Роль наиболее изученных генов в развитии рецидивов колоректальной аденокарциномы

В статье исследуется связь между количеством статей о гене и его роли в развитии рака.

Ключевые слова: рак, биоинформатика, молекулярная биология.

Рак — это злокачественная опухоль клеток эпителиальной ткани, которая ежегодно забирает жизни двух миллионов людей. В развитых странах рак является второй по распространенности причиной смертности после сердечно-сосудистых заболеваний, на него приходится около 26 % всех смертей в мире. [ 1 ]

У онкологических заболеваний различают 4 основных стадии [ 2 ]:

1. Первая стадия — опухоль ограничена пределами органа, из которого она исходит. Метастазов нет. Опухоль операбельна. Выживаемость 70–90 %
2. Вторая стадия — опухоль ограничена пределами органа, из которого исходит. Метастазы в лимфатических узлах первого порядка. Опухоль операбельна, но нет 100 %-ной вероятности в ее полном удалении. Выживаемость ок. 50 %.
3. Третья стадия — опухоль больших размеров, прорастает в ближайшие органы и ткани, есть метастазы в регионарных лимфатических узлах. Опухоль в большинстве случаев не операбельна. Шанс пятилетнего выживания — 15–20 %.
4. Четвертая стадия — имеются отдаленные метастазы. Опухоль неоперабельна. Шанс выжить крайне мал.

Несмотря на то, что рак впервые описали в 1800-х годах, бороться с ним начали только в 1970-х, когда президент Соединенных Штатов Америки Ричард Никсон объявил «войну против рака». Именно тогда начали проводиться многие онкологические исследования. До сих пор в мире проводится колоссальное количество новых онкологических исследований. Количество статей про рак растёт с каждым годом (Рис.1). Поэтому полезно находить способы анализировать колоссальные накопленные массивы информации.

Рис. 1. Количество статей, написанных о раке в каждом году с 1921 по 2021, опубликованных на сайте PubMed.gov [ 3 ]

Большая проблема, связанная с лечением рака, которая также представляет огромный интерес исследователей — рецидивы. Рецидив — это возобновление болезни после кажущегося выздоровления. На вероятность возникновения рецидива может влиять множество различных факторов. Одна из основных причин возникновения рецидивов — метастазы. Метастазы — злокачественные клетки, отделившиеся от первичного новообразования и перенесенные с током крови или лимфы в другие участки тела. После перемещения клетки располагаются в одном определенном месте и образуют новые опухоли, например, в печени.

Уровень экспрессии некоторых генов достоверно связана с вероятностью рецидива. В этой работе мы решили проверить, что количество статей помогает отобрать такие гены.

У многих пациентов колоректальный рак появляется на фоне полипов толстой кишки. Полип — различные по происхождению патологические образования, возвышающиеся над поверхностью слизистых оболочек. Симптомами данной болезни могут быть длительные запоры или диарея; ощущение инородного тела в кишечнике; ложные позывы к дефекации; потемнение кала или наличие в нем крови; спазмы и боли в животе; потеря веса; слабость или утомляемость.

Гипотеза

Чем больше написано статей про конкретный ген, тем лучше он предсказывает развитие рецидива.

Методы

Данные

В этой исследовательской работе использовались Follow-up studies (когортные исследования) — особая форма исследования, в котором проводится выборка когорты (группа людей, у которых в один и тот же период произошло определенное демографическое событие), предназначенная для изучения степени, в которой эффекты, наблюдаемые вскоре после какого-либо клинического вмешательства, сохраняются с течением времени. Соответственно, мы взяли выборку пациентов с колоректальной аденокарциномой, у которых была измерена экспрессия определённых генов. Экспрессия генов в каждом из наборов данных была измерена при помощи ДНК-чипа Affymetrix Human Genome U133Plus 2.0 arrays.

Были использованы следующие наборы данных:

1. GSE14333 — Пробы были взяты из хирургически удаленной колоректальной аденокарциномы 290 онкопациентов. [ 4 ]

2. GSE33113 — Пробы были взяты у 90 онкобольных со II стадией колоректальной аденокарциномой. [ 5 ]

3. GSE 37892 — Были взяты 130 проб колоректальной аденокарциномы у больных со II-III стадиями. [ 6 ]

5. GSE92921 — Были взяты 59 проб у онкобольных со II-III стадиями колоректальной аденокарциномой. [ 8 ]

Информация из каждого набора данных была отображена в виде двух таблиц: в одной был ID пациента, ген и его активность, а в другой ID пациента, событие, время до последней проверки события, стадия болезни и набор данных. Под событием подразумевается либо смерть пациента, либо возникновение рецидива Disease-free survival (выживание без болезни) — концепт, описывающий период после успешного лечения (в основном различных онкозаболеваний), во время которого у пациента не возникают признаки/симптомы вылеченной болезни, а также летальный исход. [ 9 ]

Подсчет количества статей

В целях подсчета статей был написан специальный скрипт на языке Python 3, который загружал веб-страницу по ссылке https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?term=НАЗВАНИЕ_ГЕНА+AND+ %22colorectal+cancer %22 , где НАЗВАНИЕ ГЕНА — это название целевого гена, количество статей с которым в контексте колоректального рака числится на сайте Pubmed. Это сайт, на котором представлено множество биомедицинских статей. Далее скрипт перебирал все гены, представленные в ДНК-чипе Affymetrix Human Genome U133Plus 2.0 arrays и считывал информацию о количестве статей, которые содержат и название гена, и термин «колоректальный рак». Для взаимодействия с веб-страницами использовался модуль requests

Оценка предсказательной силы генов

Для оценки предсказательной силы генов мы использовали пакет lifelines [ 10 ], который представляет инструментарий для работы с follow-up studies (когортными исследованиями). Для оценки вклада экспрессии гена в выживаемость пациента использовалась регрессия Кокса. В качестве показателя вклада использовали индекс конкордантности.

Низкой экспрессией мы считаем экспрессией, которая попадает в нижний квартиль по данному гену по всем пациентам.

Результаты и обсуждение

Связь индекса конкордантности с количество статей показана на Рис. 2. На нем по оси y показано количество статей, по оси x индекс конкордантности генов (каждая точка — отдельный ген). Как можно видеть, здесь возникает контринтуитивный результат: количество статей и concordance index вообще никак не связаны.

Рис. 2. График, показывающий количество статей про определенный ген и его concordance

Для того, чтобы узнать информацию о каждом из генов был использован сайт https://www.uniprot.org

Таблица 1

Гены, о которых написано наибольшее количество статей, связанных с колоректальной аденокарциномой. Столбец Genes показывает название гена; столбец Articles показывает количество написанных статей о гене; столбец Concordance показывает индекс конкордантности

Названия некоторых генов интерпретировались сайтом PubMed.gov как обычные слова, это исказило поиск. Мы исключили гены, которые очевидно интерпретировались как обычные слова, из таблицы с топ-10 генами, поэтому их 7.

Из таблицы 1 и рисунка 3 видно, что гены, про которых много статей, связаны В основном с развитием первичной опухоли (самый важный процесс тут — пролиферация). Тогда как гены с высоким concordance index, согласно таблице 2 и рисунку 4, более часто связаны с миграцией клеток, перестройкой матрикса (нужной для миграции) и изменениям в регуляции транскрипции.

Таблица 2

10 генов с наибольшим индексом конкордантности. Столбец Genes показывает название гена; столбец Articles показывает количество написанных статей о гене; столбец Concordance показывает индекс конкордантности

Рис. 4. Процессы, в которых участвуют гены с большим индексом конкордантности

Выводы

1. Нет связи между тем, сколько статей написано о гене и его силой предсказания возникновения рецидива колоректальной аденокарциномы
2. Гены, про которые написано много статей, в основном играют роль в пролиферации и других процессах, связанных с возникновением опухоли. Тогда как гены, вызывающие рецидив, чаще участвуют в миграции клеток, перестройке матрикса и регуляции транскрипции. Итак, сейчас учёных больше интересует механизм развития первичной опухоли, а не метастазирования и возникновения рецидивов.
3. В будущем можно более аккуратно подходить к подсчёту статей — например, учитывать процессы, которые участвуют в развитии рецидивов, и вместо всех статей про какой-то рак и ген считать статьи про участи гена в каком-либо значимом процессе.

Литература:

1. Weinberg, Robert A. The biology of cancer. Garland science, 2013.
2. https://unim.su/blog/stadirovanie-onkologicheskih-zabolevanij/
3. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
4. Jorissen RN, Gibbs P, Christie M, Prakash S et al. Metastasis-Associated Gene Expression Changes Predict Poor Outcomes in Patients with Dukes Stage B and C Colorectal Cancer. Clin Cancer Res 2009 Dec 15;15(24):7642–7651. PMID: 19996206
5. de Sousa E Melo F, Colak S, Buikhuisen J, Koster J et al. Methylation of cancer-stem-cell-associated Wnt target genes predicts poor prognosis in colorectal cancer patients. Cell Stem Cell 2011 Nov 4;9(5):476–85. PMID: 22056143 Kemper K, Versloot M, Cameron K, Colak S et al. Mutations in the Ras-Raf Axis underlie the prognostic value of CD133 in colorectal cancer. Clin Cancer Res 2012 Jun 1;18(11):3132–41. PMID: 22496204
6. Laibe S, Lagarde A, Ferrari A, Monges G et al. A seven-gene signature aggregates a subgroup of stage II colon cancers with stage III. OMICS 2012 Oct;16(10):560–5. PMID: 22917480
7. Marisa L, de Reyniès A, Duval A, Selves J et al. Gene expression classification of colon cancer into molecular subtypes: characterization, validation, and prognostic value. PLoS Med 2013;10(5):e1001453. PMID: 23700391
8. Kengo Gotoh, Eiji Shinto, Yuichiro Yoshida, Hideki Ueno, Yoshiki Kajiwara, Masato Yamadera, Ken Nagata, Hitoshi Tsuda, Junji Yamamoto and Kazuo Hase. Prognostic Model of Stage II/III Colon Cancer Constructed using Gene Expression Subtypes and KRAS Mutation Status. J Clin Exp Oncol 2018;7:2. doi:10.4172/2324–9110.1000214
9. https://www.nature.com/subjects/disease-free-survival
10. https://zenodo.org/record/5512044#.Ydxrmy1c5QI