多组学与功能研究揭示头颈鳞癌关键基因MAPK3、MLLT4、PLAU与SERPINE1的致癌作用及临床意义

《Hormones & Cancer》：Deciphering the oncogenic role of key genes in HNSC: insights from multi-omics and functional studies

本研究针对头颈鳞状细胞癌(HNSC)早期诊断难、预后差的问题，通过整合生物信息学分析与体外实验验证，系统鉴定了MAPK3、MLLT4、PLAU和SERPINE1四个关键枢纽基因。研究发现这些基因的表达失调与HNSC患者不良预后显著相关，其启动子甲基化状态和遗传改变共同驱动了肿瘤恶性进展。功能实验证实PLAU和SERPINE1基因敲低可显著抑制HNSC细胞的恶性表型。该研究为HNSC提供了新的诊断生物标志物和潜在治疗靶点，具有重要的临床转化价值。

　　

头颈鳞状细胞癌(HNSC)是全球第六大常见恶性肿瘤，占所有头颈部癌症的95%。尽管治疗手段不断进步，晚期HNSC患者的五年生存率仍低于50%，这主要归因于缺乏有效的早期诊断标志物和特异性治疗靶点。人乳头瘤病毒(HPV)感染是HNSC的主要致病因素之一，但肿瘤的高度异质性和复杂分子机制使得临床管理面临巨大挑战。近年来，随着基因表达数据库(GEO)和癌症基因组图谱(TCGA)等公共资源的完善，结合机器学习与体外验证的多组学分析方法为探索HNSC的分子机制提供了新机遇。

为系统揭示HNSC的关键致病基因，Suad A. Alghamdi和Mohammed Alissa团队在《Discover Oncology》上发表了最新研究成果。研究人员通过整合多组学数据与功能实验，深入探讨了关键基因在HNSC发生发展中的致癌作用。

研究团队首先利用GSE58911微阵列数据集，筛选出1781个差异表达基因(DEGs)，从中选取250个最显著的基因进行蛋白相互作用(PPI)网络构建。通过Cytoscape软件中的MCODE和Cytohubba分析，鉴定出MAPK3、MLLT4、PLAU和SERPINE1四个核心枢纽基因。这些基因在TCGA-HNSC队列中的表达验证显示，MAPK3和MLLT4在肿瘤组织中显著下调，而PLAU和SERPINE1明显上调，且表达变化与患者临床参数密切相关。

关键技术方法包括：基于GSE58911和TCGA-HNSC数据集的生物信息学分析、蛋白相互作用网络构建、基因表达与甲基化分析、免疫细胞浸润评估、ceRNA调控网络预测以及体外功能验证（包括RT-qPCR、Western blot、细胞增殖、迁移和克隆形成实验）。

表达验证与预后分析

在多个独立数据集验证中，MAPK3和MLLT4的表达下调以及PLAU和SERPINE1的表达上调与HNSC患者的不良预后显著相关。单细胞RNA测序分析进一步揭示，PLAU和SERPINE1的高表达主要来源于肿瘤微环境中的巨噬细胞、成纤维细胞和内皮细胞，而非肿瘤细胞本身。

预后风险模型构建

研究人员构建了包含这四个基因的预后风险模型，将HNSC患者分为高风险和低风险组。该模型在训练集和验证集中均表现出优异的预测性能（C-index分别为0.81和0.80），风险评分每增加一个单位，死亡风险增加2.7倍。

表现遗传调控机制

甲基化分析表明，MAPK3和MLLT4基因呈现高甲基化状态，而PLAU和SERPINE1则为低甲基化，提示表现遗传调控参与了这些基因的表达失调。遗传改变分析显示，这些基因在HNSC中存在不同程度的突变和扩增，且遗传改变与患者总体生存率下降相关。

蛋白表达与亚细胞定位

免疫组化分析证实了枢纽基因在蛋白水平的表达变化，同时亚细胞定位显示各蛋白具有特定的分布模式：MAPK3主要位于核浆，MLLT4存在于质膜和核浆，PLAU分布于高尔基体和囊泡，SERPINE1则位于细胞质。

免疫微环境特征

免疫浸润分析发现，这四个基因的表达与CD4⁺ T细胞和巨噬细胞浸润呈正相关，而与CD8⁺ T细胞丰度负相关，表明它们可能通过调节肿瘤免疫微环境影响HNSC进展。

功能富集与调控网络

基因富集分析显示这些基因主要参与细胞粘附、纤溶和ECM-受体相互作用等通路。ceRNA网络分析鉴定出has-mir-192-5p可能同时调控所有四个枢纽基因。

实验验证

体外实验证实，在HNSC细胞系中PLAU和SERPINE1的敲低显著抑制了细胞增殖、克隆形成和迁移能力，进一步支持了它们的致癌作用。

研究结论强调，MAPK3、MLLT4、PLAU和SERPINE1作为HNSC的关键调控因子，通过复杂的分子网络影响肿瘤发生发展。这些基因的表达失调与表现遗传改变、遗传变异和免疫微环境重塑密切相关。研究人员还从DrugBank数据库筛选出环孢素等可能调节这些基因表达的潜在治疗药物，为HNSC的精准治疗提供了新思路。

该研究的创新之处在于综合运用多组学方法和功能验证，系统阐明了HNSC中关键基因的致癌机制，构建的预后模型具有显著的临床转化潜力。然而，研究也存在一定局限性，如主要依赖公共数据集、样本量有限以及需要进一步的功能验证。未来研究可结合单细胞测序等技术深入探索这些基因在HNSC各细胞群体中的特异性功能，为开发更有效的治疗策略奠定基础。