整合多组学分析揭示DARS2、MRTO4和MRPL37作为膀胱癌新型生物标志物及治疗靶点的作用机制

《Hormones & Cancer》：Integrated multi-omics analysis identifies DARS2, MRTO4, and MRPL37 as novel biomarkers and potential therapeutic targets for bladder cancer

本研究针对膀胱癌(BC)分子特征复杂、缺乏有效生物标志物和治疗靶点的问题，通过整合TCGA、GEO等多组学数据，结合WGCNA、孟德尔随机化(MR)和单细胞RNA测序(scRNA-seq)等先进技术，首次系统鉴定出DARS2、MRTO4和MRPL37三个核心基因。研究发现这些基因在肿瘤组织中显著高表达，且表达水平与肿瘤分期正相关，可能通过氧化磷酸化(OXPHOS)和Myc靶通路促进BC进展，并通过调节HLA-DR+CD4+T细胞等免疫细胞影响肿瘤微环境。研究还构建了在线列线图工具，为BC的精准诊疗提供了新策略。

　　

膀胱癌是全球泌尿系统最常见的恶性肿瘤之一，2022年新增病例约61.4万例，死亡约22万例，其发病率在男性中尤为突出，约为女性的3.3倍。吸烟是最主要的危险因素，约半数病例与烟草使用相关。膀胱尿路上皮癌作为主要组织学亚型，可分为非肌层浸润性膀胱癌(NMIBC)和肌层浸润性膀胱癌(MIBC)。NMIBC占病例75%以上，具有高复发率(5年内达70%)和高进展率(达30%)的特点。尽管经尿道膀胱肿瘤切除术(TURBT)联合膀胱内化疗或卡介苗(BCG)免疫治疗是标准方案，但BCG耐药性、供应短缺以及缺乏特异性生物标志物导致的严重不良反应，仍是临床面临的严峻挑战。MIBC预后更差，5年总生存率仅约50%，其根本原因可能与MIBC中先天免疫应答细胞不足、内质网应激以及肿瘤微环境改变密切相关。

针对膀胱癌分子机制不清、缺乏有效生物标志物和治疗靶点的问题，研究人员开展了一项整合多组学分析的研究。该研究利用癌症基因组图谱(TCGA)、基因表达综合数据库(GEO)、IEU OpenGWAS项目、eQTLGen、FinnGen和DepMap等多个公共数据库的数据，采用差异表达基因分析、加权基因共表达网络分析(WGCNA)、Mfuzz聚类、单变量Cox回归、Kaplan-Meier生存分析、孟德尔随机化(MR)分析、单细胞RNA测序(scRNA-seq)和基因集富集分析(GSEA)等生物信息学技术，系统筛选与膀胱癌发生发展相关的关键基因，并评估其临床意义、免疫微环境特征及潜在机制。

主要技术方法

研究利用TCGA和GEO数据库的膀胱癌转录组数据和临床信息，通过limma包识别差异表达基因，WGCNA构建基因共表达网络，Mfuzz聚类分析基因表达模式，结合DepMap数据库的基因依赖性数据，筛选与肿瘤生存相关的基因。采用单变量Cox回归和KM生存分析评估基因的预后价值，并通过两样本MR分析验证基因与膀胱癌的因果关系。利用scRNA-seq数据验证基因表达模式，GSEA探索潜在机制，并构建在线列线图预测患者预后。

DEGs鉴定及相关通路

PCA分析显示肿瘤与正常样本基因表达谱存在显著差异。共鉴定出11,291个DEGs，其中6,016个上调，5,275个下调。GSEA显示细胞增殖、DNA损伤修复和免疫应答相关通路显著激活，而UV反应、TNF-α/NF-κB信号和上皮-间质转化通路抑制。

WGCNA识别肿瘤相关基因模块

样本聚类树未发现异常样本。确定软阈值为12后，构建基因共表达网络，识别出9个模块，其中蓝色模块与肿瘤表型显著正相关。

Mfuzz分析识别BC进展相关基因

Mfuzz分析将基因表达模式分为9个簇，簇6基因在正常组织中低表达，随肿瘤分期进展表达显著升高，定义为肿瘤进展相关基因。

MR分析识别核心基因

差异表达基因、WGCNA候选基因、Mfuzz基因和肿瘤生存依赖基因取交集，获得348个候选基因。在TCGA和GSE13507数据集中，通过单变量Cox回归分析鉴定出28个预后基因。MR分析进一步筛选出6个与BC风险有因果关系的基因，最终确定DARS2、MRTO4和MRPL37为核心基因。

核心基因的表达特征及临床意义

DepMap分析显示DARS2、MRPL37和MRTO4在包括BC在内的29种癌细胞系中基因效应值显著低于零。TCGA和GSE13507数据集验证这三个基因在肿瘤组织中表达显著高于正常组织，且表达水平随肿瘤分期和分级升高而增加。ROC曲线分析显示其诊断效能优于经典生物标志物TP53和FGFR3。

核心基因的预后价值

KM生存分析显示，在TCGA和GSE13507数据集中，DARS2、MRTO4和MRPL37高表达组患者总生存期显著缩短。时间依赖性ROC曲线表明这些基因在1-5年内具有中度预测准确性。

共识聚类验证风险分层能力

共识聚类分析确定最佳聚类数为2。PCA显示两类明显分离，簇2中DARS2、MRTO4和MRPL37表达显著高于簇1，且患者生存期更短。

免疫微环境特征及免疫治疗反应预测

DARS2、MRTO4和MRPL37高表达组中，效应记忆CD4 T细胞和未成熟树突状细胞(iDCs)浸润减少，活化CD4 T细胞浸润增加。DARS2和MRTO4高表达组中II型干扰素信号显著下调，而MRPL37高表达组中炎症促进、趋化因子受体(CCR)活性和T细胞共抑制等免疫功能显著激活。在IMvigor210队列中，DARS2和MRTO4在完全缓解(CR)和部分缓解(PR)组中表达显著升高，且高表达患者接受抗PD-L1治疗后生存改善显著。

中介分析结果

MR中介分析显示，MRPL37通过HLA-DR⁺CD4⁺T细胞促进BC发生发展。

基于DepMap数据库的GSEA

GSEA显示DARS2、MRTO4和MRPL37可能通过调控OXPHOS和Myc靶通路影响BC进展。

scRNA-seq分析揭示表达模式

scRNA-seq分析显示DARS2、MRTO4和MRPL37在肿瘤上皮细胞中特异性高表达，且表达水平与肿瘤分期正相关。

构建在线列线图工具

研究构建了结合核心基因和临床参数的在线列线图工具，可预测BC患者1-5年生存率，显示高准确性和稳定性。

研究结论与意义

本研究通过整合多组学数据，首次系统鉴定出DARS2、MRTO4和MRPL37作为膀胱癌的核心调控基因。这些基因在肿瘤组织中显著高表达，与不良临床病理特征和预后相关，具有较高的诊断和预后价值。机制上，它们可能通过OXPHOS和Myc靶通路促进肿瘤进展，并调节肿瘤免疫微环境，影响免疫治疗反应。尤为重要的是，MRPL37可能通过HLA-DR⁺CD4⁺T细胞介导促进膀胱癌发展。研究构建的在线预测工具为膀胱癌的个体化治疗提供了新策略。这些发现不仅深化了对膀胱癌分子机制的理解，也为开发新的治疗靶点和免疫治疗策略提供了重要理论依据。