一.研究背景
铁是人体必需的一种金属离子，其在癌症中通常是失调的。铁参与许多细胞过程，如DNA合成和修复、能量代谢和氧化还原反应。癌细胞的增殖不受控制，他们需要比正常细胞更多的铁来促进细胞复制。因此，铁代谢失调是不同类型肿瘤中普遍存在的现象。先前的研究表明，铁的异位表达通常表现为负责细胞铁吸收的基因上调和铁外流基因下调。细胞内铁代谢受到精确控制，不同类型的癌症具有不同的分子机制。转录后调控是维持细胞铁代谢平衡的重要机制。然而，对铁相关基因及其在癌症中的临床相关性缺乏全面的描述。今天小编就和大家分享一篇关于对癌症中的铁代谢进行全面研究的文章【Pan‐cancer analysis of iron metabolic landscape across the Cancer Genome Atlas】。 杂志：Journal of Cellular Physiology IF：4.522 发表日期：2019.06.25
二.方法和材料
1) 铁代谢相关基因的选择：铁代谢相关的基因来自两个数据库，一个是Reactome中铁的吸收与转运（R‐HSA‐917937），另一个是AmiGo2中细胞内铁离子稳态（GO:0006879）。
2)TCGA数据集：经过筛选下载了TCGA中14中癌症的表达数据,甲基化数据以及临床数据。
3) 差异分析：使用DESeq.2以及edgeR进行差异表达，识别出70个在配对样本和非配对样本中的差异表达的铁相关基因。
4) 生存分析：使用单因素分析，cox风险比例回归模型，log-rank检验，生存曲线等预后方法分析铁相关基因与生存的关系。
5) 肾癌样本的收集：在兰州大学第二医院共收集21例具有癌旁组织的KIRC样本，对这些样本进行后续的分析。
6) 湿实验验证：细胞系的培养、化合物和体外细胞活力测定、qRT - PCR提取RNA等试验流程。
三.结果展示
1 铁代谢相关基因在泛癌中的表达模式：基于GO和文献综述，这篇研究共选择70个铁代谢相关基因进行分析。为了获得铁相关基因在癌症类型中的表达模式，作者评估了14个癌症类型的包括7000多个样本的数据。研究发现，在配对样本分析中，56个(80.2%)铁代谢基因在至少一种癌症类型中有差异表达(图1a)。铁代谢基因改变在两种肺癌和两种肾癌中最多，在前列腺癌中最少。铁代谢基因的失调在不同的癌症类型中存在显著差异(图1a)。作者还从TCGA正常组织与所有可用肿瘤样本的比较中，提出了差异表达的基因。为了进一步描述不同癌症中与铁相关基因的失调模式，作者使用无监督聚类显示同源组织具有相对密切的表达模式，如(KIRP vs. KIRC;这证实了上述分析的可靠性(图1c)。最后，作者构建这些基因的蛋白-蛋白相互作用(protein - protein interaction, PPI)并将其可视化(图2)。
2 铁代谢相关基因在泛癌中的DNA甲基化：作者研究TCGA中12种癌症类型的甲基化数据来确定甲基化是否参与了铁代谢基因异常表达的调控。研究发现，多个肿瘤中基因的异常表达伴随着异常的DNA甲基化，如转铁蛋白受体2( TFR2)和甲型肝炎病毒细胞受体1 (HAVCR1)(图3)。因此，铁代谢基因在癌症中的异位表达可能与异常的DNA甲基化有关。
3 铁代谢基因与临床相关性：为了进一步阐明铁代谢异常在肿瘤发生发展中的作用，作者采用单变量Cox分析评估铁相关基因与患者生存的相关性。图1b显示，60个(85.7%)铁相关基因与患者生存存在显著相关性(图1b,d)。表现出肿瘤致癌基因特征的红细胞铁素体(ERFE)，与四种癌症生存期较差及有基因表达上调有关(图1b)。3羟基丁酸脱氢酶2与患者预后呈负相关，在几种癌症类型中均下调。研究结果也表明，铁代谢基因(共38)在mRNA水平与KIRC预后相关的最显著(图4)。
4 在成对组织中验证铁相关基因的表达情况：为了验证上述差异分析的可靠性，作者使用qRT PCR方法对21对KIRC组织中的差异基因进行了验证。在KIRC中，一共验证了19个异常表达的基因，其中5个下调的基因中有3个，14个上调的基因中有11个被证实(图5)。以上结果证明了基于TCGA的RNA seq数据的差分分析的可靠性。
5 分子靶向铁代谢对细胞的影响：癌症中缺铁和铁过多都有可能对治疗癌症起到帮助。研究结果表明，DFO和erastin能抑制多种肿瘤细胞的增殖。DFO的浓度为30um时显著抑制肿瘤细胞。而erastin的有效浓度范围很窄，经常在1um是没有显著抑制的,而2-3um时抑制效果可以达到50%。但是在前列腺癌中DFO以及erastin效果不是很理想(图6)。此外,正常细胞对erastin相对不敏感。虽然细胞铁死亡依赖于铁，但细胞铁死亡兴奋剂对细胞铁代谢的影响尚不清楚。作者考虑到转录后的调控对细胞铁代谢的重要作用，作者将erastin、DFO、与,二价铁和三价铁在786-O与RKO细胞系中对铁相关基因的影响做了比较（图7,8）。
四.结论
作者通过对泛癌分析发现铁代谢在不同的癌症类型中都失调，并且这与患者生存显著相关，特别是在KIRC中。这一观察结果在肾癌组织中得到了证实。此外，DFO和erastin可抑制多种肿瘤细胞的增殖，影响多种铁相关基因的表达。因此，针对铁代谢的分子治疗可能对癌症的治疗有帮助
五.参考文献
(1) Alim, I., Caulfield, J. T., Chen, Y., Swarup, V., Geschwind, D. H., Ivanova, E., … Ratan, R. R. (2019). Selenium drives a transcriptional adaptive program to block ferroptosis and treat stroke. Cell, 177(5), 1262–1279. https://doi. org/10.1016/j.cell.2019.03.032.
(2) Colaprico, A., Silva, T. C., Olsen, C., Garofano, L., Cava, C., Garolini, D., … Noushmehr, H. (2016). TCGAbiolinks: An R/Bioconductor package for integrative analysis of TCGA data. Nucleic Acids Research, 44(8), e71–e71.https://doi.org/10.1093/nar/gkv1507.
(3) Dixon, S. J., Lemberg, K. M., Lamprecht, M. R., Skouta, R., Zaitsev, E. M., Gleason, C. E., … Stockwell, B. R. (2012). Ferroptosis: An iron‐dependent form of nonapoptotic cell death. Cell, 149(5), 1060–1072. https://doi. org/10.1016/j.cell.2012.03.042
(4) Kerins, M. J., & Ooi, A. (2018). The roles of NRF2 in modulating cellular iron homeostasis. Antioxidants & redox signaling, 29(17), 1756–1773.https://doi.org/10.1089/ars.2017.7176.
(5) Koch, A., Joosten, S. C., Feng, Z., deRuijter, T. C., Draht, M. X., Melotte, V., ... vanEngeland, M. (2018). Analysis of DNA methylation in cancer: location revisited. Nature Reviews Clinical Oncology, 15(7), 459–466. https://doi. org/10.1038/s41571‐018‐0004‐4
(6) Ljungberg, B., Bensalah, K., Canfield, S., Dabestani, S., Hofmann, F., Hora, M., … Bex, A. (2015). EAU guidelines on renal cell carcinoma: 2014 update. European Urology, 67(5), 913–924. https://doi.org/10.1016/j. eururo.2015.01.005.
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