口腔鳞状细胞癌的生物信息学分析

【摘要】口腔鳞状细胞癌是口腔颌面部最常见的恶性肿瘤。它具有恶性程度高,淋巴结易转移,预后差等特点。从分子水平研究口腔鳞状细胞癌的发生发展,对于口腔鳞状细胞癌的预防、控制和治疗具有重要意义。生物信息学是一门交叉学科。它整合了信息学、统计学和计算机学等多种技术分析海量生物数据所包含的信息。它先对生物芯片的海量数据进行筛选,再采用序列比对、统计分析、生物聚类、通路分析、可视化作图等方式,进行数据挖掘,从而对疾病从分子水平进行分析,丰富对疾病进展的认识。随着生物信息学的发展,形成了新的生物学研究模式,即利用现有的数据信息,先作理论推测,再行实验验证。本研究课题以GEO及TCGA数据库为研究基础,采用BRB-ArrayTools软件分别筛选口腔鳞状细胞癌中差异表达的基因、microRNA及lncRNA,联合生物信息软件和文献挖掘等方法对他们之间相互作用关系进行分析,从而探索与口腔鳞状细胞癌相关的基因、microRNA及lncRNA,为更好地理解口腔鳞状细胞癌发生、发展的分子机制提供重要的信息,为进一步研究口腔鳞状细胞癌的发生、发展提供新的方向。第一部分：口腔鳞状细胞癌差异表达基因的生物信息学分析研究背景：口腔鳞状细胞癌是目前我国常见的肿瘤之一。我国口腔鳞状细胞癌的发病率约在3.6/10万-8.0/10万人。现已证实,口腔鳞状细胞癌是复杂的多基因疾病,环境因素和遗传因素共同参与了疾病的发生和发展。基因芯片因其具有高通量、高特异性、快速等特点,可检测基因的丰度和种类,并从整个基因组层面进行相关分析。目的：通过对多个口腔鳞状细胞癌表达芯片的生物信息学分析,筛选与该肿瘤相关的差异表达基因,对差异表达基因进行功能注释、通路分析及蛋白质互作网络分析,为探索口腔鳞状细胞癌发生、发展的分子机制提供理论基础。方法：本课题整理GEO公共数据库的基因芯片数据集,以针对口腔鳞状细胞癌目标的Affymetrix芯片表达谱数据作为研究对象,系统地分析口腔鳞状细胞癌的基因表达谱芯片数据,进行数据预处理后,选择非配对t检验统计方法筛选差异表达基因,应用DAVID软件选取GO数据库进行功能注释、KEGG数据库进行通路分析,导入STRING在线数据库绘制差异表达基因编码蛋白互作网络图,并应用Cytoscape软件计算网络及各节点的拓扑特性。结果：(1)本研究在口腔鳞状细胞癌中发现92个基因表达异常,其中表达上调的61个,表达下调的31个。(2)GO分析发现表达上调的差异表达基因主要集中在对损伤的反应、胶原代谢过程、多细胞生物大分子代谢过程等。其中参与胶原代谢过程有MMP9、MMP1、MMP10、MMP11、MMP3、MMP7等基因。KEGG通路分析发现,表达上调的差异表达基因主要集中在细胞外基质受体相互作用、黏着斑、肿瘤通路、Toller样受体通路等通路。(3)GO分析发现表达下调的差异表达基因主要集中在上皮细胞分化、上皮发育、表皮发育、外胚层发育等过程。KEGG通路分析发现,表达下调的差异表达基因主要集中在通过视黄醇的代谢、细胞色素p450外源性物质代谢、药物代谢等通路。(4)经STRING软件共筛选出35个差异表达基因编码的蛋白产物存在相互作用,构建差异表达基因互作网络图,Cytoscape软件共筛选五个关键基因,分别为MMP-9、MMP-1、COL1A2、MMP-7、PLAU。结论：(1)成功筛选出口腔鳞状细胞癌中差异表达的92个基因,并对其进行功能注释与通路分析,为该疾病的实验室研究提供了理论基础。(2)成功构建口腔鳞状细胞癌差异表达基因的蛋白质相互作用网络,并筛选出五个关键基因,提示MMPs家族成员可能参与在口腔鳞状细胞癌发展过程,有利于进一步研究差异表达基因的相互作用关系,并为该疾病的诊断和治疗提供了研究方向。第二部分口腔鳞状细胞癌差异表达microRNA的生物信息学分析研究背景：microRNA是内源性非编码小RNA(18-25nt)的总称。microRNA通过转录后抑制基因的表达。它可以通过与靶基因mRNA的3’端非翻译区(3’-untranslationalregion,3’-UTR)结合达到抑制蛋白翻译的作用。目前发现miRNA可调节约60%的基因,且可能与多种不同的靶基因有调控关系。越来越多的研究发现,miRNA在细胞的生长、分化、增殖和调亡等重要过程发挥了重要的作用,并参与了肿瘤的发生发展过程。目的：通过整理TCGA数据库的口腔鳞状细胞癌miRNA数据,并进行生物信息学分析,探索口腔鳞状细胞癌差异表达miRNA,进一步研究其靶基因的作用。方法：本研究利用BRB-ArrayTools对来自TCGA数据库的口腔鳞状细胞癌miRNA进行分析,得到差异表达miRNA;通过miRecords预测差异miRNA的靶基因,对差异靶基因进行GO功能注释、KEGG通路分析,应用STRING在线数据库绘制靶基因编码蛋白互作网络图,并应用Cytoscape软件计算网络及各节点的拓扑特性。结果：(1)采用BRB-ArrayTools分析TCGA数据集中miRNA表达谱的数据,我们发现了53个显著差异的miRNA。(2)针对差异靶基因的GO功能注释发现,差异表达的靶基因参与细胞增殖的调节、内源性刺激应答、有机物质应答、激素刺激应答等功能。(3)KEGG通路分析中,差异表达靶基因主要参与了细胞因子及其受体的相互作用、MAPK信号通路、Wnt信号通路、Jak-STAT信号通路。(4)经STRING软件在线数据库分析共筛选出73个差异表达microRNA的靶基因存在相互作用,构建靶基因编码蛋白互作网络图；Cytoscape软件共筛选出十二个关键靶基因,分别为STAT3,CCND1,PTGS2,IL8,PPARG,ERBB2,MMP2,PLAU,FGF1,CASP3,FASLG和IL10.结论：(1)成功筛选口腔鳞状细胞癌中差异表达的microRNA。其中,miR-375可能是口腔鳞状细胞癌分子标志物。miR-21、miR-101、let-7c和mir-200c表达异常为研究口腔鳞状细胞癌EMT过程提供了生物信息学证据。(2)差异表达microRNA的靶基因主要参与细胞增殖的调节、内源性刺激应答、有机物质应答、激素刺激应答等功能。(3)差异表达microRNA的靶基因主要参与了细胞因子及其受体的相互作用、MAPK信号通路、Wnt信号通路、Jak-STAT信号通路。(4)成功构建差异表达microRNA对应靶基因的蛋白质相互作用网络图,并筛选出12个关键靶基因。第三部分口腔鳞状细胞癌差异表达长链非编码RNA的生物信息学分析研究背景：长链非编码RNA(longnon-codingRNA,lncRNA)因其在生物基因调控方面的潜在巨大作用,在近几年获得广泛关注。研究显示长链非编码RNA和疾病发生及发展进程相关,但是其发挥作用的具体机制尚不十分清楚。目前lncRNA在口腔鳞状细胞癌中作用及机制知之甚少。目的：本研究拟通过生物信息学的方法,分析GEO数据库中的口腔鳞状细胞癌数据,探索口腔鳞状细胞癌中的差异表达lncRNA,为后续研究lncRNA在口腔鳞状细胞癌中的作用机制提供了新的思路。方法：本研究利用BRB-ArrayTools对GEO数据库的口腔鳞状细胞癌数据集进行分析,筛选得到差异lncRNA。结果：本部分研究发现,与正常组织相比,口腔鳞状细胞癌17个lncRNA的表达出现差异。其中表达上调的有4个,表达下调的有13个。H19在口腔鳞状细胞癌中表达显著下调。结论：(1)成功筛选出口腔鳞状细胞癌中差异表达的lncRNA17个,为进一步研究lncRNA在该疾病中的作用提供了方向。(2)LncRNAH19在口腔鳞状细胞癌中表达下调,提示其可能与mir-200家族作用,调控了口腔鳞状细胞癌上皮-间质转变(EMT)的生物学过程。
【作者】崔婧；
【导师】徐欣；
【作者基本信息】山东大学，口腔颌面外科（专业学位），2014，博士
【关键词】口腔鳞状细胞癌；GO分析；KEGG分析；蛋白质互作网络；microRNA；TCGA；长链非编码RNA；H19；

【参考文献】
[1]宋丽丽.山东县域电影放映市场发展研究[D].山东艺术学院,艺术学,2012,硕士.
[2]刘颖婷.微波电路电磁热的FDTD计算[D].华东交通大学,计算机技术（专业学位）,2014,硕士.
[3]应明亮.3.0T磁共振多高b值弥散加权成像在肝脏局灶性病变中的应用价值研究[D].浙江大学,影像医学与核医学,2013,硕士.
[4]李友慧.苯乙酮和硝基烯烃纳米乳液的生物转化研究[D].北京化工大学,微生物与生化药学,2013,硕士.
[5]杨鹏.航空发动机零件制图系统的研究与实现[D].东北大学,系统工程,2011,硕士.
[6]许平平.胰十二指肠切除术后出血危险因素的meta分析[D].山东大学,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[7]陈灶鑫.灵芝红外光谱规律及灵芝微量元素含量的研究[D].广东工业大学,化学工艺,2013,硕士.
[8]王青琴.职前英语教师知识的调查研究[D].广西师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[9]李国高.基于过程安全的苯乙烯装置环境风险特征与控制[D].华东理工大学,安全工程,2012,硕士.
[10]禹海波.需求不确定性对条件风险价值约束库存系统的影响[J].控制与决策,2013,09:1389-1392+1398.
[11]王福亚.卫星天线双轴驱动机构健康评估与寿命预测方法研究[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[12]邵忠喜,韩德东,周维江,梁迎春.机械式光栅拼接稳定性全闭环控制技术研究[J].机械工程学报.
[13]田田.基于实践共同体下英语新教师成长路径的案例研究[D].宁波大学,课程与教学论,2013,硕士.
[14]何韬.我国高速铁路与民航运输竞争关系研究[D].北京交通大学,2012.
[15]颜惠芳.以“口”部字为例谈对外汉语汉字教学[D].西北师范大学,汉语国际教育,2013,硕士.
[16]姜楠.手背静脉图像容量与可分性研究[D].北方工业大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[17]朱小峰.废弃矿区铅锌尾矿重金属化学稳定化研究[D].首都经济贸易大学,劳动卫生与环境卫生学,2014,硕士.
[18]刘波,王凌,金以慧.差分进化算法研究进展[J].控制与决策,2007,07:721-729.
[19]傅奥.多目标资源受限项目调度问题蚁群算法研究[D].浙江大学,2008.
[20]余天明.工程车辆自动变速系统模糊控制研究[D].吉林大学,机械设计及理论,2004,硕士.
[21]杨军峰.基于公交视频的公交线路客流OD获得方法研究[D].长安大学,交通运输规划与管理,2013,硕士.
[22]杨琦.A保险集团交叉销售研究[D].北京交通大学,2014.
[23]矫玉勋.云计算技术在现代农业中应用分析及发展策略[D].吉林大学,农业经济管理,2013,硕士.
[24]石怀涛,刘建昌,薛鹏,张珂,吴玉厚,张丽秀,谭帅.一种改进的马氏距离相对变换主元分析方法及其故障检测应用(英)[J].自动化学报,2013,09:1533-1542.
[25]奚吟姝.社区学校在社区建设中的作用研究[D].上海交通大学,公共管理,2013,硕士.
[26]李思.雀巢跨国并购经验分析及对我国企业的启示[D].首都经济贸易大学,国际商务（专业学位）,2014,硕士.
[27]马陆.中国农村合会组织变迁的经济学分析[D].首都经济贸易大学,政治经济学,2014,硕士.
[28]雷鸣.六种单花种蜂蜜掺假情况的分析检测研究[D].浙江工业大学,2013.
[29]杨勇齐.新农村建设中甘肃省农民体育健身活动发展现状及对策研究[D].兰州理工大学,体育人文社会学,2013,硕士.
[30]马冉.美国联邦个人所得税制度历史变迁研究[D].山东大学,财政学,2013,硕士.
[31]孔恒.城市地铁隧道浅埋暗挖法地层预加固机理及其应用研究[D].北京交通大学,2003.
[32]徐诺,程利冬.《InternationalJournalofSmartandNanoMaterials》国际合作办刊实践及体会[J].编辑学报,2015,03:283-284.
[33]胡望斌,朱东华,汪雪锋.技术强国对华贸易出口管制系统研究方法探讨[J].科学学研究,2005,06:772-778.
[34]杨瑞楠.上市公司私有化法律问题研究[D].华侨大学,法律,2013,硕士.
[35]李彦磊,张丽红,赵其波.论高校思想政治辅导员在立德树人教育任务中的作用[J].中国教育学刊,2014,S6:149-150.
[36]赵红.武汉市老年门球运动的开展现状与对策研究[D].华中师范大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[37]郭学超.基于水平集与图切理论的植物图像分割方法研究[D].华侨大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[38]崔秀华.基于VXI总线的进气道控制系统处理机测试设备的研制[D].南京航空航天大学,测试计量技术及仪器,2004,硕士.
[39]尹灿.英汉中动句的类型学研究[D].湖南师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[40]吴少英.大学生思想政治教育的人文关怀研究[D].山西财经大学,思想政治教育,2014,硕士.
[41]张婷婷.乳酸改性沸石对感染沙门氏菌肉鸡的影响研究[D].南京农业大学,动物营养与饲料科学,2011,硕士.
[42]黄世矩.岩性探测方法研究现状与前景[J].石油地球物理勘探,1995,S1:170-173+186.
[43]于飞.秦岭松栎混交林建群种种子扩散过程及天然更新格局研究[D].西北农林科技大学,生态学,2014,博士.
[44]沈丽萍.香连金黄散水煎液湿敷治疗急性湿疹（湿热证）的临床疗效观察[D].成都中医药大学,中医外科学,2012,硕士.
[45]郎大鹏.叶片出口角对离心泵流动诱导噪声影响的研究[D].上海理工大学,动力机械及工程,2013,硕士.
[46]张海斌.人民币汇率变动对制造业出口的影响研究[D].南京农业大学,金融学,2012,硕士.
[47]葛光曜,沈伯迪,黄鹂彬,章林锋,夏艺瑜,余小林.浅析清初我国人口剧增的可能原因[J].中国人口.资源与环境,2014,S1:231-234.
[48]王瑞芳.遗产债权人保护制度研究[D].大连海事大学,法学,2013,硕士.
[49]刘坛茹.异化与抵抗：西方马克思主义身体话语研究[D].上海师范大学,文艺学,2012,博士.
[50]毛薇.物流园区优化布局和物流运行关键技术的研究[D].吉林大学,2004.