《Reproductive Toxicology》：Mechanisms of Bisphenols-induced Cervical Cancer: A multidimensional bioinformatics analysis
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雙酚類化合物通過干擾細(xì)胞周期調(diào)控、G2/M期檢查點(diǎn)和p53介導(dǎo)的腫瘤抑制通路促進(jìn)宮頸癌發(fā)生，分子對(duì)接和動(dòng)力學(xué)模擬顯示其與核心蛋白穩(wěn)定結(jié)合，免疫組化證實(shí)CDC25C、CDK2、KIF11在癌組織高表達(dá)并調(diào)控免疫細(xì)胞浸潤。
Xue-Jiao Zi|Yu-Long Li|Zi-Yong Chu
新疆大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊，830046，中國新疆
摘要
雙酚類物質(zhì)是廣泛使用的工業(yè)化學(xué)品，具有干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)的特性，其與癌癥發(fā)生的潛在關(guān)聯(lián)已引起廣泛關(guān)注。宮頸癌作為一種常見的婦科惡性腫瘤，其發(fā)病機(jī)制尚未完全明了，尤其是在環(huán)境因素的影響方面。在本研究中，我們利用多維生物信息學(xué)方法系統(tǒng)地探討了雙酚類物質(zhì)對(duì)宮頸癌的分子作用。加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）識(shí)別出與疾病密切相關(guān)的關(guān)鍵基因模塊，并結(jié)合預(yù)測(cè)的雙酚類物質(zhì)作用靶點(diǎn)，篩選出核心基因，包括AR、CDC25C、CDK2和KIF11。功能富集分析表明，雙酚類物質(zhì)可能干擾細(xì)胞周期調(diào)控、G2/M檢查點(diǎn)以及p53介導(dǎo)的腫瘤抑制途徑。分子對(duì)接和100納秒分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示，不同種類的雙酚類物質(zhì)能夠穩(wěn)定地與核心靶蛋白結(jié)合，其結(jié)合模式受鹵化或芳香族取代基的影響。基因表達(dá)和免疫組化分析顯示，CDC25C、CDK2和KIF11在宮頸癌組織中顯著上調(diào)，而AR主要在正常上皮組織中表達(dá)。免疫浸潤分析進(jìn)一步表明，CDC25C、CDK2和KIF11可能調(diào)節(jié)B細(xì)胞、CD8? T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的浸潤，這意味著雙酚類物質(zhì)引起的分子擾動(dòng)可能影響腫瘤微環(huán)境。本研究為進(jìn)一步探索環(huán)境暴露與宮頸癌發(fā)生之間的聯(lián)系提供了參考，并為機(jī)制研究奠定了基礎(chǔ)。
引言
雙酚類物質(zhì)是普遍存在的工業(yè)化學(xué)品，廣泛用于塑料、樹脂和熱敏紙的生產(chǎn)，通過食物、水和消費(fèi)品進(jìn)入人體(圖1，表1)[1]，[2]。近年來，人們對(duì)雙酚類物質(zhì)的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)越來越關(guān)注，尤其是它們干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)的特性以及與生殖和代謝紊亂的關(guān)聯(lián)[3]，[4]。在各種人類疾病中，宮頸癌仍然是全球最常見的婦科惡性腫瘤之一，盡管篩查和疫苗接種項(xiàng)目取得了進(jìn)展，但其發(fā)病率和死亡率仍然很高[5]，[6]。越來越多的證據(jù)表明，包括雙酚類物質(zhì)在內(nèi)的環(huán)境暴露可能通過干擾激素信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞增殖和基因組穩(wěn)定性來促進(jìn)宮頸癌的發(fā)生[7]，[8]。盡管人們對(duì)雙酚類物質(zhì)暴露的擔(dān)憂日益增加，但目前的研究主要集中在雙酚A（BPA）上[9]，[10]，[11]，[12]。因此，其他常見雙酚類物質(zhì)與宮頸癌發(fā)生和進(jìn)展之間的具體分子機(jī)制仍不明確，這是一個(gè)重要的知識(shí)空白。
最近的研究表明，雙酚類物質(zhì)可以干擾調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)展、DNA損傷反應(yīng)和凋亡信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵通路[13]，[14]。特別是，雙酚類物質(zhì)的類似物已被報(bào)道可以調(diào)節(jié)周期蛋白-CDK復(fù)合物、檢查點(diǎn)激酶和有絲分裂調(diào)節(jié)因子，從而可能促進(jìn)上皮組織的無控制增殖和基因組不穩(wěn)定[15]，[16]。盡管有這些發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究都集中在單一的雙酚類物質(zhì)或孤立的細(xì)胞靶點(diǎn)上，限制了對(duì)整個(gè)基因組中協(xié)調(diào)分子擾動(dòng)的理解。此外，缺乏系統(tǒng)地將雙酚類物質(zhì)響應(yīng)靶點(diǎn)與宮頸癌組織中觀察到的轉(zhuǎn)錄組變化聯(lián)系起來的綜合分析，這使環(huán)境致癌研究存在重要的知識(shí)空白。
基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算毒理學(xué)進(jìn)展為解決這一空白提供了有希望的框架。加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）、差異表達(dá)分析和功能富集等技術(shù)可以識(shí)別受化學(xué)物質(zhì)暴露影響的協(xié)調(diào)基因模塊和核心調(diào)控節(jié)點(diǎn)[17]，[18]，[19]。結(jié)合靶點(diǎn)預(yù)測(cè)算法和分子對(duì)接模擬，這些方法可以提供雙酚類物質(zhì)如何與多種分子成分相互作用以調(diào)節(jié)癌癥相關(guān)通路的系統(tǒng)級(jí)理解[20]，[21]。這種綜合分析在闡明環(huán)境毒素與疾病易感性之間的復(fù)雜相互作用方面具有特別的價(jià)值，有助于將機(jī)制見解與潛在的轉(zhuǎn)化應(yīng)用聯(lián)系起來。
新的證據(jù)進(jìn)一步表明，雙酚類物質(zhì)引起的擾動(dòng)通常集中在高度保守的生物過程中，包括細(xì)胞周期調(diào)控、有絲分裂檢查點(diǎn)控制和p53介導(dǎo)的腫瘤抑制信號(hào)傳導(dǎo)[22]，[23]。這些通路的失調(diào)與早期宮頸上皮轉(zhuǎn)化和惡性表型的發(fā)展有關(guān)[24]。此外，雙酚類物質(zhì)通過結(jié)構(gòu)變化（如鹵化或芳香族取代）可能對(duì)多種類似物產(chǎn)生不同的影響，從而影響它們與關(guān)鍵有絲分裂調(diào)節(jié)因子和激素受體的結(jié)合親和力和特異性[25]。在分子水平上理解這些相互作用對(duì)于評(píng)估雙酚類物質(zhì)的致癌潛力和生殖毒性至關(guān)重要，尤其是考慮到它們?cè)谙M(fèi)品中的廣泛使用以及經(jīng)常被替換為“更安全”的類似物。
本研究整合了多隊(duì)列轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集，以識(shí)別對(duì)雙酚類物質(zhì)暴露有差異表達(dá)的基因。加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析用于確定關(guān)鍵基因模塊，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)用于揭示核心基因。功能富集分析闡明了相關(guān)的生物過程。分子對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬用于表征雙酚類化合物與靶蛋白之間的結(jié)合相互作用。通過單基因生存分析、免疫組化和免疫浸潤分析進(jìn)一步驗(yàn)證了核心基因的表達(dá)模式、預(yù)后相關(guān)性和潛在的免疫調(diào)節(jié)效應(yīng)。總體而言，這些多維生物信息學(xué)和計(jì)算方法提供了關(guān)于環(huán)境雙酚類物質(zhì)暴露在宮頸癌發(fā)生中作用機(jī)制的見解，為生殖和癌癥毒理學(xué)研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
部分摘錄
宮頸癌相關(guān)靶點(diǎn)的識(shí)別
從NCBI GEO數(shù)據(jù)庫中獲得了五個(gè)與宮頸癌相關(guān)的數(shù)據(jù)集（GSE27469、GSE29570、GSE39001、GSE63514和GSE67522）。為了減少批次效應(yīng)，應(yīng)用了多步驟標(biāo)準(zhǔn)化流程。替代變量分析（SVA）用于建模和調(diào)整發(fā)現(xiàn)隊(duì)列中的潛在混雜因素[26]。隨后，使用參數(shù)化經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行了ComBat協(xié)調(diào)，以校正殘余的批次變異
雙酚類物質(zhì)相關(guān)靶點(diǎn)的識(shí)別
為了系統(tǒng)地識(shí)別雙酚類物質(zhì)的潛在靶點(diǎn)，查詢了四個(gè)互補(bǔ)數(shù)據(jù)庫——ChEMBL、SwissTargetPrediction、PharmMapper和NetInfer。整合數(shù)據(jù)集并去除重復(fù)項(xiàng)后，使用UniProt進(jìn)行了靶點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，共得到748個(gè)獨(dú)特的候選靶點(diǎn)(圖3A)。這一全面的靶點(diǎn)集合為后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)和功能分析提供了基礎(chǔ)。
宮頸癌相關(guān)靶點(diǎn)的識(shí)別
為了消除批次效應(yīng)并提高比較性
討論
在本研究中，我們采用了一種綜合的多維生物信息學(xué)方法來探討雙酚類物質(zhì)誘導(dǎo)宮頸癌的潛在分子機(jī)制。對(duì)十種雙酚類物質(zhì)的預(yù)測(cè)靶點(diǎn)與與宮頸癌相關(guān)的差異表達(dá)和共表達(dá)基因進(jìn)行了交叉分析，構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)框架，闡明了雙酚類物質(zhì)暴露如何通過干擾調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來促進(jìn)宮頸癌的發(fā)生
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Xue-Jiao Zi、Yu-Long Li和Zi-Yong Chu設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。Xue-Jiao Zi、Yu-Long Li和Zi-Yong Chu完成了研究。Xue-Jiao Zi、Yu-Long Li和Zi-Yong Chu起草了手稿。所有作者都閱讀并批準(zhǔn)了最終稿件。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Zi-Yong Chu：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原始草稿，可視化，方法學(xué)，研究，形式分析，概念化。Yu-Long Li：可視化，研究，形式分析。Xue-Jiao Zi：撰寫 – 原始草稿，可視化，研究，形式分析。
利益沖突
作者聲明他們沒有已知的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文報(bào)告的工作。本研究未獲得公共部門、商業(yè)部門或非營利部門的任何特定資助。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文報(bào)告的工作。
