Kanser BiyoinformatiğiVeri Setleri: TCGA (BRCA, LUAD, COAD/READ)

Kanser Progresyonu ve Metastazında CXCR4 Kemokin Reseptörünün Rolünün Biyoinformatik Analizi: Ekspresyon, Prognoz ve İmmün İnfiltrasyon

Derece ve TezLisans Mezuniyet Tezi

Kurumİnönü Üniversitesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

Tez DanışmanıDr. Samet Kocabay

YazarUğur Cem Yıldız

Proje Özeti: CXCR4 kemokin reseptörü ve kognat ligantı CXCL12 (SDF-1); tümör hücre göçü, invazyon ve organa özgü metastaz süreçlerini yöneten temel bir eksendir. Bu tez çalışmasında; Kanser Genom Atlası (TCGA) kapsamındaki Meme İnvaziv Karsinomu (BRCA), Akciğer Adenokarsinomu (LUAD) ve Kolorektal Adenokarsinom (COAD/READ) genomik, transkriptomik ve klinik veri setleri kullanılarak CXCR4'ün çoklu kanser in silico analizi yürütülmüştür. Çalışmada diferansiyel mRNA ekspresyonu, kopya sayısı değişimleri (CNA), genel sağkalım ilişkileri, CD8+ T-hücre infiltrasyonu ve protein-protein etkileşim (PPI) ağları incelenmiş; CXCR4'ün tekdüze olumsuz bir biyobelirteç kabulünü sorgulatan dokuya özgü ve bağlama duyarlı prognostik dinamikleri ortaya konmuştur.

Araştırma Soruları ve Hipotezler

Çalışma, CXCR4'ün biyolojik davranışının ve klinik anlamının evrensel onkojenik bir modele mi uyduğunu, yoksa dokuya özgü mikroçevre dinamiklerince mi şekillendiğini sorgulamıştır:

Diferansiyel Ekspresyon: CXCR4 mRNA ekspresyonu; meme, akciğer ve kolorektal kanser tümör dokularında eşleşen normal dokulara kıyasla anlamlı derecede yüksek midir?
Genomik İticiler: Artmış CXCR4 ekspresyonu; somatik yapısal genomik değişimlerden (gen amplifikasyonları veya mutasyonlar) mi, yoksa transkripsiyonel ve mikroçevresel regülasyondan mı kaynaklanmaktadır?
Prognostik Farklılaşma: Yüksek CXCR4 ekspresyonu, farklı kanser kohortları genelinde tutarlı şekilde kısalmış genel sağkalım ile korele midir?
Mikroçevre Korelasyonu: Sağkalım ilişkisinin ters yönde ayrıştığı tümörlerde, CXCR4 ekspresyonu sitotoksik CD8+ T lenfosit immün infiltrasyonu ile ilişkili midir?

Çalışma Hipotezleri: (H1) CXCR4 katı tümörlerde genomik amplifikasyondan ziyade ağırlıklı olarak transkripsiyonel mekanizmalarla aşırı eksprese edilir. (H2) Yüksek CXCR4 ekspresyonu olumsuz prognozla ilişkilidir, ancak bu ilişki lokal tümör mikroçevresinin immün infiltrasyon durumu ile modüle edilir.

Biyoinformatik Metodoloji

Analiz, Kanser Genom Atlası'ndan (TCGA) standardize klinik kohortlar üzerinde, geçerliliği kanıtlanmış beş biyoinformatik analitik platform kullanılarak gerçekleştirilmiştir:

Adım 1

Ekspresyon Profili

BRCA, LUAD ve COAD kohortlarında tümör örnekleri ile TCGA/GTEx eşleşen normal dokuları arasındaki CXCR4 mRNA ekspresyon farkı GEPIA2 ile değerlendirildi. İstatistiksel anlamlılık tek yönlü ANOVA ile test edildi (eşik: Log2FC = 1, p < 0.01).

Adım 2

Genomik Değişimler

cBioPortal platformunda TCGA Pan-Cancer Atlas veri setleri taranarak meme, akciğer ve kolorektal kohortlarındaki mutasyon sıklığı, derin delesyonlar ve kopya sayısı durumu mRNA bolluğuna karşı incelendi.

Adım 3

Sağkalım Analizi

BRCA, LUAD ve READ kohortlarında Kaplan-Meier Plotter kullanılarak Genel Sağkalım (OS) değerlendirildi. Otomatik belirlenen optimal eşik değerleriyle Log-rank testi ve %95 Güven Aralıklı Risk Oranları (HR) hesaplandı.

Adım 4

İmmün ve PPI Ağları

TIMER2.0 dekonvolüsyon algoritmaları üzerinden CXCR4 ekspresyonu ile CD8+ T-hücre infiltrasyonu arasındaki korelasyon (Spearman Rho) incelendi. STRING veri tabanıyla protein-protein etkileşim ağları inşa edildi.

Veri Kaynakları ve Platformlar

Birincil Veri TabanlarıThe Cancer Genome Atlas (TCGA) Pan-Cancer Atlas, Genotype-Tissue Expression (GTEx)

İncelenen KohortlarMeme İnvaziv Karsinomu (BRCA), Akciğer Adenokarsinomu (LUAD), Kolorektal / Rektum Adenokarsinomu (COAD / READ)

GEPIA2Gene Expression Profiling Interactive Analysis 2 (diferansiyel kutu grafikleri, tek yönlü ANOVA)

cBioPortalKanser Genomiği Analiz Portalı (kopya sayısı değişimleri vs. mRNA ekspresyonu, OncoPrint)

Kaplan-Meier PlotterKlinik sağkalım sonuçları (Genel Sağkalım, Log-rank testi, Risk Oranları)

TIMER2.0 ve STRINGTumor Immune Estimation Resource (CD8+ T-hücre infiltrasyonu) ve STRING (PPI fonksiyonel etkileşim ağı)

Bulgular ve Bağlama Duyarlı Prognoz

1. Meme ve Kolonda Belirgin Aşırı Ekspresyon; Akciğerde Sınırlı Değişim

GEPIA2 analizleri, CXCR4 mRNA ekspresyonunun Meme İnvaziv Karsinomu (BRCA) ve Kolon Adenokarsinomunda (COAD) normal kontrollere kıyasla anlamlı derecede yüksek olduğunu gösterdi (p < 0.01). Buna karşılık Akciğer Adenokarsinomunda (LUAD) tümör ve normal dokular arasında mütevazı ve istatistiksel olarak anlamlı olmayan bir fark gözlendi.

2. Yapısal Amplifikasyon Yerine Transkripsiyonel ve Mikroçevresel İticiler

İncelenen TCGA kohortlarında CXCR4 somatik mutasyonları ve kopya sayısı amplifikasyonları oldukça nadirdi (<%2). Amplifiye örnekler genellikle yüksek ekspresyon gösterse de, "Diploid" (normal kopya sayısı) grubundaki tümörlerin büyük bir bölümü de belirgin derecede yüksek mRNA seviyeleri sergiledi. Bu durum, CXCR4 aşırı ekspresyonunun genomik amplifikasyondan ziyade transkripsiyonel regülasyon veya mikroçevresel indüksiyondan (örneğin hipoksiye bağlı HIF-1α sinyal yolağı) kaynaklandığını ortaya koydu.

3. LUAD Prognostik Paradoksu (p = 0.007)

Sağkalım sonuçları dokular arasında belirgin farklılık gösterdi. BRCA ve READ kohortlarında CXCR4 ekspresyonu ile Genel Sağkalım arasında istatistiksel olarak anlamlı bir ilişki bulunamadı (p > 0.05). Çarpıcı biçimde, Akciğer Adenokarsinomunda (LUAD) yüksek CXCR4 ekspresyonu anlamlı şekilde daha uzun genel sağkalım ile ilişkili bulundu (p = 0.007).

4. CD8+ T-Hücre İnfiltrasyonu ile Pozitif Korelasyon

TIMER2.0 analizi; çoklu algoritmalar genelinde LUAD kohortunda CXCR4 ekspresyonu ile CD8+ sitotoksik T-hücre infiltrasyonu arasında tutarlı ve pozitif bir korelasyon (Spearman Rho > 0) saptadı. Bu ilişki doğrudan bir nedensellik kanıtlamaktan ziyade, LUAD'da yüksek CXCR4 ekspresyonunun immün zenginliği yüksek, immünolojik olarak aktif ("sıcak") bir mikroçevrenin dolaylı biyobelirteci olabileceğine işaret etmektedir.

5. PPI Kemokin Ağ Bağlantısallığı

STRING fonksiyonel etkileşim ağı; CXCR4'ü CXCL12, CCL5, CXCL10, CXCL13 ve CD4'ü içeren yoğun bir kemokin ve reseptör kümesine bağladı. Bu bulgu, CXCR4'ün izole bir aktör olarak değil, koordine çok hücreli immün hücre trafiği ağının bir parçası olarak çalıştığını doğrulamaktadır.

Görsel Biyoinformatik Sonuçlar

GEPIA2 üzerinden BRCA, LUAD ve COAD veri setlerinde CXCR4 diferansiyel mRNA ekspresyonu — **Şekil 1:** GEPIA2 üzerinden elde edilen BRCA, LUAD ve COAD veri setlerinde CXCR4 diferansiyel mRNA ekspresyonu. Kırmızı kutular tümör (T), gri kutular eşleşen normal (N) dokuları temsil etmektedir. Yıldız işareti (*) istatistiksel olarak anlamlı aşırı ekspresyonu belirtir (p < 0.01).

cBioPortal'da CXCR4 kopya sayısı değişimleri ile mRNA ekspresyonu korelasyonu — **Şekil 2:** cBioPortal platformunda TCGA Pan-Cancer Atlas verileriyle CXCR4 varsayılan kopya sayısı durumu (x-ekseni) ile mRNA ekspresyonu (y-ekseni) arasındaki ilişki. Diploid tümörlerdeki yüksek ekspresyon, genomik amplifikasyondan bağımsız transkripsiyonel aktivasyonu gösterir.

BRCA, LUAD ve READ kohortlarında CXCR4 Kaplan-Meier genel sağkalım eğrileri — **Şekil 3:** Meme (BRCA), Akciğer (LUAD) ve Rektum (READ) kohortlarında CXCR4 Kaplan-Meier genel sağkalım analizleri. Yüksek ekspresyon LUAD kohortunda anlamlı şekilde olumlu genel sağkalım ile ilişkili bulunmuştur (p = 0.007).

CXCR4 ekspresyonu ile CD8+ T-hücre infiltrasyonu arasındaki ilişkiyi gösteren ısı haritası — **Şekil 4:** BRCA ve LUAD kohortlarında CXCR4 ekspresyonu ile CD8+ T-hücre infiltrasyonu arasındaki korelasyon ısı haritası (TIMER2.0). Kırmızı kutular LUAD'da tutarlı pozitif ilişkiyi (Rho > 0) göstermektedir.

STRING üzerinden elde edilen CXCR4 Protein-Protein Etkileşim ağı — **Şekil 5:** STRING aracılığıyla oluşturulan CXCR4 protein-protein etkileşim (PPI) ağı; CXCL12, CCL5, CXCL10, CXCL13 ve CD4 ile öngörülen fonksiyonel etkileşimleri göstermektedir.

Kısıtlılıklar ve Bilimsel Yorum

Yorumlama Notu

Tüm analizler hesaplamalı platformlar ve ikincil kamu veri setleri kullanılarak in silico yöntemlerle gerçekleştirilmiştir. İstatiksel korelasyonlar ve birliktelikler, doğrudan biyolojik nedensellik olarak yorumlanmamalıdır.

Protein Düzeyinde Doğrulama Eksikliği: Analiz yalnızca mRNA transkript düzeyinde yürütülmüş olup, immünohistokimya veya Western blotlama olmaksızın reseptörün protein miktarı ve hücresel lokalizasyonu (yüzey vs. nükleer inaktif bölge) doğrulanamamıştır.
Algoritmik İmmün Dekonvolüsyon: TIMER2.0 verileri fiziksel hücre ayrıştırma (akım sitometrisi) yerine transkriptomik profillerden istatistiksel çıkarımlara dayanır; sonuçlar hücresel göç mekanizmalarından ziyade dokusal ilişkileri yansıtır.
Otomatik Eşik Değerleri: Kaplan-Meier eğrilerindeki ayrımlar yazılım tarafından otomatik optimize edilen eşiklerle belirlenmiştir; bağımsız klinik denemeler ve sabit klinik eşiklerle prospektif validasyon gereklidir.
Kamu Veri Seti Heterojenliği: TCGA ve GTEx veri işleme protokollerine bağlı teknik varyasyonlar, evre dağılımları ve hastaların tedavi geçmişlerindeki çeşitlilik sonuçları etkileyebilir.

Seçilmiş Kaynakça

Chatterjee, S., Behnam Azad, B., & Nimmagadda, S. (2014). The intricate role of CXCR4 in cancer. Advances in Cancer Research, 124, 31–82. DOI: 10.1016/B978-0-12-411638-2.00002-1
Domanska, U. M. et al. (2013). A review on CXCR4/CXCL12 axis in oncology: No place to hide. European Journal of Cancer, 49(1), 219–230. DOI: 10.1016/j.ejca.2012.05.005
Furusato, B., Mohamed, A., Uhlén, M., & Rhim, J. S. (2010). CXCR4 and cancer. Pathology International, 60(7), 497–505. DOI: 10.1111/j.1440-1827.2010.02548.x
Liu, K. et al. (2015). Expression of CXCR4 and non-small cell lung cancer prognosis: A meta-analysis. Int J Clin Exp Med, 8(5), 7435–7445. PMC: PMC4503038
Luker, G. D. et al. (2021). At the Bench: Pre-clinical evidence for multiple functions of CXCR4 in cancer. Journal of Leukocyte Biology, 109(5), 969–989. DOI: 10.1002/JLB.2BT1018-715RR
Minamiya, Y. et al. (2010). Expression of the chemokine receptor CXCR4 correlates with a favorable prognosis in patients with adenocarcinoma of the lung. Lung Cancer, 68(3), 466–471. DOI: 10.1016/j.lungcan.2009.07.015
Ottaiano, A. et al. (2021). Prognostic Significance of CXCR4 in Colorectal Cancer: An Updated Meta-Analysis. Cancers, 13(13), 3284. DOI: 10.3390/cancers13133284
Spano, J.-P. et al. (2004). Chemokine receptor CXCR4 and early-stage non-small cell lung cancer. Annals of Oncology, 15(4), 613–617. DOI: 10.1093/annonc/mdh136
Wagner, P. L. et al. (2009). CXCL12 and CXCR4 in adenocarcinoma of the lung: Association with metastasis and survival. J Thorac Cardiovasc Surg, 137(3), 615–621. DOI: 10.1016/j.jtcvs.2008.07.039
Wald, O. et al. (2006). CD4+CXCR4highCD69+ T cells accumulate in lung adenocarcinoma. Journal of Immunology, 177(10), 6983–6990. DOI: 10.4049/jimmunol.177.10.6983
Xu, C., Zhao, H., Chen, H., & Yao, Q. (2015). CXCR4 in breast cancer: Oncogenic role and therapeutic targeting. Drug Des Devel Ther, 9, 4953–4964. DOI: 10.2147/DDDT.S84932
Zlotnik, A. (2008). New insights on the role of CXCR4 in cancer metastasis. The Journal of Pathology, 215(3), 211–213. DOI: 10.1002/path.2350