Research Article

Identificazione di geni hub, polimorfismi a singolo nucleotide e potenziali bersagli farmacologici nel cancro al seno tramite analisi trascrittomica

DOI:

10.3791/70964

June 9th, 2026

In This Article

Summary

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Questo studio ha indagato geni correlati allo stress ossidativo mitocondriale associati alla resistenza terapeutica nel cancro mammario HER2-positivo. Utilizzando dataset trascrivistivi, bioinformatica integrata e dati clinici (n = 4.929), gli autori hanno identificato MTHFD2 e PRDX3 come geni chiave espressi differenzialmente con potenziale valore prognostico. In silico. Le analisi suggeriscono effetti funzionali delle varianti genetiche.

Abstract

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Il cancro al seno HER2-positivo (HER2+) sviluppa spesso resistenza a terapie come Lapatinib, che possono coinvolgere il metabolismo mitocondriale e la riprogrammazione redox. Questo studio mirava a identificare geni legati allo stress ossidativo mitocondriale (MOS-DEG) come biomarcatori di resistenza e a caratterizzare i loro nsSNP funzionali e gli impatti strutturali. I dataset RNA-seq (GSE231524, GSE231525) sono stati analizzati utilizzando DESeq2 per identificare i DEG, che sono stati intersecati con geni di stress ossidativo mitocondriale per ottenere MOS-DEG. Sono stati eseguiti arricchimenti funzionali, analisi PPI, analisi ROC, profilazione delle espressioni e analisi della sopravvivenza. Gli nsSNP sono stati valutati utilizzando molteplici strumenti predittivi, e gli impatti strutturali sono stati valutati tramite modellazione secondaria e 3D. Analisi trascrivomica e clinica integrate ha identificato MTHFD2 e PRDX3 come MOS-DEG centrali che mostrano ruoli regolatori opposti nel metabolismo redox mitocondriale. MTHFD2 è stata significativamente aumentata e associata a una prognosi scorretta (HR = 1,53, p = 1,1 × 10⁻16), mentre PRDX3 ha mostrato modelli di espressione protettivi (HR = 0,73, p = 7,7×10⁻10). L'analisi ROC suggeriva il loro potenziale come predittori della risposta terapeutica. L'analisi nsSNP ha rivelato cinque varianti deleterie in MTHFD2 e quattro varianti deleterie in PRDX3, con rs1471336772 (MTHFD2) e rs747786383 (PRDX3.) identificate come le più patogene. Queste varianti erano previste come dannose basandosi su molteplici sistemi di punteggio computazionale, tra cui SIFT ≤ 0,05, PolyPhen-2 ≥ 0,85, punteggi CADD deleteri e punteggi REVEL alti, e si trovavano all'interno di domini catalitici o redox-attivi. La modellizzazione strutturale suggerisce che queste sostituzioni possono destabilizzare la conformazione, disturbare i siti di legame di metalli e cofattori e influenzare la rigenerazione di NADPH o l'attività della perossidasi dipendente dalla tioredossina. Le previsioni della dinamica molecolare indicavano una possibile perdita di stabilità strutturale e alterazione della flessibilità, suggerendo un possibile deterioramento funzionale del controllo redox mitocondriale. Questo studio identifica MTHFD2 e PRDX3 come regolatori dello stress ossidativo mitocondriale nel cancro al seno HER2+ . Gli nsSNP deleteri in questi geni possono contribuire a alterare l'equilibrio redox, influenzando potenzialmente l'adattamento metabolico (MTHFD2) e la difesa antiossidante (PRDX3).

Introduction

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Il cancro al seno è il cancro più comunemente diagnosticato nelle donne a livello mondiale e una delle principali cause di morte correlata al cancro, nonostante i notevoli progressi nella diagnosi precoce e nelle terapie mirate 1,2,3. L'eterogeneità molecolare all'interno dei tumori mammari è alla base di diversi esiti clinici e risposte terapeutiche, ponendo sfide persistenti per l'oncologiadi precisione 4,5. Tra i sottotipi molecolari riconosciuti, il carcinoma al seno positivo per il recettore del fattore di crescita epidermico 2 (HER2) umano rappresenta circa il 15–20% di tutti i tumori al seno ed è caratterizzato dall'amplificazione del gene HER2 e dalla sovraespressione del recettore HER2 tirosina chinasi 6,7. Sebbene le terapie mirate a HER2, come trastuzumab e lapatinib, abbiano migliorato notevolmente la prognosi del paziente, emerge frequentemente resistenza primaria e acquisita a questi agenti, portando a ricadute tumorali e progressionedella malattia 8,9. Comprendere i meccanismi molecolari che guidano la resistenza alla terapia HER2 rimane quindi una delle principali esigenze insoddisfatte in oncologia clinica.

Le evidenze emergenti suggeriscono che la disfunzione mitocondriale e lo stress ossidativo svolgono ruoli fondamentali nella mediazione della resistenza ai farmaci nel cancro al seno. I mitocondri, oltre al loro ruolo canonico nella produzione di ATP, sono regolatori chiave dell'apoptosi, della segnalazione redox e della plasticità metabolica—tutti processi che le cellule tumorali sfruttano per sopravvivere alla pressione terapeutica. In particolare, le cellule tumorali resistenti HER2+ mostrano uno spostamento metabolico verso la fosforilazione ossidativa (OXPHOS), il tamponamento aumentato delle specie reattive dell'ossigeno (ROS) e una biogenesi mitocondriale alterata. Queste adattazioni permettono alle cellule di mantenere la segnalazione di sopravvivenza ed eludere l'apoptosi nonostante l'inibizione sostenuta delle vie di segnalazione HER2. I geni che codificano le subunità del complesso mitocondriale e gli enzimi redox regolatori sono quindi potenziali biomarcatori e bersagli terapeutici per superare la resistenza.

Parallelamente, polimorfismi a singolo nucleotide (nsSNP) non sinonimi nei geni mitocondriali o legati allo stress ossidativo possono modificare la struttura e la funzione delle proteine, influenzando l'attività enzimatica, la risposta farmacologica e la suscettibilità allemalattie 10. Previsione computazionale degli effetti deleteri degli nsSNP usando in silico.strumenti come SIFT, PolyPhen-2 e CADD forniscono un modo rapido per identificare varianti funzionali che possono contribuire all'eterogeneità del cancro e alla resistenza terapeutica. L'integrazione dei dati trascrittomici e mutazionali offre quindi una visione multidimensionale della disregolazione genica e dell'alterazione strutturale sia a livello trascrizionale che genomico.

I recenti progressi in bioinformatica e biologia dei sistemi hanno permesso l'identificazione ad alta capacità di geni driver potenziali tramite profilazione di espressione su larga scala e analisi basate su rete. Repository pubblici come il Gene Expression Omnibus (GEO) forniscono preziosi dataset di sequenziamento dell'RNA che catturano i cambiamenti molecolari tra modelli sperimentali e coorti di pazienti. Abbinate a strumenti analitici come DESeq2, clusterProfiler e l'analisi della rete STRING–Cytoscape, queste risorse permettono la caratterizzazione completa dei geni differenzialmente espressi (DEG), l'arricchimento delle vie e la scoperta dei geni hub. È importante sottolineare l'integrazione delle firme geniche dello stress ossidativo mitocondriale con i DEG che può illuminare nuovi meccanismi molecolari alla base della resistenza alla terapia mirata a HER2 e identificare biomarcatori candidati per l'intervento terapeutico.

L'asse di resistenza guidato da HER3 ha recentemente attirato attenzione come principale via compensatoria dopo l'inibizione di HER2. L'attivazione di HER3 ripristina la segnalazione a valle di PI3K/AKT, promuovendo la sopravvivenza cellulare e la tolleranza ai farmaci (Figura 1). La DUSP6 (Fosfatasi a Doppia Specificità 6), un regolatore negativo della segnalazione ERK, è stata implicata nella modulazione di questa risposta adattativa. L'inibizione di DUSP6 riattiva la segnalazione ERK e può contrastare la resistenza mediata da HER3, ma la sua interazione con lo stress ossidativo mitocondriale e l'adattamento metabolico rimane insufficientemente compresa. Pertanto, analisi trascristatiche comparative delle linee cellulari HER2+ (BT474 e MDA-MB-453) sotto inibizione da DUSP6 ed esposizione cronica al Lapatinib offrono un modello ideale per analizzare i determinanti molecolari della resistenza ai farmaci.

Figura 1
Figura 1. Rappresentazione schematica del paesaggio molecolare che collega la disfunzione mitocondriale, lo stress ossidativo e la progressione del tumore al seno. Questi meccanismi molecolari integrati alla base dello stress ossidativo mitocondriale hanno mediato l'oncogenesi nel cancro al seno. Complessi di catena di trasporto elettronico mitocondriali disregolati, in particolare che coinvolgono DUFS3, UQCRC1, COX4I1, SDHA e ATP5PO, portano a una generazione eccessiva di specie reattive dell'ossigeno (ROS), causando danni ossidati al DNA, perossidazione lipidica e potenziale della membrana mitocondriale compromesso. Queste perturbazioni ossidative attivano vie di segnalazione oncogeniche come PI3K/AKT, MACK e NF-κB, sopprimendo al contempo i regolatori apoptotici tra cui p53 e BAX, favorendo così la sopravvivenza, la proliferazione e l'evasione immunitaria delle cellule tumorali. Il diagramma evidenzia anche il doppio impatto dello stress ossidativo mitocondriale sul metabolismo del cancro e sul microambiente tumorale, sottolineandone il contributo alla resistenza alla terapia e alla modulazione immunitaria nelle condizioni di cancro al seno HER2+. Questo modello integrativo costituisce la base meccanicistica per le successive analisi trascricomiche e basate su SNP, volte a identificare geni driver mitocondriali e potenziali bersagli terapeutici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il presente studio è stato progettato per identificare sistematicamente geni hub, nsSNP funzionali e potenziali target farmacologici associati allo stress ossidativo mitocondriale nel cancro al seno HER2+ . Integrando dati trascrittomici provenienti da GSE231524 e GSE231525 con set genici mitocondriali e correlati allo stress ossidativo, lo studio attuale ha mirato a definire geni differenzialmente espressi (MOS-DEG) legati allo stress ossidativo mitocondriale che contribuiscono alla resistenza alla terapia. Le analisi a valle includevano l'arricchimento dell'ontologia genica (GO) e della via KEGG, la costruzione di reti di interazione proteina-proteina (PPI), la priorità dei geni hub e l'analisi di correlazione di sopravvivenza utilizzando il database di immunoterapia Kaplan–Meier. Inoltre, sono stati ulteriormente indagati geni chiave per variazione dei nsSNP e potenziale impatto strutturale per delineare le conseguenze funzionali guidate dalla mutazione.

Combinando profilazione trascrictoriale, biologia delle reti e analisi mutazionale in silico , questo studio fornisce un quadro integrato per scoprire potenziali biomarcatori mitocondriali e bersagli terapeutici nel cancro al seno HER2+ . L'identificazione dei geni hub collegati alla fosforilazione ossidativa e dei loro SNP funzionali potrebbe aprire la strada allo sviluppo di strategie terapeutiche di precisione per superare la resistenza dei farmaci mirati all'HER2 e migliorare i risultati per i pazienti.

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Protocol

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Recupero e preelaborazione dei dati

Questo studio è stato condotto utilizzando dati trascristomici e genetici disponibili pubblicamente; Non erano direttamente coinvolti soggetti umani o animali. I dataset trascrivomici rilevanti per la resistenza alla terapia del cancro al seno HER2+ sono stati recuperati dal database NCBI Gene Expression Omnibus (GEO) (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)11. Due dataset RNA-seq, GSE231524 e GSE231525, sono stati selezionati per il loro focus specifico sulla resistenza guidata da HER3 e sull'inibizione di DUSP6 nelle linee cellulari del cancro al seno HER2+ (BT474 e MDA-MB-453). Questi dataset includevano fenotipi parentali, tolleranti e resistenti ai farmaci derivati dall'esposizione a Lapatinib (1 μM) e dal knockdown a DUSP6. Le matrici grezze di conteggio e i relativi file di metadati venivano acceduti utilizzando i pacchetti GEOquery (v2.70.0) e Biobase (v2.62.0) in RStudio (v4.3.2)12. I metadati sono stati selezionati per definire due principali contrasti per ciascun dataset: GSE231524 confrontato il controllo (BT474 parentale, Giorno 0) con campioni tolleranti e resistenti ai farmaci (Giorno 9–Mese 9), mentre GSE231525 confrontato il controllo (Scrambled siRNA) con il knockdown di DUSP6 (DUSP6-KD). Il controllo qualità e la normalizzazione dei dati sono stati eseguiti utilizzando il framework DESeq2 (v1.42.0), che applica una trasformazione stabilizzante della varianza (VST) per ridurre l'eteroscedasticità e garantire la comparabilità tra i campioni. La distribuzione dei dati e i modelli di clustering sono stati valutati visivamente utilizzando ggplot2 (v3.5.0) e pheatmap (v1.0.12) per confermare l'uniformità dei dati e identificare potenziali valori aberranti prima dell'analisi differenzialedelle espressioni 13,14.

In questo studio, è stata mantenuta una chiara distinzione tra i risultati derivati da dataset trascritomici di linee cellulari e quelli ottenuti da dataset clinici derivati dai pazienti. I dati delle linee cellulari sono stati utilizzati principalmente per analisi esplorative, inclusa l'identificazione di geni espressi differenzialmente e la generazione di intuizioni meccanicistiche preliminari in modelli sperimentali controllati. Al contrario, sono stati utilizzati dataset derivati dai pazienti per la validazione esterna dei modelli di espressione genica e per la valutazione della rilevanza clinica, inclusa la valutazione prognostica. Di conseguenza, i risultati dei modelli di linee cellulari e delle coorti cliniche vengono interpretati separatamente per evitare generalizzazioni eccessiva e garantire un contesto traslazionale adeguato per tutti i risultati.

Analisi differenziale dell'espressione genica

È stata effettuata un'analisi di espressione differenziale per identificare geni significativamente modulati tra le condizioni di controllo e quelle di trattamento. I conteggi normalizzati sono stati elaborati utilizzando il modello di regressione aggiustata (ARM) integrato in DESeq2 per stimare con precisione le variazioni log₂ di fold e la significanza statistica. La formula di progettazione fu definita come ~condizione, rappresentando i gruppi di controllo contro quelli trattati. I geni con un valore p (FDR) aggiustato < 0,05 e un cambiamento assoluto log₂ fold ≥ 1 sono stati considerati espressi in modo significativamente differenziale. Il ritiro del cambiamento di piega log₂ è stato eseguito utilizzando il metodo apeglm per aumentare la robustezza nella stima della dimensione dell'effetto. I risultati dell'analisi sono stati visualizzati utilizzando EnhancedVolcano (v1.22.0)15 e ggplot216, che hanno generato grafici vulcanici e grafici MA mostrando la relazione tra grandezza di espressione e fiducia statistica. Le stime della dispersione sono state valutate anche all'interno di DESeq2 per garantire una modellazione accurata della varianza e una normalizzazione coerente tra replichebiologiche 17.

Recupero e identificazione di geni differenzialmente espressi da stress ossidativo mitocondriali (MOS-DEG)

Per indagare il legame tra metabolismo energetico, stress ossidativo e resistenza ai farmaci, è stato compilato un elenco completo di geni associati allo stress mitocondriale e ossidativo da più database, tra cui Human MitoCarta3.018 (https://personal.broadinstitute.org/scalvo/MitoCarta3.0/human.mitocarta3.0.html), Gene Ontology (GO:0006979, response to oxidative stress) (http://geneontology.org/), la Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) via di fosforilazione ossidativa (https://www.genome.jp/kegg/), e il Database Genetico dello Stress Ossidativo Umano (HOSGDB) (http://hosgdb.com/). Tutti i geni recuperati sono stati standardizzati con simboli genici approvati da HGNC utilizzando org. Hs.eg.db (v3.18.0) e AnnotationDbi (v1.64.0), mentre voci duplicate, pseudogeni e RNA non codificanti sono stati rimossi per garantire l'accuratezza delle annotazioni. Il pannello genico dello stress ossidativo mitocondriale (geni MOS) risultante è stato successivamente utilizzato come set di riferimento per l'integrazione con i geni differenzialmente espressi identificati da entrambi i dataset trascrictorici.

L'intersezione della lista genica MOS curata con i DEG ottenuti da GSE231524 e GSE231525 è stata eseguita in R utilizzando funzioni dplyr (v1.1.3)19 e base R intersect(). Questo approccio integrativo ha permesso l'identificazione dei MOS-DEG, che rappresentano geni funzionalmente collegati al metabolismo mitocondriale, alla regolazione redox e all'adattamento allo stress ossidativo. La sovrapposizione tra i dataset è stata visualizzata utilizzando il pacchetto VennDiagram (v1.7.3) in R per illustrare geni condivisi e unici tra i modellisperimentali 20. La lista raffinata di MOS-DEG è stata utilizzata per analisi a valle, fornendo una visione meccanicistica della riprogrammazione trascrizionale e metabolica alla base della resistenza alla terapia mirata a HER2.

Profilazione delle espressioni e visualizzazione dei MOS-DEG

Il profilaggio delle espressioni identificati (MOS-DEG) è stato condotto utilizzando i package ComplexHeatmap (v2.18.0)21 e pheatmap (v1.0.12) in RStudio per visualizzare i modelli di espressione globale tra condizioni parentali, tolleranti ai farmaci e resistenti. I dati di conteggio normalizzato sono stati trasformati utilizzando la scala z-score per standardizzare la matrice di espressione genica tra i campioni. Il clustering è stato effettuato utilizzando metodi di distanza euclidea e collegamento completo per rilevare i modelli di co-espressione e distinguere profili trascrizionali specifici per condizioni. Mappe di calore e grafici di clustering sono stati generati utilizzando ggplot2 per garantire una chiara differenziazione visiva tra le condizioni. Questo approccio di visualizzazione ha facilitato l'identificazione di gruppi genici associati all'attività mitocondriale, alla modulazione dello stress ossidativo e alla riprogrammazione metabolica sotto stati resistenti ai farmaci.

Arricchimento funzionale e annotazione dei percorsi

Per esplorare il significato biologico e i meccanismi regolatori dei MOS-DEG identificati, sono state condotte analisi di arricchimento di Gene Ontology (GO) e Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) utilizzando R Studio (versione 4.3.1). Le analisi sono state effettuate nell'ambiente tidyverse utilizzando molteplici pacchetti Bioconductor per calcoli e visualizzazioni riproducibili. L'annotazione genica e la mappatura degli identificatori venivano eseguite tramite l'org. Hs.eg.db database (https://bioconductor.org/packages/org.Hs.eg.db/) basato sul genoma di riferimento Homo sapiens (GRCh38). L'analisi di arricchimento GO è stata effettuata utilizzando il pacchetto clusterProfiler (versione 4.8.1; https://bioconductor.org/packages/clusterProfiler/), che classifica i geni in tre ontologie principali: Processo Biologico (BP), Componente Cellulare (CC) e Funzione Molecolare (MF). La funzioneenrichGO 22 veniva utilizzata con parametri impostati al valore p < 0,05 e valore p adeguato. (FDR) < 0,05, applicando il metodo di correzione Benjamini–Hochberg. Le visualizzazioni, inclusi diagrammi a barre, diagrammi di punti e diagrammi di corde, sono state generate utilizzando enrichplot (https://bioconductor.org/packages/enrichplot/), ggplot213 (https://cran.r-project.org/web/packages/ggplot2/) e GOplot (https://cran.r-project.org/web/packages/GOplot/). Questi strumenti fornivano una visione strutturata dei termini GO arricchiti e delle loro associazioni geniche.

L'arricchimento delle vie KEGG veniva eseguito utilizzando la funzione enrichKEGG() all'interno del pacchetto clusterProster, facendo riferimento al database umano KEGG (https://www.genome.jp/kegg/). Il pacchetto KEGGREST (https://bioconductor.org/packages/KEGGREST/) veniva utilizzato per il recupero e l'annotazione dei dati dei percorsi. I percorsi con un valore p aggiustato. (valore q) < 0,05 sono stati considerati significativi. La visualizzazione e la mappatura dei percorsi sono state condotte utilizzando pathview (https://bioconductor.org/packages/pathview/), ggplot2 ed enrichplot, mentre igraph e ggraph sono stati utilizzati per la rappresentazionedella rete 23. Tutte le analisi e visualizzazioni di arricchimento sono state implementate in R Studio (v4.3.1) utilizzando codice riproducibile e flussi di lavoro standardizzati di Bioconductor, garantendo un'identificazione affidabile delle categorie funzionali arricchite e dei percorsi biologici associati ai MOS-DEG.

Validazione basata su ROC dei biomarcatori predittivi nel cancro al seno

Per convalidare il potere predittivo clinico dei MOS-DEG, è stata eseguita un'analisi della curva delle caratteristiche operative del ricevitore (ROC) utilizzando lo strumento online ROCplotter (https://www.rocplot.org/)24. ROCplotter è una piattaforma web integrata che combina dati sull'espressione genica con dataset clinicamente annotati di risposta al trattamento provenienti da 3.104 pazienti con cancro al seno, inclusi quelli trattati con chemioterapia, terapia ormonale o agenti anti-HER2.

L'analisi è stata condotta utilizzando i parametri "risposta completa patologica" come variabile di esito e "qualsiasi chemioterapia" come categoria di trattamento. I valori di espressione genica derivati dai dataset di microarray di Affymetrix sono stati automaticamente stratificati in gruppi risponditori e non rispondenti in base alle annotazioni cliniche presenti sulla piattaforma.

La curva della caratteristica operativa del ricevitore (ROC) (AUC), il test U di Mann–Whitney, il cambiamento di pieghe e il test chi-quadrato sono stati applicati per valutare la capacità di ciascun gene di distinguere i rispondenti dai non rispondenti. L'area sotto la curva (AUC) è stata utilizzata come metrica principale per valutare la performance discriminativa. I valori AUC superiori a 0,55 con valori p ROC < 0,05 sono stati considerati significativi, rappresentando una performance predittiva moderata tipica dei biomarcatori trascritomici, mentre la correzione del tasso di false discovery (FDR) è stata applicata per mantenere il rigore analitico.

Tutti i MOS-DEG selezionati sono stati interrogati utilizzando i rispettivi ID di sonda Affymetrix. Il potenziale discriminativo di ciascun gene è stato valutato tra le coorti cliniche di cancro al seno, dove i dati di espressione sono stati stratificati in gruppi risponditori e non rispondenti. Le curve ROC, i boxplot e gli output statistici associati venivano generati direttamente dalla piattaforma ROCplotter ed esportati per la visualizzazione e il confronto a valle. L'analisi ha quantificato il valore predittivo dei regolatori redox e metabolici coinvolti nello stress ossidativo mitocondriale. I geni che hanno mostrato significatività predittiva costante tra i campioni clinici sono stati mantenuti per l'inclusione nel panel predittivo finale.

Analisi dell'espressione differenziale nei tessuti tumorali, normali e metastatici (analisi TNMplot)

I modelli di espressione dei MOS-DEG superiori sono stati analizzati su tessuti mammari normali, tumorali e metastatici utilizzando lo strumento web TNMplot v2 (https://tnmplot.com/analysis/)25. Sono stati esaminati sia i dataset di RNA-Seq (TCGA + GTEx + MET500) sia quelli dei chip genici per garantire la validazione cross-platform. Il modulo "Multiple Gene Analysis" è stato utilizzato con il Carcinoma Invasivo del Seno come tipo di tessutoselezionato 26. I valori di espressione sono stati trasformati log₂ e confrontati tra i gruppi Tumore vs. Normale (TvsN), Metastatico vs. Tumore (MvsT) e Metastatico vs. Normale (MvsN). TNMplot calcolava automaticamente il fold-change (FC) e i valori p utilizzando il test Mann–Whitney U per valutare la significanza statistica. Le distribuzioni di espressione sono state visualizzate come boxplot e diagrammi di densità generati direttamente dall'interfaccia TNMplot, con verde, rosso e grigio che rappresentano rispettivamente tessuti normali, tumorali e metastatici. Tutte le figure sono state esportate in alta risoluzione per essere integrate nella sezione risultati. Questa analisi a doppia piattaforma ha permesso un'identificazione e validazione robusta dei principali regolatori redox–metabolici mitocondriali associati alla progressione del tumoreal seno 27.

Sopravvivenza e analisi prognostica utilizzando il plotter di Kaplan–Meier

Per valutare la rilevanza prognostica dei MOS-DEG nel cancro al seno, è stata condotta un'analisi di sopravvivenza utilizzando lo strumento online Kaplan–Meier Plotter (https://kmplot.com/analysis/)28. Questo database integra dati sull'espressione genica e la sopravvivenza di oltre 4.900 pazienti con cancro al seno, derivati da molteplici dataset GEO, EGA e TCGA. L'analisi è stata effettuata per la sopravvivenza senza recidiva (RFS) utilizzando singoli ID delle sonde Affymetrix corrispondenti ai geni prioritari: 225609_at (GSR), 201761_at (MTHFD2), 201619_at (PRDX3/AOP1) e 201128_s_at (ACLY). I pazienti sono stati divisi in gruppi ad alta e bassa espressione in base al cutoff mediano di espressione, e le probabilità di sopravvivenza sono state stimate utilizzando il metodo Kaplan–Meier. Il test log-rank è stato utilizzato per valutare la significatività statistica tra curve di sopravvivenza, e i rapporti di rischio (HR) con intervalli di confidenza (IC) del 95% sono stati calcolati automaticamente dallo strumento. Tutte le analisi sono state effettuate utilizzando l'endpoint RFS, senza restrizioni basate sul recettore ormonale o sullo stato HER2 (ER, PR, HER2 = tutti). I campioni ridondanti sono stati rimossi e sono state verificate le assunzioni di rischio proporzionale per garantire la robustezza statistica. I filtri di controllo qualità escludevano i microarray polarizzati. Non è stata applicata alcuna selezione manuale della sonda o correzione dei p-value per test multipli, in conformità con le impostazioni predefinite del KM Plotter. La significatività statistica è stata definita come p. < 0,05. I grafici di sopravvivenza sono stati visualizzati e scaricati in alta risoluzione per ulteriori interpretazioni, confrontando i risultati tra espressori ad alto e basso valore di ciascun candidato geneMOS 29,30.

La presente analisi è stata avviata utilizzando dataset composti esclusivamente da campioni di cancro al seno HER2+ per l'identificazione di geni differenzialmente espressi (DEG) e geni hub. Successivamente, è stata effettuata un'analisi di sopravvivenza senza restrizioni allo stato HER2 (ER, PR, HER2 = tutti) per valutare la rilevanza prognostica più ampia e la generalizzazione dei geni identificati. Questo approccio è stato impiegato come passaggio secondario di validazione piuttosto che per ridefinire il focus dello studio. Pertanto, le implicazioni prognostiche dei geni hub identificati sono interpretate con cautela, mantenendo le conclusioni primarie specifiche per il cancro al seno HER2+ .

Le sequenze di trascrizione canoniche di MTHFD2-201 (ENST00000394053.7) e PRDX3-201 (ENST00000298510.4) sono state recuperate dall'Ensembl Genome Browser (https://www.ensembl.org)31,32. L'annotazione e la classificazione delle varianti sono state effettuate utilizzando l'Ensembl Variant Effect Predictor (VEP) (https://www.ensembl.org/vep), che forniva un contesto genomico dettagliato, alterazioni dei codoni e sostituzioni di amminoacidi per ciascuna variante identificata. Solo varianti di missense (SNP non sinonimi) sono state selezionate per l'analisi a valle.

Previsione della patogenicità e priorità delle varianti

Le conseguenze funzionali di ogni nsSNP sono state valutate utilizzando una combinazione di strumenti di previsione computazionale. La SIFT (https://sift.bii.a-star.edu.sg) è stata applicata per valutare la conservazione degli amminoacidi, classificando varianti con punteggio ≤ 0,05 comedeleterie 33. PolyPhen-2 (http://genetics.bwh.harvard.edu/pph2) ha stimato l'impatto strutturale ed evolutivo delle sostituzioni, dove punteggi ≥ 0,85 indicavano danniprobabili 34. CADD (https://cadd.gs.washington.edu) ha fornito un punteggio composito di deleterietà che integra più annotazioni, con valori ≥ 20 che indicano un alto potenziale patogeno35. Metriche complementari da MetaLR36, Mutation Assessor e REVEL sono state integrate dall'interfaccia VEP per una maggiore affidabilità dellaprevisione 37. Le varianti che soddisfano le soglie MetaLR ≥ 0,70, Mutation Assessor ≥ 3,5 e REVEL ≥ 0,75 sono state considerate probabilmente patogene.

Previsione dell'impatto strutturale e meccanicistico

Per valutare come le sostituzioni degli amminoacidi influenzino l'integrità strutturale e la funzione biochimica, ogni nsSNP di primo grado è stato ulteriormente analizzato utilizzando MutPred2 (http://mutpred.mutdb.org)38 e DynaMut (http://biosig.unimelb.edu.au/dynamut)39. MutPred2 ha stimato la probabilità di alterazione funzionale, inclusa alterazione dell'attività catalitica, guadagno o perdita di residui di legaggio ai metalli, cambiamenti nell'accessibilità al solvente e modulazione allosterica, con punteggi ≥ 0,80 classificati come altamente patogenici. DynaMut calcolò il cambiamento di energia libera di Gibbs (ΔΔG) tra proteine di tipo selvatico e mutanti, valutando la direzione e l'entità dell'alterazione della stabilità, e generò visualizzazioni di spostamenti atomici e riarrangiamenti dei legami all'idrogeno.

Modellazione strutturale secondaria e 3D e profilazione dell'accessibilità dei solventi

Le strutture cristalline risolte sperimentalmente di MTHFD2 e PRDX3 sono state ottenute dal Protein Data Bank (PDB) e processate utilizzando PyMOL V:3.1(https://pymol.org)40 per visualizzare la distribuzione spaziale dei residui deleteri. I modelli mutanti sono stati creati introducendo le corrispondenti sostituzioni di amminoacidi, seguite da raffinamento strutturale e minimizzazione dell'energia. L'ispezione 3D comparativa ha evidenziato cambiamenti negli elementi secondari, contatti interatomici alterati e la vicinanza spaziale degli nsSNP ai domini catalitici e di legame dei cofattori, rivelando potenziali interruzioni nelle funzioni redox e metaboliche.

Le analisi secondarie della struttura e dell'esposizione al solvente sono state effettuate utilizzando PSIPRED V: 3.2 (http://bioinf.cs.ucl.ac.uk/psipred)41,42 e NetSurfP 3.0 (https://services.healthtech.dtu.dk/service.php?NetSurfP-2.0)43. Questi strumenti prevedevano α-eliche, β-filamenti, bobine e regioni disordinate insieme ai punteggi relativi di accessibilità ai solventi (RSA). I residui con valori RSA moderati a alti e un ordine strutturale sono stati mappati per identificare posizioni esposte al solvente e funzionalmente critiche. I siti interessati sono stati visualizzati in diagrammi topologici 2D per determinare se si verificavano mutazioni deleterie nei nuclei catalitici rigidi o nelle regioni ad anelli flessibili, prevedendo così i loro probabili effetti sulla dinamica del ripiegamento delle proteine e sull'efficienza enzimatica.

Validazione incrociata del database, integrazione funzionale e validazione della stabilità

Ogni nsSNP prioritizzato è stato incrociato con database genomici a livello di popolazione tra cui dbSNP, 1000 Genomes, ExAC e gnomAD per confermare la frequenza delle varianti, la distribuzione allelica globale e le associazioni cliniche precedentemente riportate. L'integrazione della conservazione evolutiva, della modellazione strutturale e della previsione funzionale basata sul machine learning ha permesso l'identificazione di varianti deleterie ad alta fiducia in MTHFD2 e PRDX3. Queste mutazioni ad alto impatto sono state successivamente mappate in domini funzionali per chiarire il loro potenziale ruolo nello squilibrio di stress ossidativo mitocondriale, nella segnalazione metabolica alterata e nella resistenza terapeutica nel cancro al seno. Per confermare ulteriormente le conseguenze termodinamiche di ogni sostituzione deleteria, è stato utilizzato iMutant 3.0 (https://folding.biofold.org/i-mutant/i-mutant3.0.html)44 per prevedere gli effetti delle mutazioni sulla stabilità delle proteine utilizzando dati di sequenza e strutturali. L'analisi ha calcolato valori di ΔΔG (kcal/mol) che rappresentano la variazione dell'energia libera tra proteine di tipo selvatico e mutanti. Le varianti con valori negativi di ΔΔG sono state classificate come mutazioni destabilizzanti, indicando una riduzione della stabilità proteica e una maggiore probabilità di dispiegamento. L'integrazione delle previsioni degli iMutant con i risultati di DynaMut e MutPred2 ha fornito una validazione incrociata per identificare residui strutturalmente critici che potrebbero influenzare la funzione redox, l'integrità catalitica e la stabilità conformazionale complessiva delle proteine.

Interpretazione funzionale integrata e rilevanza terapeutica

Tutti gli nsSNP deleteri identificati sono stati validati tramite incrocio con database di popolazione dbSNP, gnomAD ed ExAC per verificare le frequenze alleli minori e le associazioni precedentemente riportate con fenotipi tumorali. L'interpretazione integrativa dei dati sulla conservazione evolutiva, modellazione strutturale e stabilità ha indicato che le mutazioni ad alto impatto rs1471336772 (MTHFD2) e rs747786383 (PRDX3) esercitano gli effetti deleteri più forti sulla conformazione proteica e sull'efficienza catalitica. I risultati computazionali suggeriscono collettivamente che le mutazioni in MTHFD2 destabilizzano il metabolismo redox dipendente da NADPH, mentre le mutazioni in PRDX3 compromettono la difesa da stress ossidativo mediata dalla perossidasi, contribuendo alla disfunzione mitocondriale e all'aggressività tumorale. Questa analisi strutturale e funzionale basata su nsSNP fornisce una base computazionale per future verifiche terapeutiche e validazione mutazionale, evidenziando MTHFD2 e PRDX3 come biomarcatori di precisione per la terapia del cancro al seno mirata al redox. Per migliorare la chiarezza e fornire una panoramica completa della strategia analitica, un flusso di lavoro schematico che riassume i principali passaggi dello studio è presentato nella Figura 2. Il flusso di lavoro integra analisi differenziale dell'espressione genica, filtraggio genico mitocondriale, costruzione di reti di interazione proteina-proteina, validazione clinica tramite analisi ROC e caratterizzazione strutturale basata su nsSNP. Questo quadro a passo a passo evidenzia la progressione logica dall'elaborazione dei dati trascritomici all'identificazione dei biomarcatori e all'interpretazione funzionale.

Figura 2
Figura 2. Flusso di lavoro integrativo a più fasi per l'identificazione e la validazione dei biomarcatori legati allo stress ossidativo mitocondriale nel cancro al seno HER2+ . Questo schema riassume la pipeline analitica impiegata nello studio. Per prima cosa, è stata effettuata un'analisi differenziale dell'espressione genica (DEG) su dataset RNA-seq (GSE231524 e GSE231525) per identificare geni significativamente alterati. Questi DEG sono stati intersecati con geni mitocondriali correlati allo stress ossidativo per ottenere MOS-DEG. Successivamente, è stata condotta un'analisi di interazione proteina-proteina (PPI) utilizzando STRING e Cytoscape per identificare geni hub e moduli funzionali. Successivamente, è stata applicata l'analisi della curva della caratteristica operativa del ricevitore (ROC) utilizzando la piattaforma ROCplotter per valutare le prestazioni predittive di geni selezionati in coorti cliniche. Infine, sono state effettuate analisi e modellazione strutturale degli SNP non sinonimi (nsSNP) per valutare il potenziale impatto funzionale e strutturale delle varianti chiave nei geni prioritari (MTHFD2 e PRDX3). Questo flusso di lavoro integrativo collega analisi trasscrittomiche, di rete, cliniche e strutturali per identificare potenziali biomarcatori e bersagli terapeutici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Results

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Analisi differenziale dell'espressione genica

È stata effettuata una profilazione differenziale dell'espressione per indagare le alterazioni trascrizionali associate alla progressione del cancro al seno HER2+ e alla resistenza alla terapia, utilizzando due dataset indipendenti di RNA-seq, GSE231524 e GSE231525. Nel primo dataset (GSE231524), sono stati inizialmente quantificati in totale 19.727 geni. Dopo la normalizzazione, il filtraggio e l'applicazione del modell...

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Discussion

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Lo stress ossidativo mitocondriale è un segno distintivo dell'adattamento tumorale, che regola la sopravvivenza cellulare, la plasticità metabolica e la resistenza alla terapia. Il presente studio ha esplorato sistematicamente i geni differenzialmente espressi (MOS-DEG) legati allo stress ossidativo mitocondriale nel cancro al seno HER2+ integrando dati trascricromici, arricchimento funzionale, validazione clinica e analisi dettagliate in silico mutazionali e struttur...

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Disclosures

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Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare. Strumenti di intelligenza artificiale, incluso ChatGPT (GPT-5) di OpenAI, sono stati utilizzati per migliorare la grammatica, la chiarezza e la formulazione scientifica del manoscritto. Tutte le analisi, interpretazioni e conclusioni sono state concepite e verificate dagli autori.

Contributi degli autori:

Xiaobo Jia ha concettualizzato e supervisionato lo studio, ha contribuito alla progettazione dello studio, all'interpretazione dei dati, alla stesura dei manoscritti e ha fornito la leadership complessiva del progetto. Hui Su ha contribuito all'acquisizione dei dati, all'analisi bioinformatica e all'interpretazione dei risultati trascrictomici. Jiaxin Zhang ha assistito nell'elaborazione dati, nell'analisi nsSNP, nella modellazione strutturale e nella preparazione delle figure. Zhao Liu contribuì all'analisi statistica, alla validazione dei risultati e alla revisione dei manoscritti. Tutti gli autori hanno esaminato e approvato la versione finale del manoscritto.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AnnotationDbiBioconductorv1.64.0Pacchetto di annotazione R utilizzato per la standardizzazione e l'annotazione dei simboli genici HGNC.
apeglmBioconductormetodo in DESeq2Metodo utilizzato per la riduzione della variazione log2 nelle analisi di espressione differenziale.
BiobaseBioconductorv2.62.0Pacchetto R utilizzato per accedere e gestire oggetti di espressione e metadati derivati da GEO.
CADDUniversità di Washington / Laboratorio Kircherstrumento webPunteggio Combined Annotation Dependent Depletion utilizzato per la previsione della patogenicità degli nsSNP.
clusterProfilerBioconductorv4.8.1Pacchetto R utilizzato per l'analisi di arricchimento GO e KEGG.
ComplexHeatmapBioconductorv2.18.0Pacchetto R utilizzato per la generazione di heatmap e il clustering dell'espressione.
CytoscapeConsorzio CytoscapesoftwarePiattaforma di visualizzazione di reti utilizzata con le reti PPI derivate da STRING e la prioritizzazione di CytoHubba.
dbSNPNCBIdatabaseDatabase delle varianti di popolazione utilizzato per la convalida incrociata degli nsSNP prioritari.
DESeq2Bioconductorv1.42.0Pacchetto R utilizzato per la normalizzazione, la modellazione della varianza e l'analisi dell'espressione differenziale.
dplyrCRAN / tidyversev1.1.3Pacchetto R utilizzato per la manipolazione dei dati e l'intersezione dei set di geni.
DynaMutUniversità di Melbourne / BioSigserver webStrumento utilizzato per stimare i cambiamenti di stabilità e flessibilità associati alle mutazioni nelle proteine.
EnhancedVolcanoBioconductorv1.22.0Pacchetto R utilizzato per visualizzare i risultati dell'espressione differenziale come grafici a vulcano.
Ensembl Genome BrowserEMBL-EBI / EnsembldatabaseFonte delle sequenze di trascrizione canoniche per MTHFD2 e PRDX3.
Ensembl Variant Effect Predictor (VEP)EMBL-EBI / Ensemblstrumento webStrumento utilizzato per annotare le varianti missenso e integrare i punteggi predittivi.
ExACBroad InstitutedatabaseDatabase di exome a livello di popolazione utilizzato per la convalida incrociata degli nsSNP.
Gene Expression Omnibus (GEO)NCBIdatabaseRepository utilizzato per recuperare i set di dati transcriptomici per l'analisi del carcinoma mammario HER2-positivo.
Gene OntologyConsorzio Gene OntologyGO:0006979Risorsa di ontologia utilizzata per recuperare i geni legati allo stress ossidativo e per l'analisi di arricchimento.
GEOqueryBioconductorv2.70.0Pacchetto R utilizzato per accedere alle matrici di conteggio GEO e ai metadati.
ggplot2CRAN / tidyversev3.5.0Pacchetto R utilizzato per la visualizzazione dei dati, i grafici di clustering e gli output grafici.
ggraphCRANpacchetto RPacchetto R utilizzato per la visualizzazione di grafici e reti durante l'arricchimento e la rappresentazione delle vie metaboliche.
gnomADBroad InstitutedatabaseDatabase delle varianti di popolazione utilizzato per controllare la frequenza e la distribuzione degli nsSNP prioritari.
GOplotCRANpacchetto RPacchetto R utilizzato per la visualizzazione dell'arricchimento GO, inclusi grafici chord e grafici di sintesi.
GSE231524NCBI GEOaccessionDataset RNA-seq utilizzato per l'analisi dei fenotipi parentali, tolleranti ai farmaci e resistenti di BT474.
GSE231525NCBI GEOaccessionDataset RNA-seq utilizzato per l'analisi del knockdown di DUSP6 nelle cellule di carcinoma mammario HER2-positivo.
Human MitoCarta3.0Broad InstitutedatabaseRisorsa genica mitocondriale curata utilizzata per definire i set di geni mitocondriali.
Human Oxidative Stress Gene Database (HOSGDB)HOSGDBdatabaseDatabase utilizzato per recuperare i geni legati allo stress ossidativo.
igraphCRANpacchetto RPacchetto R utilizzato per la rappresentazione delle reti e la visualizzazione delle vie metaboliche.
iMutant 3.0Università di Bologna / Biofoldserver webStrumento utilizzato per prevedere gli effetti delle mutazioni sulla stabilità delle proteine.
Kaplan–Meier PlotterKMplotstrumento webPiattaforma online utilizzata per l'analisi della sopravvivenza libera da recidiva nei coorti di pazienti con carcinoma mammario.
KEGGUniversità di KyotodatabaseDatabase delle vie metaboliche utilizzato per l'analisi dell'arricchimento di fosforilazione ossidativa e delle vie metaboliche.
KEGGRESTBioconductorpacchetto RPacchetto utilizzato per recuperare e annotare le informazioni sulle vie metaboliche KEGG.
LapatinibNon specificato nel manoscrittocondizione di trattamento 1 μMInibitore HER2 utilizzato nei dataset sperimentali di origine per derivare fenotipi tolleranti/resistenti ai farmaci.
MetaLRIntegrato tramite Ensembl VEPpunteggioMetrica di patogenicità computazionale utilizzata per la prioritizzazione delle varianti.
MutPred2MutPredserver webStrumento utilizzato per prevedere le conseguenze funzionali delle sostituzioni di aminoacidi.
NetSurfP 3.0Università Tecnica della Danimarcaserver webStrumento utilizzato per la previsione della struttura secondaria e dell'accessibilità al solvente.
org.Hs.eg.dbBioconductorv3.18.0Pacchetto di annotazione del genoma umano utilizzato per la mappatura degli identificatori dei geni.
pathviewBioconductorpacchetto RPacchetto utilizzato per mappare i geni arricchiti sulle vie metaboliche KEGG.
pheatmapCRANv1.0.12Pacchetto R utilizzato per la creazione di grafici a heatmap e la visualizzazione del clustering.
PolyPhen-2Harvard / Brigham and Women's Hospitalstrumento webPredittore computazionale utilizzato per stimare l'impatto strutturale/funzionale delle sostituzioni di aminoacidi.
Protein Data Bank (PDB)RCSB PDBdatabaseFonte di strutture proteiche sperimentalmente risolte per MTHFD2 e PRDX3.
PSIPREDUniversity College Londonv3.2Server di predizione della struttura secondaria delle proteine utilizzato per l'analisi della topologia 2D.
PyMOLSchrödinger / PyMOLv3.1Software di grafica molecolare utilizzato per visualizzare le strutture proteiche e i siti di mutazione.
REVELIntegrato tramite Ensembl VEPpunteggioPunteggio di patogenicità dell'ensemble utilizzato per la prioritizzazione delle varianti missenso.
ROCplotterROCplot.orgstrumento web

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Breast CancerHER2 PositiveMitochondrial Oxidative StressTranscriptomic AnalysisHub GenesSingle Nucleotide PolymorphismsDrug TargetsMTHFD2PRDX3RNA Sequencing

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