在2例正常乳腺组织中表达明显低于乳腺癌组织(P<0.05)。免疫组化染色显示UFC1蛋白定位于细胞质和细胞膜。见图1。

2.2 Timer2.0、UALCAN数据库分析UFC1mRNA在乳腺癌组织中的表达

在Timer2.0在线网站中搜索UFC1 mRNA结果显示，UFC1 mRNA在不同肿瘤和相对应的正常组织中表达情况并不一致。乳腺癌中UFC1 mRNA表达显著高于正常组织(P<0.05)。见图2。使用UALCAN在线工具分析TCGA中1 097例乳腺浸润癌和114例正常乳腺组织的数据，结果显示UFC1 mRNA在正常乳腺组织中位表达为160.87(145.26,175.14),在乳腺浸润性癌组织中中位表达为244.01(195.97,313.29),UFC1 mRNA在乳腺癌组织中表达明显高于正常乳腺组织(P<0.01)。进一步分析乳腺癌不同亚型时，未见UFC1在不同亚型中存在明显差异表达(P>0.05)。在UALCAN数据库中依次选择BRCA、UFC1,再搜索Methylation。发现乳腺浸润癌样本中UFC1启动子甲基化水平(0.22)显著低于正常乳腺组织(0.42,P<0.05)。

图1 UFC1蛋白在乳腺浸润性癌及乳腺正常组织中的表达(免疫组化染色，×200)

图2 TCGA数据库中UFC1在不同肿瘤组织及相应正常组织中表达

2.3 UFC1表达与BRCA预后关系

使用Kaplan-Meier Plotter在线工具，选择mRNA RNA-seq, 输入UFC1,选择OS,结果显示在2 976例乳腺癌患者中，UFC1低表达组OS明显优于高表达组(P<0.05)。见图3。同样，在UFC1蛋白表达数据库中(Tang_2018),UFC1蛋白低表达组OS显著优于高表达组(P<0.05)。见图4。在UALCAN数据库中选择BRCA、UFC1,选择生存(survival)。同样发现UFC1 mRNA表达与不同分子亚型、绝经状态患者的预后有关(P=0.020 0、0.009 2)。见图5、图6。

图3 UFC1 mRNA表达水平与乳腺癌总生存曲线

图4 UFC1蛋白表达水平与乳腺癌总生存曲线

图5 UFC1表达水平及分子亚型与乳腺癌预后的关系

图6 UFC1表达水平及月经状态与乳腺癌预后的关系

2.4 UFC1相互作用蛋白网络

通过String网站分析发现，与UFC1相互作用蛋白质包括泛素样修饰激活酶(UBA)5、UFM1、胚胎致死性异常视觉样蛋白(ELAVL)1、DDRGK1、UFM连接酶(UFL)1、泛素蛋白连接酶(UBE2)M、UFM1特异性肽酶(UFSP)2、泛素结合酶(UB)E2F、UFSP1、周期素依赖性激酶5关联蛋白(CDK5RAP)3。蛋白质互作(PPI)富集P=1.33E-14,节点数为11个，共35条相互作用关系。UFC1共同参与蛋白质酰化和去酰化，细胞内雌激素受体信号通路的调控，内质网应激反应、泛素样蛋白结合酶活性等相关生物学过程。见图7。

图7 与UFC1基因表达相关的蛋白网络

3、讨论

UFM1是类泛素蛋白之一，其3级结构与泛素类似。UFM1与靶蛋白的结合需要一系列酶促反应参与，涉及E1、UBA5;E2、UFC1;E3、UFL1。研究显示，异常的UFM1级联反应与包括乳腺癌、缺血性心脏病、糖尿病、动脉粥样硬化、髋关节发育不良和精神分裂症在内的多种疾病相关[12,13]。有研究分析TCGA癌症数据库发现，肺鳞状细胞癌、肺腺癌、乳腺浸润癌、卵巢浆液性囊腺癌、子宫体子宫内膜样癌、食管癌、肝细胞癌、膀胱尿路上皮癌和肉瘤等多种恶性肿瘤，至少存在一种编码UF酰化因子的基因(UBA5、UFC1和UFL1)扩增[14]。UFC1 首次在肝细胞癌中被发现表达上调并作为肿瘤启动子发挥作用[15]。UFC1在乳腺癌组织中生物学作用和临床意义报道较少。有学者发现，在乳腺癌患者中，癌组织中UFC1表达明显高于对应癌旁正常组织，UFC1在乳腺癌细胞系中mRNA表达与组织中蛋白表达相一致[16,17]。本研究结果与上述研究报道一致。目前仅有一篇报道[18]显示，UFC1在乳腺癌细胞系MDA-MB-453 中表达显著强于MCF7、MDA-MB231,本研究尚未发现不同分子亚型乳腺癌中UFC1表达存在差异，但乳腺癌组织中UFC1启动子去甲基化水平低于正常乳腺组织，UFC1启动子去甲基化可能诱导了基因活化和过表达，这可能是导致UFC1在乳腺癌中呈现高表达的原因。

UFC1在多种恶性肿瘤中呈现高表达已被证实，但其具体的作用底物和调控肿瘤细胞转移和侵袭的信号通路尚不明确。Xi等[19]在宫颈癌研究中发现，UFC1可通过竞争性结合 miR-34a上调叉头框蛋白(FOX)P3表达，促进宫颈癌细胞的生长和转移，干预E2F转录因子(E2F)1-长链非编码RNA(Linc)-UFC1/miR-34a/FOXP3 轴可能是治疗宫颈癌的潜在靶点。在胃癌研究中，Zhang等[20]发现，UFC1过表达可促进胃癌细胞的增殖、迁移和侵袭，作用机制可能是通过调节 miR-498/Lin28b 实现的。在结肠癌研究中，其他研究显示[21],UFC1在结肠癌组织中过表达，并且与肿瘤分级，N期和M期呈正相关。UFC1可能通过调节细胞周期、内在凋亡、β-catenin和p38信号传导等途径在细胞增殖和抗凋亡中发挥关键作用。在肝癌细胞系中，UFC1过表达可通过糖原合成酶激酶(GSK)-3β/β-catenin轴促进癌细胞体外转移和侵袭[5]。在乳腺癌研究中，UFC1可以通过miR-34a/CXC趋化因子配体(CXCL)10轴调控乳腺癌的生物学活性，沉默UFC1可抑制乳腺癌细胞的多种生物学活性[16]。其他研究表明，Asc型氨基转运蛋白(ASC)1作为一种肿瘤抑制因子和UFM1的靶蛋白，可以激活p53,诱导凋亡，ASC1的多酰化可以促进了乳腺癌的发展，多酰化的过程则需要包括UFC1在内的级联酶参与[11]。UFC1促进肿瘤发生途径可能通过靶向不同的底物实现。本文通过String网站富集分析发现，UFC1基因在细胞信号转导通路中处于重要位置，与UFC1相互作用的蛋白主要参与蛋白质酰化和去酰化，细胞内雌激素受体信号通路的调控，内质网应激反应、泛素样蛋白结合酶活性等一系列生物学过程。有研究表明，UFC1可激活和协同多个信号通路，在癌细胞增殖、转移过程中发挥重要的调节作用。

UFC1在肿瘤预后预测方面也有相关报道。在胰腺癌中，血清UFC1表达水平与淋巴结转移，远处转移和临床分期有关。UFC1高表达组患者表现出更短的无进展生存期和OS;多因素分析结果显示，患者临床分期和UFC1表达水平是重要的独立预后因素[6]。Xie等[16]对76例乳腺癌患者30个月的生存随访研究表明，UFC1高表达患者预后较低表达组明显更差(P=0.034)。

综上，UFC1在乳腺癌组织中呈现高表达，且与乳腺癌患者不良预后相关，UFC1启动子去甲基化水平低于正常乳腺组织。UFC1在肿瘤预后预测中的作用机制尚不明确，需进一步临床研究证实。

参考文献:

[5]王剑,曹传辉,曾钦,等.长链非编码RNA-UFC1通过GSK-3β/β-catenin信号轴促进肝癌细胞的侵袭和转移[J].南方医科大学学报,2019;30(6):679-84.

[17]贺爱兰,张波,刘如石.UFC1基因在乳腺癌和正常乳腺组织中的表达[J].湖南师范大学自然科学学报,2011;128(3):69-72.

[18]贺爱兰,吴小玲,张波.UFC1基因在乳腺癌细胞中的表达及意义[J].长沙大学学报,2011;100(2):75-7.

基金资助:河北省2021年度医学科学研究重点课题计划项目(20211400);

文章来源:张彦收,韩磊,刘学良,等.基于生物信息学分析乳腺癌中UFC1表达及临床意义[J].中国老年学杂志,2024,44(13):3093-3097.