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影响因子：10.6

研究概述：

肺癌仍然是全世界癌症相关死亡的主要原因。作者发现TIMP1是一种肿瘤分泌蛋白，即使在小鼠的早期阶段，对侵袭性癌症也具有很高的敏感性和特异性，并在肺癌患者的血浆中验证了这一发现。作者使用免疫组织化学（IHC），先前发表的单细胞RNA-seq和bulk RNA-seq数据来评估肿瘤中TIMP1的来源和表达，使用公开的人类蛋白质组学和转录组学数据库评估了TIMP1的预后价值。这些数据支持以下发现：TIMP1的高肿瘤表达与肺癌患者的不良预后相关。

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概念图：

研究结果：

一、TIMP1是肺癌小鼠肿瘤负荷的生物标志物

1. 作者使用携带诱导KrasG12D/+和Stk11/Lkb1flox/flox (KL)等位基因的小鼠进行肿瘤分泌细胞因子和趋化因子的筛选，这是一种成熟的发展为侵袭性肺癌的基因工程小鼠模型。使用携带Cre-重组酶的吸入腺病毒诱导肿瘤后，安乐死小鼠并收集血液和肿瘤组织。

2. 使用定量了来自肿瘤裂解物和血清的45种细胞因子和趋化因子（图S1A）。与未用Cre（WT）诱导的同基因对照小鼠的水平相比，荷瘤小鼠的肿瘤和血清中只有TARC、MCP-5、白细胞介素(IL)-6和TIMP1显著升高(图1A-B)。

3. 对血清中的这些细胞因子进行了ROC曲线分析，以评估其作为生物标志物的性能：TIMP1的曲线下面积（AUC）为0.90，在所有分析中最高（图S1B和C）。

4. 接着将TIMP1的分析扩展到更大的小鼠队列（N = 127），确认了它在荷瘤小鼠中继续特异性升高（图1C）并且作为生物标志物表现良好（图1D）。TIMP1的血清和肿瘤水平与总肺质量相关（图1E），是肿瘤负荷的良好替代物（图S1D），表明肿瘤进展与TIMP1水平之间存在直接联系。

5. 对荷瘤小鼠的固定石蜡包埋肺切片进行免疫组化（IHC）确认肿瘤微环境产生TIMP1（上图1F-H）。TIMP1主要在肿瘤相关的结缔组织增生基质中检测到，包括纺锤形成纤维细胞和巨噬细胞。此外，在内皮细胞和低分化、高级别肿瘤细胞中也发现了染色。这些数据表明，TIMP1是一种肿瘤分泌因子，可用于识别患有肺癌的小鼠。

   

二、高TIMP1水平与肺癌小鼠的低生存率相关

1. 作者测量了KL小鼠血清和肿瘤裂解物中的TIMP1，并进行了Kaplan-Meyer (KM)生存分析。无论在肿瘤中(图2A)还是在血清中(图2B)，TIMP1水平较高的小鼠总生存率都较差。这些结果表明TIMP1可以作为KL小鼠的预后生物标志物。

2. 考虑到临床对早期生物标志物的需求，作者在肿瘤诱导后第5周测量了血清中TIMP1水平，这是肿瘤负荷较低的时间点。与非荷瘤小鼠(NT)相比，KL小鼠的TIMP1已经显著增加(图2C)，这表明TIMP1是肿瘤发展的早期标志物。

3. 图2D是使用第5周的TIMP1水平作为变量因子（n = 41）的KM分析：TIMP1血清浓度与较低的生存概率相关。这些数据表明TIMP1是小鼠肺癌的早期生物标志物和预后因素。

三、TIMP1由人类肺肿瘤产生，可作为人类的生物标志物

1. 虽然TIMP1水平与组织学亚型无关，但与腺癌相比，鳞癌的TIMP1水平较高(图S2A)，并且在 ROC 分析中表现稍好（图S2B）。TIMP1与年龄、性别或癌症分期无关(图S2C-D)，在LUAD CPTAC队列中，蛋白和mRNA的表达水平也与任何突变谱无关(图S2E)。因此作者得出结论，TIMP1可能是人肺癌的生物标志物。

2. 为验证在KL小鼠中发现的结果，作者测量了肺癌患者、健康供体和其他非恶性胸部病变患者血浆中TIMP1的浓度。与小鼠类似，肺癌患者的TIMP1较其它两组显著增加(图3A)。使用TIMP1浓度在健康对照和肺癌患者血浆中的ROC曲线分析表明，它作为生物标志物也表现良好(AUC 0.78)(图3B)。

3. 作者对切除的肺肿瘤及其周围健康组织进行定量PCR，以评估TIMP1是否可用于区分肿瘤与健康或良性病变。与先前结果一致，TIMP1在肿瘤中的表达明显高于周围肺实质(图3C)。4. 此外，利用CT准确诊断侵袭前/微创癌症(非实性结节)和含有侵袭性病变的实性结节仍有难度。作者探索最近发表的包含正常肺、非实性结节和实性结节的RNA测序的数据集，发现与正常肺和非实性结节相比，实性结节表达的TIMP1水平明显更高(图3D)。

5. 图3E展示人肺肿瘤中TIMP1的IHC染色遵循与KL小鼠肿瘤相似的细胞分布。在肿瘤细胞周围的间质成纤维细胞和巨噬细胞中观察到TIMP1阳性染色。一些高级别肿瘤细胞也显示TIMP1细胞质染色阳性，尤其是鳞状细胞癌和具有肉瘤特征的腺癌。

6. 因此，作者使用先前发表的人类肺癌单细胞RNA-Seq数据集进一步评估来自肿瘤微环境的哪些细胞有助于TIMP1的产生。尽管在上皮/肿瘤细胞、巨噬细胞、髓源性抑制细胞和单核细胞中都检测到TIMP1，但TIMP1表达最高的细胞是成纤维细胞(图S3A-C)。

7. 进一步研究TIMP1在肺癌成纤维细胞亚群中的表达：相比于健康肺中的相同群体，TIMP1在肿瘤外源（Adventitial）和肺泡（Alveolar）成纤维细胞中相对表达更高。而肌（Myo）成纤维细胞的肿瘤组织与健康组织之间TIMP1表达无差异，这与不良预后有关。然而无论在健康肺还是肿瘤中，肌成纤维细胞在三个亚群中都具有最高的TIMP1平均表达(图S3D)。

8. 为更好地了解导致肿瘤中TIMP1高表达的条件，作者使用所在小组最近发表的KL小鼠的肿瘤RNA测序数据，对TIMP1进行转录组学相关性分析，并专注于TIMP1表达与塑造肿瘤微环境的细胞因子和趋化因子的相关性。

TIMP1的表达与促炎细胞因子相关，如肿瘤坏死因子(TNF)-α、IL-1 α/β和IL-6家族成员，例如IL-6、IL-11、白血病抑制因子(LIF)、纤毛神经营养因子(CNTF)和Oncostatin M (图S3E)。

综上所述，这些数据表明TIMP1是在促炎环境中由肿瘤和周围基质细胞产生的，其在血浆中的浓度可以作为肺癌检测的生物标志物。

四、高TIMP1水平与肺癌患者的低生存率相关

1. 为了评估TIMP1作为肺癌患者预后因素的作用，作者挖掘了公开可用的蛋白质组学和转录组学数据集。首先评估了TCGA的泛癌图谱中的生存率，发现在鳞癌和腺癌中，较高的TIMP1 mRNA表达与不良预后相关（图4A左、右，logrank p值分别为0.0068和0.02）。这些结果与肺癌微阵列联合数据库(caBIG、GEO和TCGA)的挖掘结果相吻合(图4B ，log-rank p值为0.00011)。

2. 此外作者使用了最近发表的肺癌数据集，其中包含肿瘤的总生存期和蛋白质组学，发现较高的TIMP1蛋白水平与不良预后相关。总的来说，这些数据表明肺肿瘤中较高的TIMP1 mRNA和蛋白质水平与生存概率降低有关。

研究总结：

在这项研究中，作者假设肿瘤分泌的细胞因子和趋化因子可以作为肺癌的生物标志物并预测预后。首先在成熟的肺癌小鼠模型中进行筛选，发现TIMP1在小鼠肿瘤中高度表达，在血清中达到足够高的水平，可用作早期检测生物标志物。TIMP1水平与肿瘤负荷相关，并预测了肺癌小鼠和人类的总生存期。是小鼠和人类肺癌的敏感生物标志物，这篇论文中的数据可能对肺癌患者的早期诊断、随访和分层具有广泛的意义。