通过转录组分析鉴定肺腺癌中与有丝分裂灾难相关的预后基因

摘要

本研究在肺腺癌中鉴定了八个与有丝分裂灾难相关的预后基因（PDGFB、LDHA、ZEB2、H2AX、FKBP4、DMD、ANXA2、S100B），构建了具有可接受预测效能的风险模型，并揭示了不同风险组之间显著差异的免疫微环境特征。

摘要

肺腺癌（LUAD）是最常见的肺癌亚型，预后较差。尽管在LUAD中可诱导有丝分裂灾难从而导致细胞死亡，但有丝分裂灾难相关基因（MCRGs）在该疾病中的预后意义和生物学作用仍不明确。从TCGA-LUAD队列中筛选出与LUAD相关的差异表达基因（DEGs），并通过将DEGs与MCRGs取交集确定重叠基因。通过机器学习筛选候选预后基因，随后构建多基因预后模型。最终建立了一个包含PDGFB、LDHA、ZEB2、H2AX、FKBP4、DMD、ANXA2和S100B共八个候选基因的预后特征，该模型在训练集中表现出可接受的预测可靠性，2年、3年和5年的曲线下面积（AUC）分别为0.723、0.715和0.625（自助法校正后的C指数：0.699，95% CI：0.657–0.742），并在GSE31210数据集中得到一致验证（AUCs：0.812、0.766和0.814）。低风险组患者表现出显著更优的生存结果，免疫浸润增强，免疫和基质评分更高，免疫表型评分增加，且癌症免疫循环更为活跃。高风险组与低风险组在肿瘤突变负荷和药物敏感性方面存在显著差异。定量聚合酶链式反应（qPCR）在临床样本中验证了六个候选预后相关基因的转录组表达谱。结合风险评分与临床分期构建的列线图显示出良好的预测性能。这些结果表明，这八个与MCRG相关的候选基因在预测LUAD患者预后和进行风险分层方面具有重要潜力，且不同风险组之间具有显著不同的免疫微环境特征。

引言

肺癌仍然是全球范围内最常见且致死率最高的癌症之一^1,2。非小细胞肺癌（NSCLC）主要由肺腺癌（LUAD）构成，约占所有肺癌病例的40%^3,4。尽管在手术技术、分子靶向治疗、免疫检查点抑制剂以及联合治疗方案方面已取得显著进展，但肺腺癌患者的临床预后仍然不理想^5,6。虽然基于病理学和影像学的诊断方法在肺腺癌中广泛应用，但其在反映肿瘤异质性和分子特征方面存在固有局限性。相比之下，基于分子生物标志物的肿瘤组织分析能够提供更全面的肿瘤生物学信息，有助于预后评估和个体化治疗策略的制定⁷。因此，识别可靠的分子生物标志物对于提高肺腺癌的预后预测能力及加深对其生物学特性的理解仍具有重要意义。

有丝分裂是细胞复制的一种基本机制，可确保复制后的染色体在两个子细胞之间精确分配⁸。有丝分裂过程的失调可能导致细胞不受控制地增殖、基因组不稳定以及肿瘤进展。有丝分裂灾难（mitotic catastrophe, MC）是指当有丝分裂无法完成时所触发的一种细胞死亡途....

方案

本研究遵循赫尔辛基宣言进行，并于2025年4月22日获得安徽省胸科医院伦理委员会（K2025-007）批准。所有参与研究的受试者均签署了知情同意书。

数据提取与标准化

肺腺癌的转录组谱和相应的临床数据集来源于 TCGA 和 GEO 队列。TCGA-LUAD 数据集被指定为训练集，GSE72094、GSE31210 和 GSE26939 作为外部验证队列。表1此外，从之前的一项研究中收集了900个MCRG¹²(补充表1）。转录组数据使用 GENCODE v36 或相应的 GPL 平台注释文件进行注释。将探针 ID 转换为基因符号，利用 avereps 函数合并重复基因，并仅保留蛋白编码基因以生成基因水平的表达矩阵。对于 TCGA-LUAD 训练集，保留每百万映射片段中每千碱基外显子模型片段数（FPKM） < 在超过50%的样本中被过滤掉，剩余的表达值进行log2转换（log2[FPKM+1]）。对于GEO验证队列，下载原始表达数据，利用各平台对应的注释文件将探针ID映射至基因符号，并对同一基因对应的多个探针通过取其表达值的平均值进行合并。必要时，这些数据集也进行了log2转换。TCGA与GEO之间未进行跨平台批次效应校正，因为我们采用按队列独立标准化的策略以确保相对可比性。具体而....

结果

候选基因的鉴定与功能分析

共检测到 4,915 个差异表达基因（DEGs），其中包括 2,485 个下调 DEGs 和 2,430 个上调 DEGs（图 1A）。功能模块聚类分析将这些 DEGs 分为六个表达模块（C1–C6），其中 C1、C2、C3 和 C5 模块在肿瘤样本中呈现相对较高的表达水平（图 1B）。功能注释表明，这些模块与肌动肌球蛋白收缩环的组织、胶原代谢过程、核苷酸生物合成过程、白三烯相关代谢以及脂肪酸氧化等生物学过程相关。将 DEGs 与 MCRGs 取交集，共鉴定出 295 个重叠基因（图 1C）。KEGG 通路分析显示，候选基因在多个通路中显著富集，包括细胞周期、细胞衰老、p53 信号通路、AGE-RAGE 信号通路以及人 T 细胞白血病病毒 1 感染通路（图 1D）。GO 分析进一步强调，.......

讨论

肺腺癌（LUAD）是肺癌的主要类型之一，持续对公共卫生构成重大负担²¹。细胞凋亡（MC）是一种与细胞死亡相关的过程，可能有助于清除具有严重有丝分裂异常的细胞，并抑制肿瘤进展²²。因此，探索MCRG在LUAD中的潜在作用，可能有助于识别预后生物标志物，并加深对LUAD生物学特性的理解。本研究分析了MCRG在LUAD中的预后相关性及其潜在功能意义，鉴定了八个候选预后生物标志物：PDGFB、LDHA、ZEB2、H2AX、FKBP4、DMD、ANXA2和S100B。生物信息学分析表明，不同风险组之间的肿瘤免疫微环境存在差异。低风险组具有更高的免疫和基质评分，以及更活跃的免疫相关过程；而高风险组则表现出更高的肿瘤纯度。

通过差异表达分析和交集分析，共鉴定出295个与肺腺癌（LUAD）相关的MCRG。随后采用多种机器学习方法筛选出8个候选预后基因，包括PDGFB、LDHA、ZEB2、H2AX、FKBP4、DMD、ANXA2和S100B。这些基因参与细胞有丝分裂过程。例如，在有丝分裂期间，CDK1磷酸.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
ClusterGVis	颅骨	版本 0.1.2	基因表达聚类与可视化
Cytoscape	Cytoscape 联盟	版本 3.9.1	蛋白质相互作用网络可视化 RRID:SCR_003032
CFX384 实时定量荧光 PCR 系统	Bio-Rad	CFX384 Touch	qPCR 试剂
DMD-引物	Tsingke	N/A	正向：5’-GCTCAACCATCGATTTGCAGCC-3’ 反向：5’-TTCAGCCTCCAGTGGTTCAAGC-3’
FKBP4-引物	Tsingke	N/A	正向：5’-TGACTCCAGTCTGGATCGCAAG-3’ 反向：5’-CTGGTTTGCAGGTGATGTGGCA-3’
GEO	NCBI	在线工具	获取肺腺癌外部验证数据集 RRID:SCR_005012
GAPDH引物	Tsingke	N/A	正向：5’-GTCTCCTCTGACTTCAACAGCG-3’ 反向：5’-ACCACCCTGTTGCTGTAGCCAA-3’
glmnet	CRAN	版本 4.1-8	LASSO 回归中的特征选择 RRID:SCR_015505
LDHA-引物	Tsingke	N/A	正向：5’-GGATCTCCAACATGGCAGCCTT-3’ 反向：5’-AGACGGCTTTCTCCCTCTTGCT-3’
limma	Bioconductor	版本 3.60.6	差异表达基因筛选 RRID:SCR_010943
maftools	Bioconductor	版本 2.20.0	体细胞突变数据可视化 RRID:SCR_024519
pRRophetic	CRAN	0.5	药物IC50预测50 RRID：SCR_024417 的数值
PDGFB-引物	Tsingke	N/A	正向：5’-GAGATGCTGAGTGACCACTCGA-3’ 反向：5’-GTCATGTTCAGGTCCAACTCGG-3’
qPCR SYBR Green预混液	Vazyme	Q111-02	qPCR 试剂
R 软件	R 基金会	4.2.2 版本	生物信息学分析
回归图	CRAN	版本 1.1	创建折线图
存活率	CRAN	版本 3.8-3	生存分析与Cox回归 RRID:SCR_021137
STRING	STRING 联盟	在线工具	蛋白质相互作用网络分析 RRID:SCR_005223
S100B-引物	Tsingke	N/A	正向：5’-GAAGAAATCCGAACTGAAGGAGC-3’ 反向：5’-TCCTGGAAGTCACATTCGCCGT-3’
survminer	CRAN	版本 0.5.0	生存曲线绘制与优化 RRID:SCR_021094
TRIzol	天根	DP424	qPCR 试剂
TCGA	美国国家癌症研究所	在线工具	LUAD转录组与临床数据获取 RRID:SCR_003193
ZEB2-引物	Tsingke	N/A	正向：5’-AATGCACAGAGTGTGGCAAGGC-3’ 反向：5’-CTGCTGATGTGCGAACTGTAGG-3’