rpmjResearch'n Practical Medicine JournalResearch and Practical Medicine Journal2410-1893"QUASAR", LLC10.17709/2410-1893-2021-8-3-2rpmj-612Research ArticleОригинальные статьи. Онкология, лучевая терапияOriginal Articles. ОncologyАнализ данных высокопроизводительного секвенирования и микрочипов для идентификации ключевых сигнатур микрорибонуклеиновых кислот в глиобластомеData analysis of high-throughput sequencing and microarray to identify key signatures of microribonucleic acids in glioblastomahttps://orcid.org/0000-0003-2385-6285ПушкинА. А.PushkinA. A.

Пушкин Антон Андреевич – научный сотрудник лаборатории молекулярной онкологии, SPIN: 9223-1871, AuthorID: 975797, ResearcherID: AAA-8887-2020, ScopusAuthor ID: 57200548010

344037, Российская Федерация, г. Ростов-на-Дону, ул. 14-я линия, д. 63

Anton A. Pushkin – Researcher, Laboratory of Molecular Oncology,  SPIN: 9223-1871, AuthorID: 975797, ResearcherID: AAA-8887-2020, Scopus Author ID: 57200548010

63 14 line str., Rostov-on-Don 344037

anton.a.pushkin@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6358-7361ТимошкинаН. Н.DzenkovaE. A.

Тимошкина Наталья Николаевна – к.б.н., руководитель лаборатории молекулярной онкологии, SPIN: 9483-4330, AuthorID: 633651, ResearcherID: D-3876-2018, Scopus Author ID: 24077206000 

344037, Российская Федерация, г. Ростов-на-Дону, ул. 14-я линия, д. 63

Elena A. Dzhenkova – Dr. Sci. (Biol.), Associate Professor, academic secretary, SPIN: 6206-6222, AuthorID: 697354, ResearcherID: K-9622-2014, Scopus Author ID: 6507889745

63 14 line str., Rostov-on-Don 344037

n_timoshkina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8633-2660ГвалдинД. Ю.TimoshkinaN. N.

Гвалдин Дмитрий Юрьевич – к.б.н., научный сотрудник лаборатории молекулярной онкологии, SPIN: 8426-9283, AuthorID: 1010353, ResearcherID: AAA-9894-2020, Scopus Author ID: 57195716861 

344037, Российская Федерация, г. Ростов-на-Дону, ул. 14-я линия, д. 63

Natalya N. Timoshkina – Cand. Sci. (Biol.), Head of the Laboratory Molecular Oncology, SPIN: 9483-4330, AuthorID: 633651, ResearcherID: D-3876-2018, Scopus Author ID: 24077206000

63 14 line str., Rostov-on-Don 344037

89dmitry@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3561-098XДженковаЕ. А.GvaldinD. Yu.

Дженкова Елена Алексеевна – д.б.н., доцент, ученый секретарь, SPIN: 6206-6222, AuthorID: 697354, ResearcherID: K-9622-2014, Scopus Author ID: 6507889745

344037, Российская Федерация, г. Ростов-на-Дону, ул. 14-я линия, д. 63

Dmitry Yu. Gvaldin – Cand. Sci. (Biol.), Researcher, Laboratory of Molecular Oncology, SPIN: 8426-9283, AuthorID: 1010353, ResearcherID: AAA-9894-2020, Scopus Author ID: 57195716861

63 14 line str., Rostov-on-Don 344037

rnioi@list.ruФГБУ «НМИЦ онкологии» Минздрава РоссииРоссияNational Medical Research Centre of Oncology of the Russian Ministry of HealthRussian Federation202123092021832133Copyright © Пушкин А.А., Тимошкина Н.Н., Гвалдин Д.Ю., Дженкова Е.А., 20212021Пушкин А.А., Тимошкина Н.Н., Гвалдин Д.Ю., Дженкова Е.А.Pushkin A.A., Dzenkova E.A., Timoshkina N.N., Gvaldin D.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rpmj.ru/rpmj/article/view/612Цель исследования

Цель исследования. Данная работа посвящена исследованию паттернов экспрессии мРНК и микроРНК глиобластом с использованием The Cancer Genome Atlas (TCGA) данных, поиску генетических детерминант, определяющих прогноз выживаемости пациентов и созданию сетей взаимодействий для глиобластом.

Материалы и методы

Материалы и методы. На основании данных открытой базы TCGA были сформированы группы глиобластом и условно нормальных образцов тканей головного мозга. Для каждого образца извлечены данные выживаемости и экспрессии генов и микроРНК. После стратификации данных по группам был проведен дифференциальный анализ экспрессии, осуществлен поиск генов, оказывающих влияние на выживаемость пациентов, выполнен анализ обогащения по функциональной принадлежности и интерактомный анализ.

Результаты

Результаты. В общей сложности проанализировано 156 образцов глиобластом с данными мРНК-секвенирования, 571 образец с данными микрочипового анализа микроРНК и 15 контрольных образцов. Были построены сети взаимодействий мРНК-микроРНК и разработаны экспрессионные профили генов и микроРНК, характерные для глиобластом. Определены гены, аберрантный уровень которых ассоциирован с выживаемостью, показаны попарные корреляционные связи между ДЭГ и ДЭ микроРНК.

Заключение

Заключение. Выявленные для глиобластом регуляторные пары микроРНК-мРНК могут стимулировать разработку новых терапевтических подходов, основанных на подтип-специфичных регуляторных механизмах онкогенеза.

Purpose of the study

Purpose of the study. This research was devoted to study of mRNA and miRNA expression patterns in glioglastomas using The Cancer Genome Atlas (TCGA) data, to search for genetic determinants that determine the prognosis of patient survival and to create of interaction networks for glioblastomas.

Materials and methods

Materials and methods. Based on the data of the open TCGA database groups of glioblastomas and conventionally normal brain tissue samples were formed. Survival gene and miRNA expression data were extracted for each sample. After the data stratification by groups the differential expression analysis and search the genes affecting patient survival was carried out. The enrichment analysis by functional affiliation and an interactome analysis were performed.

Results

Results. A total of 156 glioblastoma samples with mRNA sequencing data, 571 samples with microarray microRNA analysis data, and 15 control samples were analyzed. Networks of mRNA-miRNA interactions were built and expression profiles of genes and miRNAs characteristic of glioblastomas were developed. We have determined the genes which aberrant level is associated with survival and shown the pairwise DEG and DE of microRNA correlations.

Conclusion

Conclusion. The microRNA-mRNA regulatory pairs identified for glioblastomas can stimulate the development of new therapeutic approaches based on subtype-specific regulatory mechanisms of oncogenesis.

глиобластомаатлас генома ракапаттерны экспрессиимРНК-микроРНК взаимодействияпрогноз выживаемостигенная онтологиясигнальные путиglioblastomathe cancer genome atlasexpression patternsmRNA-microRNA interactionsprognosis of survivalReferencesGvaldin DY, Pushkin AA, Timoshkina NN, Rostorguev EE, Nalgiev AM, Kit OI. Integrative analysis of mRNA and miRNA sequencing data for gliomas of various grades. Egyptian Journal of Medical Human Genetics. 2020 Dec 10;21(1):73. https://doi.org/10.1186/s43042-020-00119-8Pushkin A.A., Timoshkina N.N., Rostorguev E.E. Expression status of 15 genes in glial brain tumors. Research and practice in medicine. 2019; 6 (S): 230. (In Russian)Кит О.И., Пушкин А.А.Росторгуев Э.Е., Поркшеян Д.Х., Франциянц Е.М., Кузнецова Н.С. и др. Изменение экспрессионного статуса генов при малигнизации клеток мозга. Современные проблемы науки и образования. 2018;(6):8. https://doi.org/10.17513/spno.28148Kit O. I., Pushkin A.A. Rostorguev E.E., Porksheyan D. Kh., Franjants E.M., Kuznetsova N.S., et al. Changes in the expression status of genes during malignancy of brain cells. Modern problems of science and education. 2018; (6): 8. doi: 10.17513/spno.28148. (In Russian).Кит О.И., Пушкин А.А., Росторгуев Э.Е., Поркшеян Д.Х., Франциянц Е.М., Кузнецова Н.С. и др. Гендерные особенности экспрессии генетических локусов в тканях глиом. Современные проблемы науки и образования. 2018;(5):57. https://doi.org/10.17513/spno.28068Kit O. I., Pushkin A.A., Rostorguev E.E., Porksheyan D. Kh., Frantsyants E. M., Kuznetsova N. S., et al. Gender characteristics of expression of genetic loci in glioma tissues. Modern problems of science and education. 2018; (5): 57.doi: 10.17513/spno.28068. (In Russian).Игнатов С.Н., Златник Е.Ю., Сагакянц А.Б., Солдаткина Н.В., Росторгуев Э.Е., Пушкин А.А. Предикторная роль локального уровня интерлейкина-1β в выборе химиотерапии у пациентов с низкодифференцированными глиальными опухолями. VI Петербургский международный онкологический форум «Белые ночи 2020». Санкт-Петербург: 2020, 431 с. Доступно по: https://forum-onco.ru/upload/unsorted/forum_tezis_2020.pdf. Дата обращения 01.11.2020Ignatov S.N., Zlatnik E.Yu., Sagakyants A.B., Soldatkina N.V., Rostorguev E.E., Pushkin A.A. Predictor role of the local level of interleukin-1β in the choice of chemotherapy in patients with poorly differentiated glial tumors. VI St. Petersburg International Oncological Forum "White Nights 2020"; June 25-28, 2020, St. Petersburg. Available at: https://forum-onco.ru/upload/unsorted/forum_tezis_2020.pdf. Accessed: 01.11.2020. (In Russian).Calin GA, Dumitru CD, Shimizu M, Bichi R, Zupo S, Noch E, et al. Frequent deletions and down-regulation of micro- RNA genes miR15 and miR16 at 13q14 in chronic lymphocytic leukemia. Proc Natl Acad Sci USA. 2002 Nov 26;99(24):15524–15529. https://doi.org/10.1073/pnas.242606799Calin G. A., Dumitru C. D., Shimizu M., Bichi R., Zupo S., Noch, E., et al. Frequent deletions and down-regulation of micro-RNA genes miR15 and miR16 at 13q14 in chronic lymphocytic leukemia. Proceedings of the national academy of sciences. 2002; 99(24): 15524-15529. doi:10.1073/pnas.242606799.Li G, Wu X, Qian W, Cai H, Sun X, Zhang W, et al. CCAR1 5’ UTR as a natural miRancer of miR-1254 overrides tamoxifen resistance. Cell Res. 2016 Jun;26(6):655–673. https://doi.org/10.1038/cr.2016.32Li G., Wu X., Qian W., Cai H., Sun, X., Zhang, W., et .al. CCAR1 5′ UTR as a natural miRancer of miR-1254 overrides tamoxifen resistance. Cell research. 2016; 26(6): 655-673. doi: 10.1038/cr.2016.32.Cai Y, Yu X, Hu S, Yu J. A brief review on the mechanisms of miRNA regulation. Genomics Proteomics Bioinformatics. 2009 Dec;7(4):147–154. https://doi.org/10.1016/S1672-0229(08)60044-3Cai Y., Yu X., Hu S., Yu J. A brief review on the mechanisms of miRNA regulation. Genomics, proteomics & bioinformatics. 2009; 7(4): 147-154. doi: 10.1016/S1672-0229(08)60044-3.Кит О.И., Пушкин А.А., Росторгуев Э.Е., Тимошкина Н.Н., Кузнецова Н.С., Кавицкий С.Э. и др. Дифференциальная экспрессия 15-ти генов в глиальных опухолях различной степени злокачественности. Современные проблемы науки и образования. 2019;(5):66. https://doi.org/10.17513/spno.29039Kit O.I., Pushkin A.A., Rostorguev E.E., Timoshkina N.N., Kuznetsova N.S., Kavitsky S.E., et al. Differential expression of 15 genes in glial tumors of various degrees malignancy. Modern problems of science and education. 2019; (5): 66-66. doi: 10.17513/spno.29039. (In Russian).Водолажский Д.И., Пушкин А.А., Васильченко Н.Г., Панченко С.Б., Тимошкина Н.Н. Влияние доксорубицина на экспрессию генов и микроРНК EGFR-сигнального пути в культуре клеток линии HeLa. Злокачественные опухоли. 2017;7(3-S1):124–125.Vodolazhsky D.I., Pushkin A.A., Vasilchenko N.G., Panchenko S.B., Timoshkina N.N. Effect of doxorubicin on gene expression and miRNA of the EGFR signaling pathway in HeLa cell culture. Malignant tumors. 2017; 7 (3-S1): 124-125. (In Russian).Pushkin AA, Burda YE, Sevast’yanov AA, Kulikovskiy VF, Burda SY, Golubinskaya PA, et al. Renal cell carcinoma drug and cell therapy: today and tomorrow. Research Results in Pharmacology. 2018;4(1):17–26. https://doi.org/10.3897/rrpharmacology.4.25251Pushkin A. A., Burda Y. E., Sevast’Yanov A. A., Kulikovskiy V. F., Burda S. Y., Golubinskaya P. A., et al. Renal cell carcinoma drug and cell therapy: today and tomorrow. Research Results in Pharmacology. 2018; 4(1):17-26. doi: 10.3897/rrpharmacology 4.25251.Шкурат Т.П., Пушкин А.А., Козлова М.Ю., Колина Е.А., Покудина И.О. Биоинформационное исследование миРНК-регуляторов генов-супрессоров опухолей. Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины. Материалы VI Международной научно-практической конференции. 2015. Ростов-на-Дону : Изд-во Южного федерального ун-та, 2015, 64–65 с. Доступно по: https://elibrary.ru/download/elibrary_29910966_49698769.pdf. Дата обращения 05.11.2020Shkurat T. P., Pushkin A. A., Kozlova M. Yu., Kolina E. A., Pokudina I. O. Bioinformatic study of miRNA regulators of tumor suppressor genes. VI International scientific-practical conference "Actual problems of biology, nanotechnology and medicine"; 01-03 October 2015, Rostov-on-Don. Available at: https://istina.msu.ru/download/12276529/1gNlOn:PSoS6rTJMPtnBguMNG2YAiY5JF8/. Accessed: 05.11.2020. (In Russian).Роспатент. Зарегистрировано 29.11.2018. Патент № RU2709651C1. Кит О.И., Тимошкина Н.Н., Пушкин А.А., Кутилин Д.С., Росторгуев Э.Е., Кузнецова Н.С. Способ дифференциальной диагностики глиом на основании анализа экспрессии генов и микро-РНК.Rospatent. Registered on 29.11.2018. Patent number RU2709651C1. Kit O. I., Timoshkina N. N., Pushkin A. A., Kutilin D. S., Rostorguev E. E., Kuznetsova N. S. Method for differential diagnosis of gliomas based on analysis of gene expression and micro-RNA. (In Russian).Colaprico A, Silva TC, Olsen C, Garofano L, Cava C, Garolini D, et al. TCGAbiolinks: an R/Bioconductor package for integrative analysis of TCGA data. Nucleic Acids Res. 2016 May 5;44(8):e71. https://doi.org/10.1093/nar/gkv1507Colaprico A., Silva T. C., Olsen C., Garofano L., Cava C., Garolini D., et al. TCGAbiolinks: an R/Bioconductor package for integrative analysis of TCGA data. Nucleic acids research. 2016; 44(8): 71. doi:10.1093/nar/gkv1507.Ru Y, Kechris KJ, Tabakoff B, Hoffman P, Radcliffe RA, Bowler R, et al. The multiMiR R package and database: integration of microRNA-target interactions along with their disease and drug associations. Nucleic Acids Res. 2014;42(17):e133. https://doi.org/10.1093/nar/gku631Ru Y., Kechris K. J., Tabakoff B., Hoffman P., Radcliffe R. A., Bowler R., et al. The multiMiR R package and database: integration of microRNA–target interactions along with their disease and drug associations. Nucleic acids research. 2014; 42(17): 133. doi:10.1093/nar/gku631He Q, Fang Y, Lu F, Pan J, Wang L, Gong W, et al. Analysis of differential expression profile of miRNA in peripheral blood of patients with lung cancer. J Clin Lab Anal. 2019 Nov;33(9):e23003. https://doi.org/10.1002/jcla.23003He Q., Fang Y., Lu F., Pan J., Wang L., Gong W., et al. Analysis of differential expression profile of miRNA in peripheral blood of patients with lung cancer. Journal of Clinical Laboratory Analysis. 2019: 33(9): 23003. doi: 10.1002/jcla.23003.Wu D, Niu X, Tao J, Li P, Lu Q, Xu A, et al. MicroRNA-379-5p plays a tumor-suppressive role in human bladder cancer growth and metastasis by directly targeting MDM2. Oncol Rep. 2017 Jun;37(6):3502–3508. https://doi.org/10.3892/or.2017.5607Wu D., Niu X., Tao J., Li P., Lu Q., Xu A., et al. MicroRNA-379-5p plays a tumor-suppressive role in human bladder cancer growth and metastasis by directly targeting MDM2. Oncology Reports 2017; 37(6): 3502-3508. doi: 10.3892/or.2017.5607.Lv X, Wang M, Qiang J, Guo S. Circular RNA circ-PITX1 promotes the progression of glioblastoma by acting as a competing endogenous RNA to regulate miR-379-5p/MAP3K2 axis. Eur J Pharmacol. 2019 Nov 15;863:172643. https://doi.org/10.1016/j.ejphar.2019.172643Lv X., Wang M., Qiang J., Guo S. Circular RNA circ-PITX1 promotes the progression of glioblastoma by acting as a competing endogenous RNA to regulate miR-379–5p/MAP3K2 axis. European journal of pharmacology. 2019; 863:172643. doi: 10.1016/j.ejphar.2019.172643.Kumar R, DuMond JF, Khan SH, Thompson EB, He Y, Burg MB, et al. NFAT5, which protects against hypertonicity, is activated by that stress via structuring of its intrinsically disordered domain. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Aug 18;117(33):20292–20297. https://doi.org/10.1073/pnas.1911680117Kumar R., DuMond J. F., Khan S. H., Thompson E. B., He Y., Burg M. B., et al. NFAT5, which protects against hypertonicity, is activated by that stress via structuring of its intrinsically disordered domain. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020; 117(33): 20292-20297. doi: 10.1073/pnas.1911680117.Li Y, Yuan F, Song Y, Guan X. miR-17-5p and miR-19b-3p prevent osteoarthritis progression by targeting EZH2. Exp Ther Med. 2020 Aug;20(2):1653–1663. https://doi.org/10.3892/etm.2020.8887Li Y., Yuan F., Song Y., Guan, X. MiR‑17‑5p and miR‑19b‑3p prevent osteoarthritis progression by targeting EZH2. Experimental and therapeutic medicine. 2020; 20(2): 1653-1663. doi: 10.3892/etm.2020.8887.Pellatt DF, Stevens JR, Wolff RK, Mullany LE, Herrick JS, Samowitz W, et al. Expression Profiles of miRNA Subsets Distinguish Human Colorectal Carcinoma and Normal Colonic Mucosa. Clin Transl Gastroenterol. 2016 Mar 10;7:e152. https://doi.org/10.1038/ctg.2016.11Pellatt D. F., Stevens J. R., Wolff R. K., Mullany L. E., Herrick J. S., Samowitz W., et al. Expression profiles of miRNA subsets distinguish human colorectal carcinoma and normal colonic mucosa. Clinical and translational gastroenterology. 2016; 7(3): 152. doi: 10.1038/ctg.2016.11.Ye -B, Li Z-L, Luo D-H, Huang B-J, Chen Y-S, Zhang X-S, et al. Tumor-derived exosomes promote tumor progression and T-cell dysfunction through the regulation of enriched exosomal microRNAs in human nasopharyngeal carcinoma. Oncotarget. 2014 Jul 30;5(14):5439–5452. https://doi.org/10.18632/oncotarget.2118Ye S. B., Li Z. L., Luo D. H., Huang B. J., Chen Y. S., Zhang X. S., et al. Tumor-derived exosomes promote tumor progression and T-cell dysfunction through the regulation of enriched exosomal microRNAs in human nasopharyngeal carcinoma. Oncotarget. 2014; 5(14):5439. doi: 10.18632/oncotarget.2118.Wei J, Yin Y, Deng Q, Zhou J, Wang Y, Yin G, et al. Integrative Analysis of MicroRNA and Gene Interactions for Revealing Candidate Signatures in Prostate Cancer. Front Genet. 2020;11:176. https://doi.org/10.3389/fgene.2020.00176Wei J., Yin Y., Deng Q., Zhou J., Wang Y., Yin G., et al. Integrative Analysis of MicroRNA and Gene Interactions for Revealing Candidate Signatures in Prostate Cancer. Frontiers in Genetics. 2020; 11: 176. doi: 10.3389/fgene.2020.00176. doi: 10.3892/ol.2017.6769.Zhang H, Xu S, Liu X. MicroRNA profiling of plasma exosomes from patients with ovarian cancer using high-throughput sequencing. Oncol Lett. 2019 Jun;17(6):5601–5607. https://doi.org/10.3892/ol.2019.10220Zhang H., Xu S., Liu X. MicroRNA profiling of plasma exosomes from patients with ovarian cancer using high‑throughput sequencing. Oncology letters. 2019; 17(6): 5601-5607. doi: 10.3892/ol.2019.10220.Zhang J, Li Y, Dong M, Wu D. Long non-coding RNA NEAT1 regulates E2F3 expression by competitively binding to miR-377 in non-small cell lung cancer. Oncol Lett. 2017 Oct;14(4):4983–4988. https://doi.org/10.3892/ol.2017.6769Zhang J., Li Y., Dong M., & Wu D. Long non‑coding RNA NEAT1 regulates E2F3 expression by competitively binding to miR‑377 in non‑small cell lung cancer. Oncology letters. 2017; 14(4): 4983-4988. doi: o10.3892/ol.2017.6769Jiang X-M, Yu X-N, Liu T-T, Zhu H-R, Shi X, Bilegsaikhan E, et al. microRNA-19a-3p promotes tumor metastasis and chemoresistance through the PTEN/Akt pathway in hepatocellular carcinoma. Biomed Pharmacother. 2018 Sep;105:1147–1154. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2018.06.097Jiang X. M., Yu X. N., Liu T. T., Zhu H. R., Shi X., Bilegsaikhan, et al. MicroRNA-19a-3p promotes tumor metastasis and chemoresistance through the PTEN/Akt pathway in hepatocellular carcinoma. Biomedicine & Pharmacotherapy. 2018; 105: 1147-1154. doi: 10.1016/j.biopha.2018.06.097Пушкин А.А., Кит О.И. Клиническая значимость паттернов экспрессии генов в глиобластомах. Конгресс молодых ученых «Актуальные вопросы фундаментальной и клинической медицины». Томск: 2018, 301-302 с. Доступно по: https://elibrary.ru/download/elibrary_36832243_25858437.pdf. Дата обращения: 05.11.2020Pushkin A. A., Kit O. I. Clinical significance of gene expression patterns in glioblastomas. Congress of Young Scientists "Topical Issues of Fundamental and Clinical Medicine"; May 24-25, 2018, Tomsk. Available at: http://tnimc.ru/upload/publications/proceedings/2018_young.pdf. Accessed: 05.11.2020. (In Russian).Liu Q, Wang J, Tang M, Chen L, Qi X, Li J, et al. The overexpression of PXN promotes tumor progression and leads to radioresistance in cervical cancer. Future Oncol. 2018 Feb;14(3):241–253. https://doi.org/10.2217/fon-2017-0474Liu Q., Wang, J., Tang M., Chen L., Qi X., Li J., et al. The overexpression of PXN promotes tumor progression and leads to radioresistance in cervical cancer. Future Oncology. 2018; 14(3): 241-253. doi: 10.2217/fon-2017-0474.Fan M, Ma X, Wang F, Zhou Z, Zhang J, Zhou D, et al. MicroRNA-30b-5p functions as a metastasis suppressor in colorectal cancer by targeting Rap1b. Cancer Lett. 2020 May 1;477:144–156. https://doi.org/10.1016/j.canlet.2020.02.021Fan M., Ma X., Wang F., Zhou Z., Zhang J., Zhou D., et al. MicroRNA-30b-5p functions as a metastasis suppressor in colorectal cancer by targeting Rap1b. Cancer Letters. 2020; 477: 144-156.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.