Advances in Molecular OncologyAdvances in Molecular OncologyУспехи молекулярной онкологии2313-805X2413-3787Publishing House ABV Press51310.17650/2313-805X-2023-10-1-57-78RESEARCH ARTICLESЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИGenes transcriptional activity features in different histological subtypes of tongue squamous cell carcinomaОсобенности транскрипционной активности генов в различных гистологических подтипах плоскоклеточного рака языкаhttps://orcid.org/0000-0002-8942-3733KutilinD. S.КутилинД. С.
Russian Federation

Denis Sergeevich Kutilin

63 14th Line, Rostov-on-Don 344037

Денис Сергеевич Кутилин

344037 Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

k.denees@yandex.ruDanilovaA. E.ДаниловаА. Э.
Russian Federation

63 14th Line, Rostov-on-Don 344037

344037 Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

https://orcid.org/0000-0002-9471-3903MaksimovA. Yu.МаксимовА. Ю.
Russian Federation

63 14th Line, Rostov-on-Don 344037

344037 Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

https://orcid.org/0000-0003-3998-8004SnezhkoA. V.СнежкоА. В.
Russian Federation

63 14th Line, Rostov-on-Don 344037

344037 Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

https://orcid.org/0000-0001-7293-2358EngibaryanM. A.ЕнгибарянМ. А.
Russian Federation

63 14th Line, Rostov-on-Don 344037

344037 Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

National Medical Research Center for Oncology, Ministry of Health of RussiaФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Минздрава России1501202310157783103202331032023Copyright ©; 2023, Kutilin D.S., Danilova A.E., Maksimov A.Y., Snezhko A.V., Engibaryan M.A.Copyright ©; 2023, Кутилин Д.С., Данилова А.Э., Максимов А.Ю., Снежко А.В., Енгибарян М.А.2023Kutilin D.S., Danilova A.E., Maksimov A.Y., Snezhko A.V., Engibaryan M.A.Кутилин Д.С., Данилова А.Э., Максимов А.Ю., Снежко А.В., Енгибарян М.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://umo.abvpress.ru/jour/article/view/513

Introduction. Over the past decade, tongue cancer has maintained a leading position in the overall structure of the incidence of head and neck malignant tumors. Squamous cell carcinoma of the tongue is an aggressive form and has a clinically unpredictable prognosis. Currently, there are several histological subtypes of this disease. And the search for new prognostic factors that could reflect the actual state of tumor progression and give an objective prognosis of disease development is an important research area in molecular oncology. Such factors may be certain transcriptomic characteristics of tumors, which determine the features of pathogenesis in each specific case.

Aim. To research genes transcriptional activity features in various histological subtypes of tongue squamous cell carcinoma using bioinformatic and molecular approaches.

Materials and methods. The stage of screening bioinformatics analysis was performed using an interactive web server for analyzing data on messenger RNA expression of 9736 tumors and 8587 normal samples from the The Cancer Genome Atlas (TCGA) and Genotype-Tissue Expression (GTEx) projects using a standard processing pipeline (GEPIA). The main (validation) stage of the study was performed on 300 patients with locally advanced malignant tumors of the tongue. The quantitative real-time polymerase chain reaction method was used to determine the values of the relative expression of genes identified at the stage of bioinformatic analysis.

Results. Bioinformatic analysis identified 1488 genes that increase expression and 589 genes that decrease expression in tongue squamous cell carcinoma. Of these 2077 genes, 23 genetic loci were selected that most strongly alter expression in tumor tissue relative to normal tissue of the tongue. Of these, when validated by polymerase chain reaction, only 14 changed their transcriptional profile in tumor tissue relative to normal: MMP1, MMP11, CA9, PTHLH, MMP9, LAMC2, MMP3, ANXA1, MT-ND6, CRNN, MAL, TGM3, IL1RN and CLU. The analysis of polymerase chain reaction data revealed significant heterogeneity in a number of biological samples studied. Cluster analysis made it possible to divide the total sample of 300 patients into 3 groups differing in gene expression: cluster 1 (n = 90), cluster 2 (n = 101) and cluster 3 (n = 109), corresponding to the basaloid, acantholytic and usual histological subtypes. Thus, the study made it possible to identify a number of molecular markers of tongue squamous cell carcinoma (MMP1, MMP11, CA9, PTHLH, MMP9, LAMC2, MMP3, ANXA1, MT-ND6, CRNN, MAL, TGM3, IL1RN and CLU), as well as to reveal the transcriptional features of various histological subtypes of this disease.

Введение. На протяжении последнего десятилетия рак языка сохраняет лидирующие позиции в общей структуре заболеваемости злокачественными опухолями головы и шеи. Плоскоклеточный тип рака языка является агрессивной формой и имеет клинически непредсказуемый прогноз. В настоящее время выделяют несколько гистологических подтипов этой патологии. Поиск новых прогностических факторов, которые могли бы отражать фактическое состояние опухолевой прогрессии и давать объективный прогноз развития болезни, является актуальным направлением исследований в молекулярной онкологии. Такими факторами могут выступать определенные транскриптомные характеристики опухолей, определяющие особенности патогенеза в каждом конкретном случае.

Цель исследования – изучение особенностей транскрипционной активности генов в различных гистологических подтипах плоскоклеточного рака языка с применением биоинформационных и молекулярных подходов.

Материалы и методы. Этап скринингового биоинформационного анализа выполнен с использованием интерактивного веб-сервера анализа данных по экспрессии матричной РНК 9736 образцов опухолей и 8587 образцов нормальной ткани из проектов Атлас ракового генома (The Cancer Genome Atlas, TCGA) и Genotype-Tissue Expression (GTEx) с применением стандартного конвейера обработки Gene Expression Profiling Interactive Analysis (GEPIA). В ходе основного (валидационного) этапа исследования анализировались данные 300 больных с местно-распространенными злокачественными опухолями языка. Уровень относительной экспрессии генов, выявленных на этапе биоинформационного анализа, определяли методом количественной полимеразной цепной реакции в режиме реального времени.

Результаты. В ходе биоинформационного анализа выделены 1488 генов, увеличивающих экспрессию, и 589 генов, уменьшающих экспрессию, при плоскоклеточном раке языка. Из этих 2077 генов были выбраны 23 генетических локуса, наиболее сильно изменяющих экспрессию в опухолевой ткани относительно нормальной ткани языка. Из них при валидации методом полимеразной цепной реакции только 14 изменяли свой транскрипционный профиль в опухолевой ткани относительно нормальной: MMP1, MMP11, CA9, PTHLH, MMP9, LAMC2, MMP3, ANXA1, MT-ND6, CRNN, MAL, TGM3, IL1RN и CLU. При анализе данных с помощью полимеразной цепной реакции выявлена значительная гетерогенность в ряде исследованных биологических образцов. Кластерный анализ позволил разделить общую выборку из 300 пациентов на 3 группы, различающиеся по экспрессии генов: кластер 1 (n = 90), кластер 2 (n = 101) и кластер 3 (n = 109), соответствующие базалоидному, акантолитическому и обычному гистологическим подтипам.

Заключение. Таким образом, в ходе исследования выявлен ряд молекулярных маркеров плоскоклеточного рака языка (MMP1, MMP11, CA9, PTHLH, MMP9, LAMC2, MMP3, ANXA1, MT-ND6, CRNN, MAL, TGM3, IL1RN и CLU), а также транскрипционные особенности различных гистологических подтипов этого заболевания.

gene expressiontongue squamous cell carcinomasignaling pathwayshistological subtypesmetalloproteinasesosteopontinNADH-ubiquinone oxidoreductasekeratinocyte differentiationэкспрессия геновплоскоклеточный рак языкасигнальные путигистологические подтипыметаллопротеиназыостеопонтинNADH-убихиноноксидоредуктазадифференцировка кератиноцитовЛьянова А.А., Владимирова Л.Ю., Франциянц Е.М. и др. Молекулярные основы современной таргетной терапии плоскоклеточного рака языка и слизистой дна полости рта моноклональными антителами. Злокачественные опухоли 2017;7(4):77–87. DOI: 10.18027/2224-5057-2017-7-4- 77-87 Lyanova A.A., Vladimirova L.Yu., Frantsiyants E.M. et al. Molecular basis of modern targeted therapy for squamous cell carcinoma of the tongue and oral mucosa with monoclonal antibodies. Zlokachestvennye opukholi = Malignant Tumours 2017;7(4):77–87. (In Russ.). DOI: 10.18027/2224-5057-2017-7-4- 77-87Льянова А.А., Владимирова Л.Ю., Франциянц Е.М. и др. Молекулярные основы современной таргетной терапии плоскоклеточного рака языка и слизистой дна полости рта моноклональными антителами. Злокачественные опухоли 2017;7(4):77–87. DOI: 10.18027/2224-5057-2017-7-4-77-87The global burden of cancer attributable to risk factors, 2010–19: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. Lancet 2022;400(10352):563–91. DOI: 10.1016/S0140-6736(22)01438-6Ion Ciucă Mărăşescu F.I., Marasescu P.C., Matei M. et al. Epidemiological and histopathological aspects of tongue squamous cell carcinomas-retrospective study. Curr Health Sci J 2018;44(3): 211–24. DOI: 10.12865/CHSJ.44.03.03Byers R.M., El-Naggar A.K., Lee Y.Y. et al. Can we detect or predict the presence of occult nodal metastases in patients with squamous carcinoma of the oral tongue. Head Neck 1998;20(2): 138–44. DOI: 10.1002/(sici)1097-0347(199803)20:23.0.co;2-3Neville B., Damm D., Allen C., Chi A. Oral and maxillofacial pathology. United States: Elsevier, 2015.Ferris R.L., Blumenschein G. Jr., Fayette J. et al. Nivolumab for recurrent squamous-cell carcinoma of the head and neck. N Engl J Med 2016;375:1856–67. DOI: 10.1056/NEJMoa1602252Lingen M.W., Pinto A., Mendes R.A. et al. Genetics/epigenetics of oral premalignancy: Current status and future research. Oral Dis 2011;17(1):7–22. DOI: 10.1111/j.1601-0825.2011.01789.xJones P.A., Baylin S.B. The fundamental role of epigenetic events in cancer. Nat Rev Genet 2002;3:415–28. DOI: 10.1038/nrg816Kyrgidis A., Tzellos T.G., Triaridis S. Melanoma: stem cells, sun exposure and hallmarks for carcinogenesis, molecular concepts and future clinical implications. J Carcinog 2010;9:3. DOI: 10.4103/1477-3163.62141Khan S.S., Kamboj M., Verma R., Kumar M. Epigenetics in oral cancer-neoteric biomarker. J Oral Med Oral Surg Oral Pathol Oral Radiol 2016;2:62–5.Владимирова Л.Ю., Льянова А.А., Франциянц Е.М. и др. Молекулярные механизмы резистентности к терапии моноклональными антителами у больных плоскоклеточным раком языка и слизистой дна полости рта. Злокачественные опухоли 2018;4:13–25. DOI: 10.18027/2224-5057-2018-8-4-13-25 Vladimirova L.Yu., Lyanova A.A., Frantsiyants E.M. et аl. Molecular mechanisms of resistance to monoclonal antibodies therapy patients with squamous cell carcinoma of the tongue and mucosa of the oral cavity. Zlokachestvennye opukholi = Malignant tumours 2018;8(4): 13–25. (In Russ.). DOI: 10.18027/2224-5057-2018-8-4-13-25Владимирова Л.Ю., Льянова А.А., Франциянц Е.М. и др. Молекулярные механизмы резистентности к терапии моноклональными антителами у больных плоскоклеточным раком языка и слизистой дна полости рта. Злокачественные опухоли 2018;4:13–25. DOI: 10.18027/2224-5057-2018-8-4-13-25Hema K.N., Smitha T., Sheethal H.S., Mirnalini S.A. Epigenetics in oral squamous cell carcinoma. J Oral Maxillofac Pathol 2017;21(2):252–9. DOI: 10.4103/jomfp.JOMFP_150_17Tang Z., Li Ch., Kang B. et al. GEPIA: a web server for cancer and normal gene expression profiling and interactive analyses. Nucleic Acids Res 2017;45(W1):W98–102. DOI: 10.1093/nar/gkx247Кутилин Д.С., Гусарева М.А., Кошелева Н.Г. и др. Аберрантная транскрипционная активность генов как фактор радиорезистентности клеток линии HT-29. Современные проблемы науки и образования 2020;3. Доступно по: https://scienceeducation.ru/ru/article/view?id=29831. Kutilin D.S., Gusareva M.A., Kosheleva N.G. et al. Aberrant transcriptional activity of genes as a factor of Ht-29 cells radioresistance. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya = Modern Problems of Science and Education 2020;3. (In Russ.). Available at: https://science-education.ru/ru/article/view?id=29831.Кутилин Д.С., Гусарева М.А., Кошелева Н.Г. и др. Аберрантная транскрипционная активность генов как фактор радиорезистентности клеток линии HT-29. Современные проблемы науки и образования 2020;3. Доступно по: https://scienceeducation.ru/ru/article/view?id=29831Vandesompele J., De Preter K., Pattyn F. et al. Accurate normalization of real-time quantitative RT-PCR data by geometric averaging of multiple internal control genes. Genome Biol 2002;3(7):1–12.Kutilin D.S. Regulation of gene expression of cancer/testis antigens in colorectal cancer patients. Mol Biol 2020;54:520–34. (In Russ.). DOI: 10.1134/S0026893320040093Krishnan A., Zhang R., Yao V. et al. Genome-wide prediction and functional characterization of the genetic basis of autism spectrum disorder. Nat Neurosci 2016;19(11):1454–62. DOI: 10.1038/nn.4353Димитриади Т.А., Бурцев Д.В., Дженкова Е.А., Кутилин Д.С. Дифференциальная экспрессия микроРНК и их генов-мишеней при цервикальных интраэпителиальных неоплазиях разной степени тяжести. Успехи молекулярной онкологии 2020;7(2):30–44. DOI: 10.17650/2313-805X-2020-7-2-47-61 Dimitriadi T.A., Burtsev D.V., Dzhenkova E.A., Kutilin D.S. Differential expression of microRNAs and their target genes in cervical intraepithelial neoplasias of varying severity. Uspekhi molekulyarnoy onkologii = Advances in Molecular Oncology 2020; 7(2):47–61. (In Russ.). DOI: 10.17650/2313-805X-2020-7-2-47-61Димитриади Т.А., Бурцев Д.В., Дженкова Е.А., Кутилин Д.С. Дифференциальная экспрессия микроРНК и их генов-мишеней при цервикальных интраэпителиальных неоплазиях разной степени тяжести. Успехи молекулярной онкологии 2020;7(2):30–44. DOI: 10.17650/2313-805X-2020-7-2-47-61Warde-Farley D., Donaldson S.L., Comes O. et al. The GeneMANIA prediction server: biological network integration for gene prioritization and predicting gene function. Nucleic Acids Res 2010;38(2):214–20. DOI: 10.1093/nar/gkq537Shah S., Pathak P., Gulati N. Cell signaling pathways in oral cancer: a review. J Applied Dental Med Sci 2015;1(1):69–75.Chiaradonna F., Moresco R.M., Airoldi C. et al. From cancer metabolism to new biomarkers and drug targets. Biotechnol Adv 2012;30(1):30–51. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2011.07.006Wang L., Li X. Identification of an energy metabolismrelated gene signature in ovarian cancer prognosis. Oncol Rep 2020;43(6):1755– 70. DOI: 10.3892/or.2020.7548Xing L., Guo M., Zhang X. et al. A transcriptional metabolic gene-set based prognostic signature is associated with clinical and mutational features in head and neck squamous cell carcinoma. J Cancer Res Clin Oncol 2020;146(3):621–30. DOI: 10.1007/s00432-020-03155-4Liu J., Lichtenberg T., Hoadley K.A. et al. An Integrated TCGA Pan-cancer clinical data resource to drive high-quality survival outcome analytics. Cell 2018;173(2):400–16. DOI: 10.1016/j.cell. 2018.02.052Liu J., Lichtenberg T., Hoadley K.A. et al. An Integrated TCGA Pan-cancer clinical data resource to drive high-quality survival outcome analytics. Cell 2018;173(2):400–16. DOI: 10.1016/j.cell.2018.02.052Wu X., Yao Y., Li Z. et al. Identification of a transcriptional prognostic signature from five metabolic pathways in oral squamous cell carcinoma. Front Oncol 2020;10:572919. DOI: 10.3389/ fonc.2020.572919Wu X., Yao Y., Li Z. et al. Identification of a transcriptional prognostic signature from five metabolic pathways in oral squamous cell carcinoma. Front Oncol 2020;10:572919. DOI: 10.3389/fonc.2020.572919Estilo C.L., O-charoenrat P., Talbot S. et al. Oral tongue cancer gene expression profiling: identification of novel potential prognosticators by oligonucleotide microarray analysis. BMC Cancer 2009;9:11. DOI: 10.1186/1471-2407-9-11Nagata M., Fujita H., Ida H. et al. Identification of potential biomarkers of lymph node metastasis in oral squamous cell carcinoma by cDNA microarray analysis. Int J Cancer 2003;106:683–9. DOI: 10.1002/ijc.11283Impola U., Uitto V.J., Hietanen J. et al. Differential expression of matrilysin-1 (MMP-7), 92 kD gelatinase (MMP-9), and metalloelastase (MMP-12) in oral verrucous and squamous cell cancer. J Pathol 2004;202(1):14–22. DOI: 10.1002/path.1479Zhang H., Liu J., Fu X., Yang A. Identification of key genes and pathways in tongue squamous cell carcinoma using bioinformatics analysis. Med Sci Monit 2017;23:5924–32. DOI: 10.12659/ msm.905035Zhang H., Liu J., Fu X., Yang A. Identification of key genes and pathways in tongue squamous cell carcinoma using bioinformatics analysis. Med Sci Monit 2017;23:5924–32. DOI: 10.12659/msm.905035Tallant C., Marrero A., Gomis-Rüth F.X. Matrix metalloproteinases: fold and function of their catalytic domains. Biochim. Biophys Acta 2010;1803(1):20–8. DOI: 10.1016/j.bbamcr.2009.04.003Frost S.C., McKenna R. Carbonic anhydrase: mechanism, regulation, links to disease, and industrial applications. Springer Science & Business Media, 2013.Chiche J., Brahimi-Horn M.C., Pouysségur J. Tumour hypoxia induces a metabolic shift causing acidosis: a common feature in cancer. J Cell Mol Med 2010;14(4):771–94. DOI: 10.1111/j.1582-4934.2009.00994.xTafreshi N.K., Lloyd M.C., Bui M.M. et al. Carbonic anhydrase: mechanism, regulation, links to disease, and industrial applications. Subcell Biochem 2014;5:221–54. DOI: 10.1007/978-94-007-7359-2_12Zatovicova M., Sedlakova O., Svastova E. et al. Ectodomain shedding of the hypoxia-induced carbonic anhydrase IX is a metalloprotease-dependent process regulated by TACE/ADAM17. Br J Cancer 2005;93(11):1267–76. DOI: 10.1038/sj.bjc.6602861Kirkpatrick J.P., Rabbani Z.N., Bentley R.C. et al. Elevated CAIX expression is associated with an increased risk of distant failure in early-stage cervical cancer. Biomark Insights 2008;3:45–55. DOI: 10.4137/bmi.s570Hilvo M., Baranauskiene L., Salzano A.M. et al. Biochemical characterization of CA IX, one of the most active carbonic anhydrase isozymes. J Biol Chem 2008;283(41):27799–809. DOI: 10.1074/jbc.M800938200Chiche J., Brahimi-Horn M.C., Pouysségur J. Tumour hypoxia induces a metabolic shift causing acidosis: a common feature in cancer. J Cell Mol Med 2010;14(4):771–94. DOI: 10.1111/j.1582-4934.2009.00994.xDe Simone G., Supuran C.T. Carbonic anhydrase IX: Biochemical and crystallographic characterization of a novel antitumor target. Biochim Biophys Acta 2010;1804 (2):404–9. DOI: 10.1016/ j.bbapap.2009.07.027De Simone G., Supuran C.T. Carbonic anhydrase IX: Biochemical and crystallographic characterization of a novel antitumor target. Biochim Biophys Acta 2010;1804 (2):404–9. DOI: 10.1016/j.bbapap.2009.07.027Rausch V., Sala V., Penna F. et al. Understanding the common mechanisms of heart and skeletal muscle wasting in cancer cachexia. Oncogenesis 2021;10(1):1. DOI: 10.1038/s41389-020-00288-6Sainz B., Martín B., Tatari M. et al. ISG15 is a critical microenvironmental factor for pancreatic cancer stem cells. Cancer Res 2014;74(24):7309–20. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN14-1354Zhang Z., Huang L., Zhao W., Rigas B. Annexin 1 induced by antiinflammatory drugs binds to NF-kappaB and inhibits its activation: anticancer effects in vitro and in vivo. Cancer Res 2010;70(6):2379– 88. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-09-4204GeneCards: The Human Gene Database. MAL mal, T-cell differentiation protein. Available at: https://www.genecards.org/cgibin/carddisp.pl?gene=MAL.Voet D., Voet J.G., Pratt C.W. Fundamentals of biochemistry: life at the molecular level. 4th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2013. Pp. 581–620.Li N., Zhao J., Ma Y. et al. Dissecting the expression landscape of mitochondrial genes in lung squamous cell carcinoma and lung adenocarcinoma. Oncology Letters 2018;16(3):3992–4000. DOI: 10.3892/ol.2018.9113Moon Y., Rao G., Kim J. et al. LAMC2 enhances the metastatic potential of lung adenocarcinoma. Cell Death Differ 2015;22(8):1341–52. DOI: 10.1038/cdd.2014.228Steinman L. A brief history of T(H)17, the first major revision in the T(H)1/T(H)2 hypothesis of T cell-mediated tissue damage. Nat Med 2007;13(2):139–45. DOI: 10.1038/nm1551Wang K.X., Denhardt D.T. Osteopontin: role in immune regulation and stress responses. Cytokine Growth Factor Rev 2008;19(5–6): 333–45. DOI: 10.1016/j.cytogfr.2008.08.001Sakata M., Tsuruha J.I., Masuko-Hongo K. et al. Autoantibodies to osteopontin in patients with osteoarthritis and rheumatoid arthritis. J Rheumatol 2001;28(7):1492–5.Clay R., Siddiqi S.A. Recent advances in molecular diagnostics and therapeutic targets for pancreatic cancer. Theranostic Approach Pancreatic Cancer 2019:325–67.Farrokhi V., Chabot J.R., Neubert H., Yang Z. Assessing the feasibility of neutralizing osteopontin with various therapeutic antibody modalities. Sci Rep 2018;8(1):7781.Clauss A., Lilja H., Lundwall A. A locus on human chromosome 20 contains several genes expressing protease inhibitor domains with homology to whey acidic protein. Biochem J 2002;368(1):233–42. DOI: 10.1042/BJ20020869Belaaouaj A., Kim K.S., Shapiro S.D. Degradation of outer membrane protein A in Escherichia coli killing by neutrophil elastase. Science 2000;89(5482):1185–8. DOI: 10.1126/science. 289.5482.1185Belaaouaj A., Kim K.S., Shapiro S.D. Degradation of outer membrane protein A in Escherichia coli killing by neutrophil elastase. Science 2000;89(5482):1185–8. DOI: 10.1126/science.289.5482.1185Nugteren S., den Uil S.H., Delis-van Diemen P.M. et al. High expression ofsecretory leukocyte protease inhibitor (SLPI) in stage III microsatellite stable colorectal cancer is associated with reduced disease recurrence. Sci Rep 2022;12:12174. DOI: 10.1038/s41598-022-16427-5Chen S.H., Hsiao S.Y., Chang K.Y., Chang J.Y. New insights into oral squamous cell carcinoma: from clinical aspects to molecular tumorigenesis. Int J Mol Sci 2021;22(5):2252. DOI: 10.3390/ijms22052252