Genome-Scale Metabolic Model Analysis of Metabolic Differences between Lauren Diffuse and Intestinal Subtypes in Gastric Cancer
胃癌Lauren弥散亚型和肠道亚型代谢差异的基因组代谢模型分析
发表期刊：Cancers (Basel)
发表日期：2022 May 9
DOI: 10.3390/cancers14092340
一、背景
胃癌（GC）是全世界最常见的癌症之一，在癌症相关死亡中排名第二。为了了解GC的分子基础，一些研究已经阐明了GC的遗传图谱和致癌信号通路，并确定了预测预后和对治疗反应的生物标志物。根据Lauren分类，GC有不同的组织学亚型，即弥漫型和肠道型。这两种亚型具有不同的临床和分子特征，包括病因和预后。然而它们之间的代谢差异尚未得到系统研究。
常见的致癌信号通路参与了GC的肿瘤发生：Hippo通路、WNT通路、Hedgehog、TGFβ信号、细胞黏附和染色质重塑。最近，癌症中的新陈代谢引起了人们的关注，因为细胞代谢的重新编程既是致癌突变的直接结果，也是间接结果。为了利用转录组学研究代谢，基因组尺度的代谢模型（GEMs）已被应用于癌症。基因-蛋白-反应（GPR）注释是一组定义催化每个反应的同工酶或蛋白复合物的规则，能够将转录组或蛋白组的测量结果映射到GEM反应中。
二、材料与方法
1.数据来源
1）TCGA-STAD中的临床信息有580个GC样本，其中450个样本有通过RNA-seq获得的基因表达谱；共有185名GC患者有劳伦弥漫型（n = 81）和肠道型（n = 104）亚型的可用信息。
2）GSE15459（n = 45为弥漫性亚型；n = 50为肠道亚型）和GSE47007（n = 12为弥漫性亚型；n = 18为肠道亚型）
2.实验流程
1）弥漫性和肠道亚型的标志基因集分析和主成分分析（PCA)：计算了KEGG中1379个代谢基因在弥漫型与肠道亚型中的基因表达谱的t检验统计和假发现率（FDR），得到两个GC亚型之间的差异表达基因（DEGs）；使用MIT MSigDB中的 "Investigate gene sets "功能获得具有统计学意义的标志基因集；使用了1379个代谢基因的基因表达谱进行PCA
2）弥漫型和肠道型GC亚型的iMAT分析：将COBRA工具箱中实现的iMAT方法应用于TCGA-STAD数据集；iMAT将数字表达值转换成三个分类级别：低表达、中表达和高表达
3）扩散型和肠道型GC亚型的代谢物分析：两种亚型的基因表达谱被用作Metabolizer的输入，它得到96个模块的活性；对模块的活动进行了分层聚类
4）验证其他GC数据集和代谢分析数据集中重要的代谢途径：GEO数据验证Metabolizer报告的模块的基因；为了检查GC细胞模型方面的基因模块，重新分析了扩散型（MKN1、KATOIII和MKN45）和肠道型（MKN7和NCI-N87）GC细胞系中模块的基因表达谱，使用GDSC数据；对于代谢物的实验，使用CCLE数据库数据重新分析了弥漫性和肠道GC细胞系的脂质代谢谱。
三、实验结果
01 - 弥漫性和肠道GC之间的差异性表达表明了代谢背景的不同
作者从KEGG途径的1379个代谢基因中获得了537个DEGs（弥漫性与肠道GC亚型中228个上调和309个下调的DEGs）。为了研究这些DEGs如何影响TCGA GC患者中弥漫性和肠道亚型的代谢，将DEGs作为MIT MSigDB中标志基因集富集分析的输入。前10个具有统计学意义的标志基因集见图2A，还鉴定出差异代谢相关基因集。因此，在下面的分析中重点关注两个GC亚型的代谢途径基因。
根据KEGG途径中的1379个代谢基因进行了PCA分析，结果显示（图2B），两个亚型在一定程度上是分开的，说明两个亚型之间存在着代谢差异。
02 - iMAT分析揭示了弥漫性和肠道GC亚型之间的代谢反应差异
iMAT算法报告了TCGA GC患者中弥漫性和肠道亚型的高度丰富反应。在弥漫性亚型中检测到362个反应，而在肠道亚型中完全检测到371个反应（图3A）。属于硫酸角质合成亚系统的反应仅在弥漫性亚型中被检测到（图3A）。相比之下，属于维生素代谢和膳食B6结合两个子系统的反应只在肠道亚型中检测到。iMAT报告显示，B3GNT7和B3GNT2参与了弥漫亚型中的角质硫酸酯的合成（图3B），PNPO参与了肠道亚型中的维生素B6代谢（图3C）。
03 - Metabolizer 显示了弥漫型和肠道型之间的差异性活动
对于所有的样本，Metabolizer 被用来测量模块活性，其中模块由KEGG代谢途径子部分的顺序代谢反应组成（图4）。两组与不同的临床亚型有关，在图4中用G1和G2表示。G2组的肠道亚型患者比G1组多，而G1组的弥漫性亚型患者比G1组多。分层聚类发现，G1组和G2组在上部（图4中绿色柱条表示）比下部（图4中橙色柱条）的分化程度更高。特别是在上部，有六个模块（乳酰甘油酰胺的生物合成；核苷酸糖的生物合成；硫酸软骨素的降解；糖胺聚糖的生物合成，硫酸软骨素骨架；糖环脂的生物合成，球状系列和蛋氨酸降解）与肠道亚型相比在弥漫型中上调，只有两个模块（硫酸软骨素降解；和糖胺聚糖生物合成，硫酸软骨素骨架）被显著激活。
04 - Metabolizer揭示了弥漫型与肠道型之间不同的代谢子途径
Metabolizer被用来识别其他代谢背景，包括与弥漫型和肠道型相关的代谢途径。图5A总结了弥漫型与肠道亚型的前十条明显富集的通路，图5B描述了这十条通路中的五条：胆固醇稳态、异物代谢、脂肪酸代谢、MTORC1途径和糖酵解。这五条代谢途径有49个基因涉及癌症。与弥漫性亚型患者相比，这些代谢途径在肠道亚型患者中上调（图5B）。
05 - 验证其他GC数据集和代谢分析数据集中重要的代谢途径
为了确定从TCGA数据集中获得的代谢途径的可靠性，使用两个独立的GC患者数据集（GSE15459和GSE47007）验证了五个代谢途径（图5B）中49个基因的表达谱，并比较了弥漫亚型与肠道亚型的途径。在49个基因中，有14个（ACAT2、MTHFD1、GSS、GART、DDC、SHMT2、PGD、HMGCS2、GSTZ1、ODC1、SORD、PSPH、IDUA和AKR1A1）在两个独立数据集和TCGA数据集中显示了相似的基因表达谱（图6）。因此证实TCGA数据集的途径在其他GC数据集中也被观察到。
此外，作者获得了弥漫性和肠道GC细胞模型的基因表达谱。重新分析了弥漫性（MKN1、KATOIII和MKN45）和肠道（MKN7和NCI-N87）GC细胞系中五条代谢途径（图5B所示）的49个基因的基因表达谱，这些基因来自于一个公开的资源GDSC。随后，将TCGA数据集的49个基因表达谱与GC细胞系的表达谱进行了比较。结果，49个基因中19个基因的五种代谢途径在弥漫性与肠道亚型中表现出相似的表达谱（图S1）。因此，结果表明，在GC细胞模型中观察到了TCGA数据集的途径。
作者重新分析了弥漫型和肠道GC细胞系的代谢物数据集，以鉴定差异代谢物。结果，统计学检验表明，C18-肉碱、油酰肉碱和硬脂酰肉碱，在弥漫型与肠道型亚型中统计学上明显丰富（图S2）。此外，C16-肉碱，棕榈酰肉碱，在弥漫性亚型与肠道亚型中统计学上略微丰富（图S2）。这些脂质物种与脂肪酸代谢密切相关，这与发现的弥漫型与肠道亚型中脂肪酸代谢基因的表达量较低相一致（图5B）。
四、结论
在这项研究中，作者利用基于转录组的基因组规模代谢模型（GEMs）来鉴定弥漫性和肠道亚型之间的差异代谢途径。发现，弥漫性和肠道亚型之间的不同代谢途径，包括胆固醇稳态，异种生物代谢，脂肪酸代谢，MTORC1途径和糖酵解，均失调。本研究概述了两种亚型之间的代谢差异，可能有助于了解GC异质性中的代谢。
