不容错过的5+铁死亡生信分析思路
作为一种新的细胞死亡方式，铁死亡的发现为许多疾病的认识和治疗提供了新的思路。今天小编和大家分享一篇今年7月份发表于《Frontiers in Pharmacology》（IF：5.988）杂志上的关于铁死亡的生信分析文章。该文章主要以基于铁死亡的胃癌患者分型和预后为主线，并在此基础之上结合突变、拷贝数变异、DNA甲基化、免疫相关特征、药物反应等多个维度综合地反映铁死亡在胃癌中的功能重要性及其广泛的临床应用。
综合分析胃癌中铁死亡的变异和功能重要性
一、研究背景
铁死亡（Ferroptosis）被描述为一种受脂质过氧化调节的铁依赖性坏死。最近，一些研究提出了铁死亡在胃癌（GC）中调节肿瘤发展和耐药性的关键作用，其中刺激癌症铁死亡是一种很有前景的胃癌治疗策略。然而，铁死亡在胃癌中的详细特征仍然不为人所知。在此，该研究系统地分析了铁死亡的调控子以及刻画了基于铁死亡的治疗策略在胃癌中的潜能。
二、结果
1、胃癌中铁死亡调控子的表达、遗传突变和DNA甲基化蓝图
作者收集了60个铁死亡调控子（图1A），发现相比于正常组织，大多数的铁死亡调控子普遍在胃癌中表达上调（图1B）以及发生拷贝数扩增（图1D）。并且拷贝数扩增与胃癌中铁死亡调控子的表达正相关（图1E），而表观遗传修饰DNA甲基化与铁死亡调控子表达呈负相关（图1F）。综上，结果表明拷贝数扩增与低甲基化可能导致了铁死亡调控子在胃癌中的过表达。作者进一步发现铁死亡调控子的表达在胃癌的分子亚型（EBV、MSI、GS、CIN）以及甲基化亚型（CIMP-High、CIMP-Low、CIMP-EBV、non-CIMP）呈现出广泛的异质性，其中铁死亡调控子在MSI以及CIMP-Low亚型中普遍高表达（图1G-I）。此外，铁死亡调控子HMOX1在EBV与CIMP-EBV亚型中具有较高的表达水平（图1j-L）。
图1、胃癌中铁死亡调控子的表达、遗传突变和DNA甲基化蓝图
2、胃癌中铁死亡调控子的生物学功能、预后价值和免疫细胞浸润相关性
KEGG通路富集分析结果显示铁死亡调控子主要富集了花生四烯酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、铁死亡和谷胱甘肽代谢相关通路（图2A）。GO功能富集分析结果发现这些基因参与脂肪酸衍生物代谢过程、谷胱甘肽代谢过程、氧化应激反应和硫化合物代谢过程（图2B-D）。随后，作者收集并整合了五套胃癌的数据集（图2E，F），在整合数据集中发现15个铁死亡调控子与胃癌预后显著相关（图2G）。基于额外的胃癌药物敏感数据，发现铁死亡调控子与多种药物敏感性显著相关（图2H）。此外，铁死亡调控子显示出与免疫浸润的明显关联，表明了胃癌中铁死亡与肿瘤免疫之间的相互作用，例如HMOX1高表达与肿瘤浸润免疫细胞浸润水平升高相关（图J）。
图2、胃癌中铁死亡调控子的生物学功能、预后价值和免疫细胞浸润相关性
3、建立3个铁死亡调控子介导的亚型，其具有不同的预后与免疫浸润
基于上述整合数据中铁死亡调控子的表达，一致性聚类识别到3个亚型（亚型A-C）（图3A-D），并且亚型间铁死亡调控子的表达差异被t-SNE结果所证实（图3E）。其中亚型B具有最差的生存结果，而亚型C具有显著的生存优势。亚型B中大多数的铁死亡调控子都明显表达下调（图3G），并且hallmarker通路活性结果显示一些KRAS信号、乏氧、Notch信号以及hedgehog信号等致癌通路在亚型B中显著激活，指示了其较差的预后（图3H）。免疫浸润分析结果显示亚型B具有较高的先天免疫细胞浸润（如NK细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、肥大细胞、髓系抑制性细胞以及浆细胞样树突状细胞）以及适应性免疫细胞浸润（如效应记忆CD4+ T细胞、激活B细胞、激活CD8+ T细胞、效应记忆CD8+ T细胞、中央记忆CD8+ T细胞以及中央记忆CD4+ T细胞）（图3IJ）。
图3、建立3个铁死亡调控子介导的亚型，其具有不同的预后与免疫浸润
4、识别3个铁死亡基因组亚型，其具有不同的预后与肿瘤微环境特征
作者进一步识别了上述铁死亡亚型间74个共享的差异表达基因（图4A，B），这些基因主要参与了上皮细胞调控与上皮细胞增殖等基质激活相关过程以及细胞因子分泌等免疫相关过程（图4C）。基于上述共享差异表达基因，无监督聚类将样本重新划分为3类（铁死亡基因组亚型A-C）（图4D-G），其中基因组亚型C具有最差的预后，而基因组亚型A具有最好的生存优势（图4H）。深入分析发现基因组亚型C具有较高的先天免疫细胞浸润（如NK细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、肥大细胞、髓系抑制性细胞以及浆细胞样树突状细胞）（图4I），并且高表达免疫监测点基因BTLA, CD200, CD200R1,CD28, CD40LG, CD44, CD48,LAIR1, NRP1, PDCD1LG2,TNFRSF14, TNFRSF18, and TNFRSF8（图J）。
图4、识别3个铁死亡基因组亚型，其具有不同的预后与肿瘤微环境特征
5、铁死亡指数得分的建立及其相关临床特征的评估
基于单变量Cox回归分析，作者识别到22个与胃癌预后相关的共享差异表达基因（表1），进而基于其表达水平采用主成分分析方法开发了FPI（Ferroptosis Index）得分来量化铁死亡亚型，发现高PFI得分指示较差的预后（图5A）。PFI的临床特征关联分析发现年龄不满65岁（vs ≥65）、癌症等级G3（vs others）与癌症分期II-IV（vs I）的患者群体具有更高的PFI得分，而不同性别间PFI不存在差异。这些结果指示PFI可能预测胃癌的恶性程度。此外，胃癌的分子亚型GS（vs EBV、MSI与CIN）、微卫星不稳定状态MSS（vs MSI与MSL）以及DNA甲基化亚型non-CIMP（vs CIMP-High、CIMP-Low、CIMP-EBV）具有最高的PFI得分（图5G-H）。
表1、胃癌预后相关的共享差异表达基因
图5、铁死亡指数得分的建立及其相关临床特征的评估
6、铁死亡指数得分与肿瘤免疫的关联
进一步分析发现高PFI得分的患者具有较高的先天免疫细胞浸润（如NK细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、肥大细胞、髓系抑制性细胞以及浆细胞样树突状细胞）、适应性免疫细胞浸润（如效应记忆CD4+ T细胞、激活B细胞、激活CD8+ T细胞、效应记忆CD8+ T细胞、中央记忆CD8+ T细胞以及中央记忆CD4+ T细胞）以及免疫监测点表达（如CD40LG, CD40, BTLA,CD200R1,TNFSF14, CD27, LAIR1, CD28, HAVCR2, CD86,PDCD1LG2, TNFSF4, CD48, CD44, CD200与NRP1）（图6A，B）。FPI得分与pan-F-TBRS、血管生成、上皮间质转化等基质激活通路呈正相关，而与DNA损伤修复、DNA复制、核苷酸切除修复、同源重组和错配修复以及致癌途径如p53信号通路、癌症错配、病毒致癌等呈负相关（图6C）。
图6、铁死亡指数得分与肿瘤免疫的关联
7、铁死亡指数得分预测免疫反应
作者首先在4套额外的数据集中验证了高PFI得分指示更差的生存结果（图7A-D）。而对于免疫治疗，作者发现FPI得分高的患者却更可能对抗CTLA-4治疗产生治疗响应。另外，在两个anti-PD-1治疗队列中都发现高PFI得分指示更好的生存（图7G，I），而且高PFI得分患者相比于低PFI得分患者具有更高的治疗响应率 (图7H，J)。
图7、铁死亡指数得分预测免疫反应
8、基于铁死亡指数得分预测胃癌潜在的治疗药物
作者进一步评估了化疗药物多西他赛和顺铂的药物反应。结果表明高PFI得分样本具有显著下降的多西他赛和顺铂的IC50值（图8A，B），表明高PFI指示更高的多西他赛和顺铂的药物敏感性。此外，作者基于PFI得分与化合物药物敏感性间的相关性预测了胃癌的潜在药物，包括6个CTRP衍生的化合物（图C）以及13个PRISM衍生的化合物（图E），并且FPI得分高的患者更有可能从上述化合物中获益（图8D，F）。
图8、基于铁死亡指数得分预测胃癌潜在的治疗药物
总结：
作者首先以铁死亡调控子为切入点，刻画了铁死亡在胃癌中的基因组突变、拷贝数变异以及DNA甲基化蓝图，随后重点基于铁死亡识别的亚型与患者预后开发了PFI得分来定量化铁死亡亚型，PFI得分与患者生存结果、hallmarker通路、肿瘤微环境、化疗耐受以及免疫反应相关，并且可以预测胃癌潜在的治疗药物。该文章主要从铁死亡亚型及其预后指示效能两种主要维度，从多组学，多维度以及多层面的角度刻画了铁死亡在胃癌中的关键作用，非常值得借鉴。
END
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