结直肠癌和肺鳞癌预后相关基因的研究

摘要

本文主要从以下几个方面进行论述：
　　第一部分 结直肠癌预后相关基因的研究
　　第一章:利用Spearman转移模型寻找结直肠癌预后相关的免疫相关基因
　　免疫相关基因通过介导炎症和免疫逃逸在结直肠癌发生发展过程中起到非常重要的作用。虽然人类在探求癌症发病分子机制的过程中取得了巨大的进步，但是肿瘤的高度异质大大阻碍了人类对肿瘤复杂生物学进程的探索。胚胎发育和肿瘤进展在生物学行为及分子机制上有很多相似之处，这种相似性使胚胎发育成为一种没有显著异质性却可以研究肿瘤生物学行为的模型。
　　本研究中我们提出造成免疫基因内协同性失调（定义为在癌进展中基因间共表达模式的破坏）的免疫相关基因，可能包含许多结直肠癌的预后相关信息。我们首先建立了137例人类结直肠的基因分子表达谱，样本涵盖了人类结直肠胚胎发育、癌前和癌的不同阶段。同时利用其中的60例样本建立miRNA基因分子表达谱。我们首次提出Spearman转移模型来量化人类结直肠从胚胎发育到癌前到癌变的转化过程中的协同性失调，并利用miRNA-mRNA分子调控网络和机器学习算法识别具有预后信息的重要基因分子。我们最终找到12个免疫基因集合，在5套独立的公共数据中验证了这些基因对预后的预测价值。利用log-rank检验，这12个基因集合与4套数据的总生存显著相关(GSE17536，n=177，p=0.0054:GSE17537，n=55，p=0.0039; GSE39582，n=562，p=0.13;GSE39084，n=70，p=0.11)，并且与4套数据的无病生存显著相关(GSE17536，n=177，p=0.0018;GSE17537，n=55，p=0.016;GSE39582，n=557，p=4.4e-05; GSE14333，n=226，p=0.032)。Cox回归的结果证实这12个基因的表达水平是预后结直肠癌总生存(危害比:1.759;95％置信区间:1.126-2.746; p=0.013)和无病生存(危害比:2.116;95％置信区间:1.324-3.380;p=0.002)的独立因素。
　　第二章:结直肠发育中上调的细胞周期相关基因可以预测晚期结直肠癌生存
　　肿瘤可以被理解为在器官发育的过程中产生了分子生物学上的严重失调的一种特殊的器官。胚胎发育和癌变进程的细胞学行为和内在分子事件上存在着惊人的相似性。这种并非偶然的相似性提示我们，胚胎发育可以作为研究肿瘤分子生物学行为，同时规避肿瘤异质性所带来的干扰的一种理想模型。因此，基于全基因组分子表达谱，在胚胎发育中和癌阶段同时上调的或者同时下调的基因，可能蕴含重要的预后信息。本研究从基因表达数据库(Gene Expression Omnibus，GEO)中下载1，539例结直肠癌样本的表达谱数据。在660例结直肠癌和癌旁数据中利用meta分析的方法找到1，396个差异表达的探针。基于人类结直肠胚胎发育的数据，我们把这些差异表达探针分为27个模块中，然后利用基因集富集分析(gene set enrichmentanalysis，GSEA)，我们在差异表达探针中找到393个在胚胎发育和肿瘤中同时高表达的V探针和207个在胚胎发育和肿瘤中同时低表达的A探针。值得注意的是，V探针中有28个细胞周期相关的探针和Ⅲ/Ⅳ期结直肠癌患者的总生存显著相关(GSE17536 cross validation, n=96, p=5.70e-03; GSE29621, n=36, p=1.70e-03;GSE39084, n=38, p=0.05; GSE39582, n=264, p=0.047; GSE17537, n=36, p=5.90e-03)。
　　第三章:受异常启动子区甲基化和基因突变显著影响的发育基因可以预测晚期结直肠癌的总生存
　　癌症的发生和发展是一个及其复杂的生物学过程，包括基因组（如基冈突变，拷贝数变化）、DNA甲基化和转录组等很多层面的改变。因此，仅研究一个分子层面不足以解释肿瘤复杂的分子生物学机制。利用TCGA(the Cancer Genome Atlas)公共数据库的资源，我们对结直肠癌DNA拷贝数变化，启动子区域的甲基化，基因突变和基因表达等层面的数据进行了整合研究分析。在本研究中，我们通过各个基因层面上配对的样本找到在不同层面发生显著变化的差异表达基因。值得注意的是，GO(gene ontology)富集的结果显示具有差异启动子区甲基化的和具有基因突变的差异表达基因都可以显著的富集到发育进程的GO term中，暗示胚胎发育和肿瘤进展有着密不可分的联系。因此，利用重启动随机游走(random walk with restart)，我们成功找到37个显著的发育相关基因，并在5套独立的表达谱芯片数据中进行验证。Kaplan-Meier和Cox回归分析的结果显示这些基因的表达水平与Ⅲ/Ⅳ期结直肠癌的总生存显著相关。
　　第二部分 肺鳞癌预后相关基因研究
　　肺鳞癌目前在临床中没有有效的靶向药物。因此对肺鳞癌，尤其是肺鳞癌癌前阶段的分子生物学改变的研究十分必要，这可能会为寻找重要的作用靶点或者靶向药物的开发起到巨大的推进作用。另外胚胎发育和癌变阶段在细胞生物学行为和分子特异性改变上有很多相似之处。肿瘤可以理解为一个在正常发育过程中出现严重异常的器官，暗示着胚胎发育可以作为一种研究肿瘤生物学行为的模型。
　　在本研究中，我们收集了10个时间点人类肺组织，涵盖了从胚胎发育到癌前到癌形成的各个阶段，并建立了基因分子表达谱。我们找到癌前和癌阶段一致差异表达的基因，结合基于先验网络的贪婪搜寻算法，利用69例具有预后信息的肺鳞癌手术样本作为训练样本，成功的找出一个含有22个基因的最优子网。这22个基因的表达量子肺鳞癌患者的总生存显著相关。

目录

图索引

表索引

中英语缩略词

摘要

导论

第一部分 结直肠癌预后相关基因研究

前言

第一章：利用Spearman转移模型寻找结直肠癌预后相关的免疫相关基因

一、实验材料

二、实验方法

三、结果

第二章：人类结直肠发育中上调的细胞周期相关基因可以预测晚期结直肠癌生存

一、实验材料和方法

二、结果

第三章：异常启动子区甲基化和基因突变显著影响的发育基因可预测晚期结直肠癌总生存

一、实验材料和方法

二、结果

讨论

1、利用Spearman转移模型寻找结直肠癌预后相关免疫基因

2、利用meta分析和在胚胎发育和肿瘤组织中的表达模式筛选预后相关基因

3、整合TCGA多层面数据筛选预后相关基因

第二部分：肺鳞癌演后相关基因研究

前言

实验材料和方法

1、人类肺胚胎发育、正常肺组织和癌进展组织标本

2、提取RNA和表达谱芯片杂交

3、数据预处理和标准化

4、识别在癌前和癌阶段稳定的DEGs

5、搜寻显著高分的子网

6、生存分析

结果

1、识别在癌前阶段和癌阶段具有一致性差异表达的基因

2、一致性差异基因在免疫应答和细胞周期进程中具有重要的调节作用

3、Immune DOWN和Cycle UP基因在人类肺胚胎发育和肺鳞癌进展中都存在显著差异

4、在癌进展过程中Immune DOWN基因和Cycle UP基因共表达模式的持续改变

5、利用基于先验网络的方法筛选出与总生存显著相关的基因模块

讨论

参考文献

本学位研究课题受下列基金资助

致谢

已发表与学位论文相关的英文文章

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