分型+预后模型多层面验证，干湿结合直达7+

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今天给同学们分享一篇铜死亡+分型+预后模型+实验的生信文章“Construction and validation of a cuproptosis-related prognostic model for glioblastoma”，这篇文章于2023年2月6日发表在Front Immunol期刊上，影响因子为7.3。

铜死亡是一种新报道的程序性细胞死亡类型，参与调控肿瘤进展、治疗反应和预后。但铜死亡相关基因（CRGs）对于胶质母细胞瘤（GBM）的具体影响仍不清楚。

图1 研究的整个分析过程

1. 肿瘤和正常组织之间的CRG差异表达

在这项研究中，总共包括了12个CRGs。作者对正常和GBM样本之间的CRGs进行了差异表达分析，发现在GBM样本中有10个CRGs显著上调表达，包括SLC31A1、CDKN2A、MTF1、LIPT1、FDX1、PDHB、PDHA1、LIAS、DLD和DLAT。相反，有2个CRGs显著下调表达，包括ATP7B和GLS（图2A）。

图2 GBM中12个CRG的转录和遗传改变

接下来，对12个CRG的体细胞突变进行了分析，发现GBM样本中的突变频率较低。在461个GBM样本中，CRG中有16个（3.47%）突变。其中，五个CRG（CDKN2A、MTF1、ATP7B、DLD和GLS）的突变频率分别为1%，而另外三个CRG（FDX1、LIAS和LIPT1）没有突变（图2B）。此外，作者还分析了12个CRG的拷贝数变异（CNV），发现只有2个CRG中频繁出现了CNV。CDKN2A和ATP7B显示出明显的CNV减少（图2D）。图2C显示了12个CNV在各自染色体上的位置。具有CNV丧失的CRG，如ATP7B，在GBM样本中的表达水平低于正常样本，而具有CNV丧失的另一个CRG，CDKN2A，在GBM样本中显著升高。此外，其他显著差异表达的CRG的CNV频率非常低。

2. 鉴定GBM中的铜死亡亚型

总共合并了来自两个GBM队列（TCGA-GBM和GSE83300队列）的209名患者。获得了209个GBM样本的详细信息。通过Kaplan-Meier生存分析和单变量Cox回归分析确定了12个CRGs的预后意义。其中包括ATP7B、CDKN2A、DLD、MTF1和SLC31A1等五个CRGs被确定为预后CRGs。如图3A所示，一个铜死亡网络系统地揭示了GBM中CRGs的相互作用和预后意义。

图3 鉴定铜死亡亚型并比较两个亚型之间的临床特征和CRGs表达水平

根据五个预后相关基因的表达谱，使用共识聚类算法对GBM样本进行分类。共识矩阵热图显示k = 2是最佳分类方法，GBM样本被分为CRGcluster A（样本数= 119）和CRGcluster B（样本数= 90）（图3B）。主成分分析显示两个亚型的铜死亡转录谱不同（图3C）。此外，Kaplan-Meier曲线显示CRGcluster B中的GBM样本的生存期较CRGcluster A中的样本更长（卡方检验，P = 0.048；图3D）。通过比较两个亚型的临床特征，未观察到年龄和性别方面的明显差异（图3E）。然而，CRGcluster A中大多数CRG的表达水平高于CRGcluster B（图3E，F）。

3. 不同的铜死亡亚型的TME特征

首先，基于ssGSEA算法，作者获得了每个GBM样本中23种免疫细胞的相对含量。而某些免疫细胞的相对含量，包括MDSCs、CD56自然杀伤细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、2型T辅助细胞、肥大细胞、单核细胞和CD56自然杀伤细胞，在两个亚型之间存在显著差异（图4A）。至于免疫检查点，CRGcluster B中PD-L1的表达水平低于CRGcluster A，而CTLA4和PD-1的表达水平高于CRGcluster A（图4B）。此外，使用ESTIMATE算法，作者获得了每个GBM样本的TME得分，包括免疫得分、基质得分和ESTIMATE得分。免疫得分代表免疫成分的含量，基质得分代表基质成分的含量，而ESTIMATE得分是两者之和。差异分析显示，CRGcluster B中的TME得分略高，但没有显著差异（图4C）。

图4 肿瘤微环境与两种铜死亡亚型的相关性

4. 肿瘤微环境与两种铜死亡亚型的相关性

使用R软件包“limma”，作者鉴定出360个与铜热性细胞死亡亚型相关的差异表达基因（DEGs）。通过单变量Cox回归分析，作者确定了79个预后相关的DEGs。此外，根据这79个预后相关DEGs的表达谱，作者使用共识聚类算法对GBM样本进行了分类。共识矩阵热图显示k = 2是最佳的分类方法，GBM样本被分为基因亚型A（样本数=96）和基因亚型B（样本数=113）（图5A）。Kaplan-Meier曲线显示，基因亚型B中的GBM样本的总生存期比基因亚型A中的样本更长（卡方检验，P = 0.018；图5B）。通过比较两个亚型的临床特征，作者发现年龄和性别没有明显差异。然而，基因亚型A中大多数预后相关DEGs的表达水平高于基因亚型B（图5C）。图5D显示了基因亚型A和基因亚型B之间12个CRGs的差异表达分析结果。

图5 基因亚型的鉴定以及两个基因亚型之间的临床特征和CRGs表达水平的比较

5. 建立并验证了一个风险评分模型

根据铜死亡亚型相关的差异表达基因（DEGs），作者建立了一个预后风险评分模型。图6A展示了不同分类方法下GBM样本的分布情况。首先，将GBM患者随机分为训练集和测试集。两个集合的样本量大致相同，训练集中有105个GBM样本，测试集中有104个GBM样本。其次，作者对这79个预后DEGs进行LASSO回归分析，得到了七个候选基因用于风险评分模型（图6B、C），然后对这七个候选基因进行多变量Cox分析，最终得到了五个目标基因（PDIA4、PILRB、DUSP6、CBLN1和PTPRN），其中包括四个高风险基因（PDIA4、PILRB、DUSP6和PTPRN）和一个低风险基因（CBLN1）。

图6 在训练集中构建了一个风险评分模型

差异分析表明，geneCluster A和CRGcluster A的风险得分高于geneCluster B和CRGcluster B（图6D、E）。在训练集中，根据中位数，GBM样本被分为低风险亚型（n = 53）和高风险亚型（n = 52）。随着风险得分的增加，GBM患者的生存期逐渐减少，死亡率稳步增加（图6F）。PCA清晰地区分了这两个风险亚型（图6G）。生存曲线显示，低风险亚型中的GBM样本的生存期比高风险组更长（卡方检验，p < 0.001；图6H）。此外，基于该模型的0.5年、1.0年和1.5年的AUC值分别为0.643、0.709和0.751（图6I）。

接下来，该模型在测试集GSE83300队列和GSE74187队列中进行了验证（图7）。根据中位风险评分，分别对测试集、GSE83300队列和GSE74187队列中的GBM样本进行分类。随着风险评分的增加，GBM患者的生存期逐渐缩短，死亡率稳步增加（图7A、E、I）。主成分分析清晰地区分了两个风险亚型（图7B、F、J）。在测试集中，Kaplan-Meier曲线显示低风险亚型的GBM患者生存期较高风险组更长（卡方检验，p = 0.018；图7C）。在GSE83300队列中，尽管生存分析的结果没有达到统计学意义，但低风险亚型的GBM样本倾向于延长生存期（卡方检验，p = 0.121；图7G）。在GSE74187队列中，Kaplan-Meier曲线显示低风险亚型的GBM患者生存期较高风险组更长（卡方检验，p = 0.007；图7K）。在测试集中，基于该模型的0.5年、1.0年和1.5年生存率的AUC值分别为0.610、0.671和0.708（图7D）。在GSE83300队列中，基于该模型的0.5年、1.0年和1.5年生存率的AUC值分别为...基于该模型，0年、1.5年的生存率分别为0.676、0.731和0.718（图7H）。在GSE74187队列中，基于该模型的0年、1.0年和1.5年生存率的AUC值分别为0.619、0.731和0.741（图7l）。 

图7 在测试集、GSE83300队列和GSE74187队列中验证风险评分。

6. 验证了与模型相关的五个基因的表达

使用RT-qPCR检测了五对胶质母细胞瘤（GBM）和相邻组织中五个与模型相关基因的mRNA表达水平。与相邻标本相比，PDIA4、DUSP6和PTPRN的表达水平上调，而PILRB和CBLN1的表达水平在GBM标本中下调（图8A-E）。为了验证五个与模型相关基因的蛋白质表达水平，进行了WB检测。一致地，与相邻标本相比，PDIA4、DUSP6和PTPRN的蛋白质表达水平上调，而PILRB和CBLN1的蛋白质表达水平在GBM标本中下调（图8F，G）。

图8 通过RT-qPCR和WB验证了GBM组织和相应正常组织中5个与模型相关基因的表达水平

7. 预后风险评分的临床相关性分析

IDH1突变群中的风险评分低于IDH1野生型群（P < 0.0001；图9A）。单变量和多变量回归分析结果显示，预后风险评分和IDH1突变状态均为独立的预后因素（图9B、C）。此外，进行分层分析以评估该模型的广泛适用性。Kaplan-Meier曲线显示，低风险群的GBM总是比高风险群具有更长的生存期，在年龄小于60岁的亚群中p < 0.001，在年龄大于60岁的亚群中p = 0.005，在男性亚群中p < 0.001，在女性亚群中p = 0.015，在IDH1突变亚群中p < 0.001，在IDH1野生型亚群中p = 0.003（图9D-I）。

图9 预后风险评分的临床相关分析和分层分析

8. TME和两个风险评分组之间的检查点评估

风险评分与免疫细胞含量之间的相关分析结果表明，在调节性T细胞、滤泡辅助T细胞、中性粒细胞、静息NK细胞和M0巨噬细胞方面存在正相关，而在嗜酸性粒细胞、M2巨噬细胞、单核细胞和活化NK细胞方面存在负相关（图10A）。此外，免疫细胞含量与5个模型相关基因的表达水平之间的相关分析显示，某些类型的免疫细胞与特定基因之间存在明显的相关性（图10B）。此外，低风险亚型中的GBM样本的基质得分和ESTIMATE得分明显低于高风险组的样本（图10C）。最后，对高风险亚型和低风险亚型之间的免疫检查点进行了差异表达分析。结果显示，低风险亚型中15个免疫检查点的表达水平低于高风险亚型，例如PD-1和PD-L1（图10D）。

图10 TME和两个风险评分组之间的评估

9. 评估风险评分与CSC指数、TMB和药物敏感性的关联

CSC指数与风险评分之间的相关分析结果表明它们呈负相关（R = -0.35，P = 6.5e-06）；也就是说，低风险评分的GBM患者的干细胞特征更为显著（图11A）。一般认为，具有高TMB的肿瘤对免疫治疗的反应更好，因此预后更佳。根据TCGA GBM队列的突变数据，差异分析显示高风险亚型的TMB低于低风险组（图11B）。接下来，TMB与风险评分之间的相关分析结果表明它们呈负相关（R = -0.048，p = 0.049；图11C）。有趣的是，在低风险组中没有显著相关性（R = 0.044，p = 0.12；图11D），而在高风险组中呈负相关（R = -0.012，p = 0.04；图11E）。为了确定体细胞突变的具体分布，作者构建了两个风险评分组的瀑布图，并且高风险亚型中最常见的十个突变基因是PTEN、EGFR、TP53、TTN、NF1、MUC16、PIK3CA、LRP2、RYR2和SPTA1（图11F），而低风险亚型中最常见的十个突变基因是TP53、PTEN、TTN、EGFR、MUC16、ATRX、SPTA1、FLG、IDH1和RYR2（图11G）。低风险亚型中PTEN、EGFR和NF1的突变频率低于高风险亚型，而低风险亚型中ATRX、IDH1、TP53、MUC16和PIK3R1的突变频率高于高风险亚型（图11F，G）。此外，选择常见的药物或化合物来检测药物敏感性与风险评分之间的关联。两个风险亚型之间IC50值的差异分析结果表明，高风险亚型中bryostatin、midostaurin、mirdametinib、ponatinib和tipifarnib的IC50值低于低风险亚型。相比之下，高风险亚型中afatinib和elesclomol的IC50值高于低风险亚型。结果表明，药物敏感性与风险评分有一定的关联（图11H-N）。

图11 风险评分与CSC指数、TMB和药物敏感性的关联分析

10. 构建了一个预测生存率的诺莫图

为了提高该模型在临床中的适用性，作者开发了一个包含临床参数（年龄、性别和IDH1突变状态）和风险评分的图表（图12A）。根据这个图表，在训练集中，用于预测总生存期（OS）的0.5年、1.0年和1.5年的ROC曲线下面积（AUC）值分别为0.716、0.727和0.763（图12B），在测试集中分别为0.741、0.775和0.734（图12C）。此外，校准曲线显示预测结果与理想结果非常接近（图12D、E）。接下来，作者检测了仅基于IDH1突变状态的预测性能。根据仅基于IDH1突变状态的预测，用于预测OS的0.5年、1.0年和1.5年的ROC曲线下面积（AUC）值分别为0.663、0.609和0.607（图12F），在测试集中分别为0.679、0.693和0.686（图12G）。结果表明，该图表具有出色的预测性能，比仅基于IDH1突变状态的预测更好。