題目：Pan-cancer characterization of long non-coding RNA and DNA methylation mediated transcriptional dysregulation

泛癌的lncRNA和DNA甲基化介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄失調(diào)研究

背景：DNA甲基化擾亂（DNAm）是癌癥的關(guān)鍵特征之一，然而癌癥中DNA甲基化調(diào)控的機(jī)制還不是十分清楚。

1. 數(shù)據(jù)的獲取和整理

從TCGA下載RNA-seq數(shù)據(jù)和DNAm數(shù)據(jù)，分析癌癥包括BLCA,BRCA,CESC, CHOL,COAD,ESCA,HNSC,KIRC,KIRP,LIHC,LUAD,LUSC,PAAD,PRAD,READ,THCA和UCEC。

2. 全面分析癌癥的多組學(xué)數(shù)據(jù)

首先，作者從TCGA數(shù)據(jù)庫下載18種癌癥的RNA-seq數(shù)據(jù)，DNA甲基化數(shù)據(jù)和拷貝數(shù)數(shù)據(jù)并分析。乳腺癌的相關(guān)性熱圖分析顯示，頂部的數(shù)據(jù)與激素受體狀態(tài)相關(guān)性較強(qiáng)。作者將乳腺癌樣本分為兩組，分別為ER+（雌激素受體陽性）和ER-（雌激素受體陰性）。同時(shí)，作者對(duì)每種癌癥的lncRNA進(jìn)行分析，共鑒定到14325個(gè)lncRNA，每種癌癥的lncRNA數(shù)量在10438到14013之間，lncRNA和編碼蛋白基因表達(dá)水平分析研究發(fā)現(xiàn)lncRNA的表達(dá)量較低。

3. 18種癌癥的DNA甲基化介導(dǎo)的lncRNA調(diào)控情況

整合分析不同癌癥的Exp-DNAm-CNV和lncRNA-基因調(diào)控（圖1a）。作者首先鑒定每種癌癥的差異表達(dá)基因和差異甲基化基因，隨后作者鑒定基因水平以來甲基化水平的轉(zhuǎn)錄調(diào)控回路。使用多元回歸模型鑒定癌癥中高甲基化啟動(dòng)子和低表達(dá)基因以及低甲基化啟動(dòng)子和過表達(dá)基因（圖1b）。此外，作者得到與啟動(dòng)子甲基化和編碼蛋白基因表達(dá)有關(guān)的lncRNA調(diào)控因子（圖1c）。使用這種方法，作者鑒定18種癌癥中l(wèi)ncRNA介導(dǎo)的甲基化失調(diào)（圖1d）。分析lncRNA調(diào)控因子的特征（圖1e）。

圖1 泛癌lncRNA介導(dǎo)DNA甲基化擾動(dòng)分析流程圖

4. 甲基化介導(dǎo)的lncRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)

作者首先分析了癌癥中MeLncTRN的拓?fù)涮卣鳎▓D2a），lncRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)具有無尺度的特征。結(jié)果表明，大部分節(jié)點(diǎn)間沒有相互作用，僅有少部分節(jié)點(diǎn)具有相互作用（圖2b）。此外，作者發(fā)現(xiàn)degree高的lncRNA與啟動(dòng)子甲基化和靶基因表達(dá)相關(guān)性更強(qiáng)（圖2c和2d）。這些結(jié)果表明，lncRNA靶基因越多則調(diào)控作用越強(qiáng)。

圖2 全面分析癌癥中l(wèi)ncRNA-基因的相互作用

5. 保守的lncRNA調(diào)控因子在癌癥中具有重要作用

作者首先計(jì)算存在lncRNA調(diào)控的癌癥數(shù)量，大部分lncRNA調(diào)控發(fā)生在特定癌癥類型中，僅有一小部分在泛癌中發(fā)生（圖3a）。對(duì)于lncRNA調(diào)控因子僅有17%發(fā)生在一種癌癥中，有89.8%lncRNA-基因互作發(fā)生在特定癌癥類型中。組織特異性的lncRNA調(diào)控因子和靶點(diǎn)主要存在在腎癌中（圖3b）。作者進(jìn)一步根據(jù)lncRNA調(diào)控因子發(fā)生癌癥中的數(shù)量分為三類：癌癥特異性（僅發(fā)生在一種癌癥中），中度（發(fā)生在2-14種癌癥類型中）和泛癌（發(fā)生在15種癌癥中）。lncRNA調(diào)控因子的作用程度分析發(fā)現(xiàn)，泛癌的調(diào)控因子的表達(dá)水平較高（圖3c）。隨后，作者根據(jù)lncRNA調(diào)控因子在正常組織中的表達(dá)水平計(jì)算組織特異性指數(shù)，作者發(fā)現(xiàn)泛癌的調(diào)控因子組織特異性較低（圖3d）。GTEx的數(shù)據(jù)結(jié)果與之一致（圖3e）。此外，作者發(fā)現(xiàn)泛癌的lncRNA調(diào)控因子在啟動(dòng)子區(qū)的序列保守性較高（圖3f）。

圖3 lncRNA調(diào)控因子分類和癌癥中的調(diào)控特征分析

6. 相似組織的癌癥的lncRNA介導(dǎo)的甲基化失調(diào)類似

大量研究表明，相似組織的癌癥的基因，miRNA和lncRNA表達(dá)水平類似。作者根據(jù)lncRNA，基因和lncRNA-基因情況，計(jì)算癌癥之間的Jaccard指數(shù)以確定癌癥之間的相似性（圖4a-4c）。作者發(fā)現(xiàn)相似組織的癌癥可能具有相同的lncRNA調(diào)控因子。這一結(jié)果表明，來源相似的組織的癌癥可能具有相似的調(diào)控機(jī)制。對(duì)相同組織的癌癥中的lncRNA調(diào)控因子的靶基因進(jìn)行GO分析（圖4d）。

圖4 全面比較泛癌lncRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

7. 異常表達(dá)的lncRNA調(diào)控因子具有生物醫(yī)學(xué)意義

作者在泛癌的表達(dá)水平分析lncRNA調(diào)控因子的異常調(diào)控模式。作者發(fā)現(xiàn)大量lncRNA調(diào)控因子在癌癥中的表達(dá)模式不同（圖5a）。lncRNA調(diào)控因子的分布發(fā)現(xiàn)，有2160個(gè)lncRNA調(diào)控因子在一種癌癥中差異表達(dá)，7043個(gè)lncRNA調(diào)控因子在少于5種癌癥中差異表達(dá)，僅有219個(gè)lncRNA調(diào)控因子在多于10種癌癥中差異表達(dá)（圖5b）。作者在多于12種癌癥中鑒定到共有的差異表達(dá)lncRNA141個(gè)，這141個(gè)lncRNA在泛癌中的調(diào)控因子顯著富集（圖5d）。此外，作者發(fā)現(xiàn)lncRNA調(diào)控因子在特定癌癥中起到關(guān)鍵作用。ENSG00000227036 (LINC00673/LINC00511)在14種癌癥中上調(diào)表達(dá)，生存分析表明ENSG00000227036 (LINC00673/LINC00511)的表達(dá)與KIRC預(yù)后不良有關(guān)（圖5e）。ENSG00000203499 (FAM83H-AS1)可以調(diào)控多種癌癥的表達(dá)且在18種癌癥中差異表達(dá)，ENSG00000203499 (FAM83H-AS1)上調(diào)與PAAD預(yù)后不良有關(guān)（圖5f）。

圖5 lncRNA調(diào)控因子的表達(dá)分析

8. 不同癌癥的保守網(wǎng)絡(luò)核心的功能不同

接下來，作者研究網(wǎng)絡(luò)中的核心以確定他們是否在癌癥中發(fā)揮重要作用。作者選擇網(wǎng)絡(luò)中排名前10的lncRNA和基因，共有2823個(gè)lncRNA和920個(gè)蛋白編碼基因（圖6a和6b）。隨后，作者研究核心lncRNA和非核心lncRNA的表達(dá)模式。在大部分癌癥中，核心lncRNA的表達(dá)水平較高（圖6c）。其中，ADAMTS9-AS2是10種癌癥的核心lncRNA，在不同癌癥中調(diào)控的靶基因不同，NKAPL為共有靶基因（圖6d）。功能分析表明ADAMTS9-AS2在癌癥中具有不同功能（圖6e和6f）。

圖6 甲基化介導(dǎo)lncRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心分析

9. 臨床相關(guān)的lncRNA網(wǎng)絡(luò)模塊可以作為預(yù)后標(biāo)志物

作者整合生存信息篩選預(yù)后相關(guān)的lncRNA調(diào)控因子。作者將每類癌癥數(shù)據(jù)隨機(jī)分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，使用cox回歸分析鑒定網(wǎng)絡(luò)中生存相關(guān)的lncRNA/基因。作者鑒定到5.32%的lncRNA/基因與生存相關(guān)（圖7a）。不同lncRNA調(diào)控因子的臨床相關(guān)性差異分析表明甲基化相關(guān)的lncRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)預(yù)后十分重要（圖7b）。隨后作者計(jì)算每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)打分，共有2061個(gè)模塊可以根據(jù)生存期將癌癥樣本分開（圖7c）。其中涉及l(fā)ncRNA CRNDE（圖7d）的模塊與患者生存有關(guān)（圖7e和f）。

圖7 lncRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的臨床分析

10. 可用于研究甲基化相關(guān)的lncRNA調(diào)控?cái)_動(dòng)的數(shù)據(jù)庫

為便于用戶研究癌癥中甲基化介導(dǎo)的lncRNA調(diào)控模式和相關(guān)的靶基因轉(zhuǎn)錄失調(diào)，作者搭建了在線數(shù)據(jù)庫MeLncTRN（http:///MeLncTRN/）。該數(shù)據(jù)庫可以查詢lncRNA或靶基因在癌癥中的相互作用并提供下載功能。

作者根據(jù)18種癌癥的RNA-seq數(shù)據(jù)和DNA甲基化數(shù)據(jù)構(gòu)建甲基化介導(dǎo)的lncRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)并搭建了相關(guān)數(shù)據(jù)庫。本文的局限性在于預(yù)測的lncRNA調(diào)控因子需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究。