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        YTH基因家族在肝癌中的表達(dá)和預(yù)后價(jià)值

        2021-08-10 01:39:42胡寬姚磊李娟妮
        中國(guó)普通外科雜志 2021年7期
        關(guān)鍵詞:肝癌數(shù)據(jù)庫(kù)分析

        胡寬,姚磊,李娟妮

        (中南大學(xué)湘雅醫(yī)院1.肝臟外科2.病理科,湖南長(zhǎng)沙410008)

        肝癌是全球癌癥相關(guān)死亡的最主要原因之一,其發(fā)病率和病死率均位居所有癌癥類(lèi)型的前列[1]。盡管近年來(lái)不斷有針對(duì)肝癌的各類(lèi)藥物研發(fā)出來(lái),但由于其極高的惡性程度與發(fā)病的隱匿性,大多數(shù)肝癌患者的臨床結(jié)局依舊很差,只有不到30%的肝癌患者能接受手術(shù)治療[2]。因此,探索新的診斷、預(yù)后標(biāo)志物和分子靶點(diǎn)對(duì)于改善肝癌患者的生存具有重要價(jià)值。

        RNA 甲基化的失調(diào)與癌癥的發(fā)生和進(jìn)展密切相關(guān)[3]。N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine,m6A)修飾作為最常見(jiàn)的RNA 甲基化調(diào)控手段近來(lái)受到了廣泛的關(guān)注,有望成為新的抗癌治療靶點(diǎn)[4]。YTH(YT521-B homology family)基因家族成員共有5 個(gè),都能編碼具有m6A 識(shí)別功能的閱讀蛋白,因在結(jié)構(gòu)上都擁有一段高度保守的YTH 結(jié)構(gòu)域而得名。這5 名家族成員又進(jìn)一步分為3 類(lèi):YTHDC1(YTH domain-containing 1)、YTHDC2(YTH domaincontaining 2)和YTHDF(YTH m6A-binding protein),其中YTHDF 包含YTHDF1-3。研究表明,YTH 基因家族成員與多種類(lèi)型癌癥的發(fā)生發(fā)展都存在相關(guān)性。例如,乳腺癌細(xì)胞中ALKBH5 的下調(diào)可導(dǎo)致乳腺癌干細(xì)胞數(shù)量減少,進(jìn)而顯著降低乳腺癌的成瘤能力[5]。此外,敲低YTHDF2 的表達(dá)導(dǎo)致了胰腺癌細(xì)胞的侵襲性增加。又有報(bào)道表明在鼻咽癌中,YTHDC2 可以通過(guò)激活A(yù)kt 信號(hào)通路來(lái)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的放療抵抗[6]。然而,目前尚未有關(guān)于YTH 基因家族在肝癌發(fā)生發(fā)展中的表達(dá)和功能的系統(tǒng)研究。

        本研究旨在通過(guò)多種公共數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)一步拓寬對(duì)YTH 基因家族在肝癌中作用的理解,從而為肝癌的診斷和治療提供新的視角。本研究評(píng)估了肝癌中各個(gè)YTH 基因家族成員的表達(dá)情況、預(yù)后價(jià)值、功能及通路富集分析,并討論了腫瘤免疫細(xì)胞浸潤(rùn)與YTH 家族的相關(guān)性。

        1 資料與方法

        1.1 ULCAN和GEPIA2

        ULCAN 是TCGA 和GTEx 數(shù)據(jù)來(lái)源的綜合表達(dá)分析數(shù)據(jù)庫(kù)[7]。通過(guò)ULCAN 分析肝癌和正常肝組織中各YTH 家族成員的表達(dá)差異,并分析其表達(dá)與臨床TNM 分期和腫瘤分級(jí)的關(guān)系。GEPIA2 數(shù)據(jù)庫(kù)[8]用于分析YTH 家族分子之間的相關(guān)性。P<0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

        1.2 Kaplan-Meier plotter

        Kaplan-Meier plotter 數(shù)據(jù)庫(kù)用于評(píng)估特定基因表達(dá)水平在癌癥中的預(yù)后作用[9]。本研究通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)分別評(píng)估了各YTH 家族成員的表達(dá)與肝癌患者總生存期(overall survival,OS)、無(wú)復(fù)發(fā)生存期(recurrence free survival,RFS)的相關(guān)性。P<0.05 被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

        1.3 cBioPorta和Cytoscape

        cBioPortal 是一個(gè)癌癥基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù),提供不同類(lèi)型癌癥的基因組改變數(shù)據(jù)的下載和分析[10]。使用cBioPortal 分析包含了360 例肝癌患者的數(shù)據(jù)集(TCGA,F(xiàn)irehose Legacy)來(lái)探究YTH 家族的基因改變情況,并篩選肝癌中YTH 相關(guān)基因,共篩選出155 個(gè)YTH 相關(guān)基因,然后通過(guò)Cytoscape 軟件生成蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)圖。

        1.4 WebGestalt

        WebGestalt 是一個(gè)綜合性的在線工具,支持基因集富集分析和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鯷11]。本研究通過(guò)該工具對(duì)YTH 的相關(guān)基因進(jìn)行GO 功能富集分析和KEGG 通路富集分析。

        1.5 TIMER 2.0

        Timer 2.0 是一個(gè)公共資源平臺(tái),提供各種癌癥中免疫細(xì)胞浸潤(rùn)的綜合分析[12]。本研究中,通過(guò)該平臺(tái)的“免疫關(guān)聯(lián)”模塊以獲得散點(diǎn)圖,該散點(diǎn)圖顯示了YTH 家族蛋白的表達(dá)與不同類(lèi)型浸潤(rùn)免疫細(xì)胞(CD4+T 細(xì)胞、CD8+T 細(xì)胞、B 細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞)之間的相關(guān)性。

        2 結(jié)果

        2.1 YTH基因家族在肝癌中的表達(dá)

        通過(guò)UALCAN 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)肝癌組織中所有的YTH 基因家族成員的mRNA 表達(dá)與鄰近正常組織相比均明顯升高(圖1A)。此外,肝癌中每個(gè)YTH 成員的表達(dá)豐度各不相同,結(jié)果顯示:YTHDC2 的相對(duì)表達(dá)量在YTH 家族成員中最低,而YTHDF2 的表達(dá)量最高(圖1B)。根據(jù)不同的TNM分期劃分肝癌亞組,發(fā)現(xiàn)YTH 家族分子的表達(dá)在亞組間呈現(xiàn)一定的差異,結(jié)果表明YTHDC1、YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3 趨勢(shì)相同,在1、2、3 期中其表達(dá)水平逐漸升高,但在4 期中表達(dá)下降,并與正常組織相比無(wú)差異(圖2A)。進(jìn)一步探究YTH 表達(dá)與腫瘤分級(jí)的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的趨勢(shì),即YTH 家族分子在腫瘤的1、2、3 級(jí)中其表達(dá)水平依次升高,但在4 級(jí)中表達(dá)下降(圖2B)。上述結(jié)果提示:YTH 家族可能參與肝癌的腫瘤進(jìn)程,終末期肝癌患者較差的全身狀況可能參與YTH 家族分子表達(dá)水平的下降。

        圖1 YTH基因家族表達(dá)分析A:YTH家族各成員在肝癌及正常肝組織中的mRNA表達(dá)差異(ULCAN);B:肝癌中YTH家族各成員的相對(duì)表達(dá)水平(GEPIA2)Figure 1 Analysis of the mRNA expression profiles of YTH familyA:Differences in mRNA expression profiles between HCC and normal liver tissue(ULCAN);B:The relative expression levels of individual YTH members in HCC(GEPIA2)

        圖2 YTH基因家族的表達(dá)與肝癌患者臨床TNM分期及腫瘤分級(jí)的相關(guān)性(ULCAN)A:YTH家族各成員的表達(dá)與TNM分期的相關(guān)性分析;B:YTH家族各成員的表達(dá)與腫瘤分級(jí)的相關(guān)性分析Figure 2 The relationship between the mRNA expression of YTH family and clinical stage and tumor grade in HCC(ULCAN)A:Association of the mRNA expression of YTH family with clinical stage;B:Association of the mRNA expression of YTH family with tumor grade

        2.2 YTH基因家族在肝癌患者預(yù)后中的作用

        為了進(jìn)一步評(píng)估YTH 家族在肝癌患者中的預(yù)后價(jià)值,通過(guò)Kaplan-Meier plotter 數(shù)據(jù)庫(kù)分析了YTH 家族成員的表達(dá)與OS、RFS 之間的相關(guān)性。結(jié)果顯示:YTHDF1(P<0.01)、YTHDF2(P<0.05)的高表達(dá)與肝癌患者較差的OS 顯著相關(guān);關(guān)于RFS 的結(jié)果顯示:YTHDF1(P<0.001)、YTHDF2(P<0.05)的高表達(dá)與肝癌患者較差的RFS 顯著相關(guān),然后YTHDF3(P<0.01)的高表達(dá)與肝癌患者較好的RFS 相關(guān)(圖3)。上述結(jié)果提示:YTHDF1和YTHDF2 的高表達(dá)均與患者更短的OS 和RFS 密切相關(guān),是肝癌潛在的預(yù)后標(biāo)志物。

        圖3 YTH基因家族與肝癌患者預(yù)后的關(guān)系(Kaplan-Meier plotter)A:YTH基因家族在肝癌患者中的OS曲線;B:YTH基因家族在肝癌患者中的RFS曲線Figure 3 The relationship between mRNA expression of YTH family and prognosis of HCC patients(Kaplan-Meier Plotter)A:The OS curves of YTH family in HCC patients;B:The RFS curves of YTH family in HCC patients

        2.3 YTH基因家族在肝癌中的遺傳學(xué)改變

        通過(guò)TCGA 數(shù)據(jù)庫(kù)和cBioPortal 工具,進(jìn)一步分析肝癌中YTH 基因家族基因改變的頻率和類(lèi)型。如圖4所示,YTHDF3 基因變異率為25%,是YTH家族中最高的。YTHDC1 基因變異率為7%,為YTH 家族中最低。其他家族成員的基因改變頻率分別為18%(YTHDF1),11%(YTHDF2)和8%(YTHDC2)。在360 例肝癌患者/樣本中,有187 例檢測(cè)到Y(jié)TH 成員的遺傳變異,其總變異率為52%。另外,在遺傳變異類(lèi)型方面,YTH 家族成員的主要遺傳變異類(lèi)型包括:基因擴(kuò)增、基因缺失、錯(cuò)義突變和截短突變等(圖4A)。通過(guò)GEPIA2 數(shù)據(jù)庫(kù)分析YTH 基因家族分子之間的相關(guān)性,結(jié)果顯示:YTHDC1 和YTHDC2 之間,以及YTHDC1 和YTHDC3 之間關(guān)系較為密切(圖4B)。

        圖4 YTH 基因家族在肝癌中的遺傳學(xué)改變及家族成員之間相關(guān)性分析A:肝癌中各YTH 家族成員的基因改變頻率(cBioPortal);B:YTH家族各成員互相之間的相關(guān)性(GEPIA2)Figure 4 Genetic alterations and correlation analysis of YTH family in HCCA:Summary of alteration rates for YTH family in HCC(cBioPortal);B:Correlation between each YTH member in HCC(GEPIA2)

        2.4 YTH基因家族相關(guān)分子的功能及通路富集分析

        首先,通過(guò)cBioPortal 數(shù)據(jù)庫(kù)鑒定出肝癌中與YTH 基因家族最密切相關(guān)的155 個(gè)基因,并利用Cytoscape 軟件構(gòu)建了蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖(PPI),結(jié)果顯示:IGF1、PCK1、CYP2B6 和ESR1 與肝癌中YTH 家族的功能密切相關(guān)(圖5A)。隨后利用WebGestalt 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)155 個(gè)YTH 相關(guān)基因進(jìn)行了GO功能富集分析,結(jié)果顯示:YTH 相關(guān)基因功能主要涉及生物調(diào)節(jié)、能量代謝、應(yīng)激反應(yīng)、多細(xì)胞生物過(guò)程、生物定位及發(fā)育過(guò)程等環(huán)節(jié)。YTH 相關(guān)基因主要在以下細(xì)胞及細(xì)胞外成分中高度富集:細(xì)胞膜、細(xì)胞外間隙、囊泡、細(xì)胞核、內(nèi)膜系統(tǒng)、膜封閉腔、細(xì)胞漿、含蛋白質(zhì)復(fù)合物等等。在分子功能方面,蛋白質(zhì)結(jié)合、離子結(jié)合、水解酶活性、核酸結(jié)合、分子轉(zhuǎn)導(dǎo)活性、轉(zhuǎn)移酶活性是富集度最高的(圖5B)。此外,KEEG 信號(hào)通路富集分析結(jié)果顯示:YTH 相關(guān)蛋白與以下通路密切相關(guān):藥物分解代謝、外源性刺激反應(yīng)、激素代謝、固醇類(lèi)代謝、脂代謝、小分子的分解過(guò)程以及有機(jī)酸的生物合成功能(圖5C)。

        圖5 YTH 基因家族相關(guān)分子的功能及通路富集分析A:肝癌中155 個(gè)YTH 基因家族相關(guān)分子的蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)圖(cBioPortal,Cytoscape);B:GO 功能富集分析預(yù)測(cè)與YTH 家族相關(guān)的生物過(guò)程、細(xì)胞成分、分子功能(WebGestalt);C:KEGG通路富集分析預(yù)測(cè)與YTH家族相關(guān)的信號(hào)通路(WebGestalt)Figure 5 Predicted functions and pathways of the relevant molecules of YTH familyA:Protein-protein interaction(PPI)of the 55 co-expressed genes of YTH family in HCC(cBioPortal and Cytoscape);B:GO functional enrichment analysis of the relevant biological process,cellular components and molecular functions of YTH family(WebGestalt);C:KEGG pathway analysis of the relevant signal pathways of YTH family(WebGestalt)

        2.5 YTH基因家族與腫瘤免疫細(xì)胞浸潤(rùn)的相關(guān)性

        腫瘤中的免疫細(xì)胞浸潤(rùn)是腫瘤微環(huán)境不可或缺的組成部分,也是反映預(yù)后和淋巴轉(zhuǎn)移狀態(tài)的獨(dú)立指標(biāo)。通過(guò)TIMER 2.0 數(shù)據(jù)庫(kù)分析腫瘤免疫細(xì)胞浸潤(rùn)與YTH 基因家族各成員之間的相關(guān)性。結(jié)果顯示:YTH 基因家族成員與各類(lèi)免疫浸潤(rùn)細(xì)胞的相關(guān)性是高度一致的,即所有家族成員的表達(dá)均與CD4+T 細(xì)胞、B 細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和樹(shù)突細(xì)胞的浸潤(rùn)呈顯著性正相關(guān),與巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)呈負(fù)相關(guān)。除YTHDF3 外,其余4 個(gè)YTH 家族成員與CD8+T 細(xì)胞浸潤(rùn)呈正相關(guān)(圖6)。以上數(shù)據(jù)表明YTH 基因家族可能因其YTH 結(jié)構(gòu)域的高度保守性,在肝癌腫瘤免疫細(xì)胞浸潤(rùn)的機(jī)制中發(fā)揮重要的作用。

        圖6 TIMER 2.0數(shù)據(jù)庫(kù)分析YTH基因家族與腫瘤免疫細(xì)胞浸潤(rùn)的相關(guān)性Figure 6 The correlation analysis between YTH family expression and immune cell infiltrations using TIMER2.0

        3 討論

        YTH 基因家族成員作為重要的m6A 閱讀蛋白,通過(guò)與含m6A 的mRNA 特異性結(jié)合來(lái)調(diào)控靶RNA甲基化[13-14]。RNA 甲基化是廣泛參與人類(lèi)各種生物過(guò)程的一種重要的轉(zhuǎn)錄后修飾過(guò)程[15-16]。近年來(lái)m6A RNA 甲基化研究不斷揭示了其在各類(lèi)癌癥的發(fā)生和發(fā)展中的促進(jìn)作用,繼而逐漸成為腫瘤學(xué)研究和靶向藥物開(kāi)發(fā)的新方向[17]。因此YTH 基因家族在各類(lèi)腫瘤的機(jī)制研究中具有巨大的潛在價(jià)值。已有研究[18]表明,YTHDF1 是肝細(xì)胞癌的致癌基因,其在肝癌患者中過(guò)度表達(dá)并且與不良預(yù)后相關(guān),其作用機(jī)制可能是通過(guò)Snail 介導(dǎo)m6A 依賴性WNT/β-catenin 通路的激活而實(shí)現(xiàn)的。而YTH 家族的另一個(gè)分子YTHDF2 在肝癌中的作用則表現(xiàn)出矛盾的兩面性,一方面它通過(guò)m6A 依賴性的方式作為致癌基因參與肝癌的進(jìn)展,另一方面又被證明其通過(guò)EGFR 和ERK/MAPK 通路發(fā)揮抑癌作用[19]。在卵巢癌中,YTHDF1 明顯高表達(dá),并與較差的臨床結(jié)果相關(guān),YTHDF1 通過(guò)促進(jìn)EIF3C 的m6A 修飾翻譯在體內(nèi)和體外加速卵巢癌的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移[20]。在肺癌中,YTHDF2 的表達(dá)異常升高,可能通過(guò)磷酸戊糖途徑誘導(dǎo)的5-磷酸核糖和NADPH 機(jī)制通路促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖和生長(zhǎng)[21]。而YTHDF1 則被證明可以促進(jìn)非小細(xì)胞肺癌中癌細(xì)胞的增殖,但是其高表達(dá)與更好的預(yù)后和化療敏感性相關(guān),表明了YTHDF1 在肺癌機(jī)制研究中的復(fù)雜性[22]。以上研究從不同的角度證實(shí)了單個(gè)YTH 家族成員在不同腫瘤中的重要性。

        從YTH 基因家族的整體角度出發(fā),本研究首次系統(tǒng)分析了肝癌中各YTH 家族成員的表達(dá)、預(yù)后價(jià)值、免疫浸潤(rùn)和相關(guān)功能。首先初步探索了YTH 基因家族在肝癌中的表達(dá)譜系差異,發(fā)現(xiàn)5 個(gè)YTH 家族成員(YTHDC1、YTHDC2、YTHDF1、YTHDF2 和YTHDF3)的表達(dá)在肝癌中均顯著升高,表明YTH 家族分子均有作為肝癌致癌基因的潛力。隨后分析了YTH 家族分子的預(yù)后價(jià)值,并分析其預(yù)后價(jià)值是否與表達(dá)趨勢(shì)相一致,結(jié)果顯示:只有YTHDF1 和YTHDF2 的高表達(dá)都與較差的OS 和RFS 顯著相關(guān)。YTHDC1、YTHDC2、YTHDF3 雖有在肝癌中表達(dá)較正常肝組織為高,但這種高表達(dá)在OS 或RFS 生存分析中并無(wú)意義。以上結(jié)果表明YTHDF1 和YTHDF2 是潛在的肝癌促癌基因,可作為潛在的預(yù)后分子和新的治療靶點(diǎn),從而改善肝癌患者的生存。后續(xù)還需更多的實(shí)驗(yàn)和臨床研究來(lái)進(jìn)一步探究YTHDF1 和YTHDF2 發(fā)揮促癌作用的具體機(jī)制,為其作為潛在的肝癌治療的新靶點(diǎn)提供更確鑿的依據(jù)。

        YTH 家族成員在各類(lèi)腫瘤(特別是肝癌)中的相關(guān)研究結(jié)果顯示:YTHDC2 的表達(dá)在肝癌組織中明顯增加,并與腫瘤惡性程度呈正相關(guān)[23]。另一報(bào)道則提出YTHDF1 在肝癌中高表達(dá),并與較差的臨床結(jié)局相關(guān)[24]。此外,有研究[25]發(fā)現(xiàn)YTHDF2參與METTL3 介導(dǎo)的SOCS2 轉(zhuǎn)錄后沉默,從而在肝癌中發(fā)揮促癌作用。上述其他各團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)論與本課題的結(jié)論相一致。但也有文獻(xiàn)[26]提出了YTHDC2 作為肝癌抑癌基因的相反結(jié)論,意味著YTHDC2 參與調(diào)控肝癌機(jī)制的復(fù)雜性和異質(zhì)性。YTH 家族分子也參與了很多其他類(lèi)型癌癥的進(jìn)展,例如YTHDC2 可以通過(guò)m6A 修飾促進(jìn)肺癌細(xì)胞中6PGD mRNA 的翻譯。YTHDC2 通過(guò)缺氧/HIF-1α/Twist1 信號(hào)通路在結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移中發(fā)揮促癌[27]。因此,YTH 基因家族(特別是YTHDF1、YTHDF2)在肝癌中的作用機(jī)制值得進(jìn)一步深入的探索。

        本研究通過(guò)對(duì)篩選的肝癌中與YTH 家族相關(guān)的基因進(jìn)行功能和通路富集分析,進(jìn)一步拓寬了我們對(duì)YTH 家族在肝癌發(fā)生發(fā)展過(guò)程中作用的認(rèn)識(shí)。YTH 家族的主要功能指向代謝及生物合成及分解功能的調(diào)節(jié),尤其是激素代謝、固醇類(lèi)代謝、脂代謝、藥物分解代謝等,而肝臟是人體最重要的代謝器官,上述分析結(jié)果提示:YTH 家族的表達(dá)異??赡芡ㄟ^(guò)代謝相關(guān)通路的改變參與肝癌進(jìn)程。另外,近年來(lái)很多報(bào)道發(fā)現(xiàn)m6A 甲基化在腫瘤免疫中發(fā)揮著重要的作用。腫瘤中免疫細(xì)胞浸潤(rùn)譜可以作為新的生物標(biāo)志物,從而有效改善多種癌癥的診斷和預(yù)后[28-29]。本研究發(fā)現(xiàn):在肝癌中多數(shù)YTH 家族成員的表達(dá)與CD4+T 細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞、B 細(xì)胞、中性粒細(xì)胞以及樹(shù)突細(xì)胞的浸潤(rùn)呈顯著正相關(guān),與巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)呈顯著負(fù)相關(guān)。據(jù)文獻(xiàn)[30]報(bào)道:CD4+T 細(xì)胞、CD8+T 細(xì)胞、樹(shù)突細(xì)胞通常被認(rèn)為通過(guò)免疫反應(yīng)抑制癌癥進(jìn)展,但各種免疫逃避機(jī)制可能導(dǎo)致上述免疫細(xì)胞雖然能夠大量浸潤(rùn)入腫瘤,卻無(wú)法發(fā)揮免疫抗癌功能,反而通過(guò)正反饋機(jī)制進(jìn)一步加劇了免疫細(xì)胞的浸潤(rùn)。上述研究結(jié)論部分解釋了本研究的發(fā)現(xiàn),提示YTH 家族成員(尤其是YTHDF1、YTHDF2)的異常表達(dá)可能通過(guò)某種特定機(jī)制改變肝癌中免疫細(xì)胞浸潤(rùn)的構(gòu)成比,從而影響臨床結(jié)果和免疫治療的療效。本研究后續(xù)擬通過(guò)體外及體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究YTHDF1 和YTHDF2 在肝癌免疫調(diào)節(jié)中所發(fā)揮的具體作用,為臨床肝癌患者新治療方案的發(fā)現(xiàn)提供更多的理論依據(jù)。

        綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)YTH 基因家族在肝癌中異常高表達(dá),YTH 家族成員(尤其是YTHDF1、YTHDF2)是潛在的預(yù)后標(biāo)志物和新的治療靶點(diǎn),進(jìn)一步的深入研究將促使更多肝癌患者的生存受益。

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