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背景:胶质母细胞瘤(glioblastoma,GBM)是常见的原发恶性脑瘤,疾病进展快,致死率高,患者五年生存率仅为9%,绝大多数病例的发病原因及具体分子机制尚未明确。胶质母细胞瘤在临床治疗中通常在充分考虑重要功能区的前提下采用手术方法进行极大切除。放射治疗作为胶质母细胞瘤临床常规治疗步骤之一,可显著延长患者生存时间,但无法有效阻止肿瘤复发。治疗中极易发生的放疗抵抗现象是造成胶质母细胞瘤高复发率和高死亡率的主要原因之一。基因组甲基化修饰异常能够导致包括肿瘤在内的多种疾病,大量研究表明DNA甲基化与胶质母细胞瘤预后密切相关。G-CIMP(Glioma CpG Island Methylation Phenotype)是指在胶质瘤中一组特定的DNA启动子区域呈高甲基化,带有G-CIMP分子特征的患者具有显著较好预后。替莫唑胺(temozolomide,TMZ)是胶质母细胞瘤临床治疗常用化疗药物之一,其作用机制是通过烷基化作用破坏肿瘤细胞DNA分子引起细胞死亡,而由MGMT基因编码的蛋白具有DNA修复功能,研究发现MGMT基因启动子区域高甲基化的患者可显著受益于替莫唑胺治疗。基于甲基化数据对胶质瘤样本进行无监督聚类,聚类结果可将低级别胶质瘤(LGG)样本和高级别胶质瘤(GBM)样本很好地区分。胶质瘤干样细胞(glioma stem-like cells,GSC)既具有肿瘤初始细胞的特征,如具有无限增殖及形成肿瘤的能力,又在体细胞突变、拷贝数变异、基因表达等方面完整保留了肿瘤细胞的遗传特征,已被证实在产生放疗抵抗性中发挥重要作用。根据大量研究结果形成的GSC假说认为GSC是GBM的肿瘤初始细胞,虽然在肿瘤组织中所占比例很小,但在肿瘤形成、生长及治疗中都起到关键作用。方法:本课题以胶质瘤干样细胞为基础模型,基于GSC样本HM 450K甲基化芯片数据对放疗抵抗组与放疗敏感组样本进行差异甲基化分析,计算位点在两组样本间beta值均值之差,利用R语言中函数pnorm()获得beta差值的累积分布(p值),本课题中此处显著性阈值设为0.001,p<0.001的位点为放疗敏感标记,p>0.999的位点为放疗抵抗标记。以上述甲基化标记及甲基化芯片数据为输入,利用单样本基因集富集分析工具ssGSEA(Single Sample Gene Set Enrichment Analysis)对TCGA GBM样本进行分类。应用R包survival对分类后GBM样本进行生存分析。应用工具GSEA、基于分类后GBM样本表达数据进行功能富集分析。综合甲基化芯片数据和表达数据进行关联分析,计算位点甲基化水平和基因表达丰度的皮尔森相关系数。结果:经差异甲基化分析发现放射敏感与放射抵抗的GSC样本间存在特定区域的甲基化水平差异,且放射抵抗组GSC样本呈整体高甲基化。差异甲基化区域涉及的基因包括ERBB2、WWTR1、HIST1H3G、HMG20B等,参与细胞增殖、细胞周期调控、DNA修复、染色体稳定性、上皮间质转化及胚胎干细胞自我更新等诸多重要生物过程。被分类为放疗敏感组的TCGAGBM样本有较长生存时间、受益于放射治疗。在放疗敏感和放疗抵抗两组样本间差异表达的基因包括SATB1、HSPA2、CCND1、CDKN1A、MYC、SOD2等,主要参与细胞周期调控、氧化应激、高温应激和凋亡信号通路等重要生物学过程。相关性分析发现在GSC模型和TCGA GBM样本两组数据集中共同差异甲基化位点的甲基化水平与在肿瘤相关生物通路中失调基因的表达水平呈中度相关。结论:本课题研究结果表明基于GSC模型得到的放疗敏感甲基化标记可对GBM样本进行分类和有效的预后预测,验证了我们基于GSC假说提出的假设——具有与放疗敏感组GSC相同(相似)甲基化标记的GBM患者有较好预后;在放疗敏感和放疗抵抗组样本间差异甲基化或差异表达的基因参与诸多肿瘤相关生物过程,在GBM放射治疗产生抵抗现象过程中发挥重要作用。