Communications for Statistical Applications and Methods
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v.26
no.4
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pp.411-430
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2019
Tumor development is driven by complex combinations of biological elements. Recent advances suggest that molecularly distinct subtypes of breast cancers may respond differently to pathway-targeted therapies. Thus, it is important to dissect pathway disturbances by integrating multiple molecular profiles, such as genetic, genomic and epigenomic data. However, missing data are often present in the -omic profiles of interest. Motivated by genomic data integration and imputation, we present a new statistical framework for pathway significance analysis. Specifically, we develop a new strategy for imputation of missing data in large-scale genomic studies, which adapts low-rank, structured matrix completion. Our iterative strategy enables us to impute missing data in complex configurations across multiple data platforms. In turn, we perform large-scale pathway analysis integrating gene expression, copy number, and methylation data. The advantages of the proposed statistical framework are demonstrated through simulations and real applications to breast cancer subtypes. We demonstrate superior power to identify pathway disturbances, compared with other imputation strategies. We also identify differential pathway activity across different breast tumor subtypes.
The small GTPase RhoA has been studied extensively for its role in actin dynamics. In this study, multiple bioinformatics tools were applied cooperatively to the microarray dataset GSE64714 to explore previously unidentified functions of RhoA. Comparative gene expression analysis revealed 545 differentially expressed genes in RhoA-null cells versus controls. Gene set enrichment analysis (GSEA) was conducted with three gene set collections: (1) the hallmark, (2) the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathway, and (3) the Gene Ontology Biological Process. GSEA results showed that RhoA is related strongly to diverse pathways: cell cycle/growth, DNA repair, metabolism, keratinization, response to fungus, and vesicular transport. These functions were verified by heatmap analysis, KEGG pathway diagramming, and direct acyclic graphing. The use of multiple gene set collections restricted the leakage of information extracted. However, gene sets from individual collections are heterogenous in gene element composition, number, and the contextual meaning embraced in names. Indeed, there was a limit to deriving functions with high accuracy and reliability simply from gene set names. The comparison of multiple gene set collections showed that although the gene sets had similar names, the gene elements were extremely heterogeneous. Thus, the type of collection chosen and the analytical context influence the interpretation of GSEA results. Nonetheless, the analyses of multiple collections made it possible to derive robust and consistent function identifications. This study confirmed several well-described roles of RhoA and revealed less explored functions, suggesting future research directions.
The Hippo signaling pathway plays an essential role in adult tissue homeostasis and organ size control. Abnormal regulation of Hippo signaling can be a cause for multiple types of human cancers. Since the awareness of the importance of the Hippo signaling in a wide range of biological fields has been continually grown, it is also understood that a thorough and well-rounded comprehension of the precise dynamics could provide fundamental insights for therapeutic applications. Several components in the Hippo signaling pathway are known to be targeted for proteasomal degradation via ubiquitination by E3 ligases. ${\beta}-TrCP$ is a well-known E3 ligase of YAP/TAZ, which leads to the reduction of YAP/TAZ levels. The Hippo signaling pathway can also be inhibited by the E3 ligases (such as ITCH) which target LATS1/2 for degradation. Regulation via ubiquitination involves not only complex network of E3 ligases but also deubiquitinating enzymes (DUBs), which remove ubiquitin from its targets. Interestingly, non-degradative ubiquitin modifications are also known to play important roles in the regulation of Hippo signaling. Although there has been much advanced progress in the investigation of ubiquitin modifications acting as regulators of the Hippo signaling pathway, research done to date still remains inadequate due to the sheer complexity and diversity of the subject. Herein, we review and discuss recent developments that implicate ubiquitin-mediated regulatory mechanisms at multiple steps of the Hippo signaling pathway.
To study the gene expression change and possible signal pathway during androgen-dependent prostate cancer (ADPC) becoming androgen-independent prostate cancer (AIPC), an LNCaP cell model of AIPC was established using flutamide in combination with androgen-free environment inducement, and differential expression genes were screened by microarray. Then the biological process, molecular function and KEGG pathway of differential expression genes are analyzed by Molecule Annotation System (MAS). By comparison of 12,207 expression genes, 347 expression genes were acquired, of which 156 were up-ragulated and 191 down-regulated. After analyzing the biological process and molecule function of differential expression genes, these genes are found to play crucial roles in cell proliferation, differntiation, cell cycle control, protein metabolism and modification and other biological process, serve as signal molecules, enzymes, peptide hormones, cytokines, cytoskeletal proteins and adhesion molecules. The analysis of KEGG show that the relevant genes of AIPC transformation participate in glutathione metabolism, cell cycle, P53 signal pathway, cytochrome P450 metabolism, Hedgehog signal pathway, MAPK signal pathway, adipocytokines signal pathway, PPAR signal pathway, TGF-${\beta}$ signal pathway and JAK-STAT signal pathway. In conclusion, during the process of ADPC becoming AIPC, it is not only one specific gene or pathway, but multiple genes and pathways that change. The findings above lay the foundation for study of AIPC mechanism and development of AIPC targeting drugs.
How the organ size is adjusted to the proper size during development and how organs know that they reach the original size during regeneration remain long-standing questions. Based on studies using multiple model organisms and approaches for over 20 years, a consensus has been established that the Hippo pathway plays crucial roles in controlling organ size and maintaining tissue homeostasis. Given the significance of these processes, the dysregulation of the Hippo pathway has also implicated various diseases, such as tissue degeneration and cancer. By regulating the downstream transcriptional coactivators YAP and TAZ, the Hippo pathway coordinates cell proliferation and apoptosis in response to a variety of signals including cell contact inhibition, polarity, mechanical sensation and soluble factors. Since the core components and their functions of the Hippo pathway are evolutionarily conserved, this pathway serves as a global regulator of organ size control. Therefore, further investigation of the regulatory mechanisms will provide physiological insights to better understand tissue homeostasis. In this review, the historical developments and current understandings of the regulatory mechanism of Hippo signaling pathway are discussed.
Angiogenesis in tumors is driven by multiple growth factors that activate receptor tyrosine kinases. An important driving force of angiogenesis in solid tumors is signaling through vascular endothelial growth factor (VEGF) and its receptors (VEGFRs). Angiogenesis inhibitors that target this signaling pathway are now in widespread use for the treatment of cancer. However, when used alone, inhibitors of VEGF/VEGFR signaling do not destroy all blood vessels in tumors and do not slow the growth of most human cancers. VEGF/VEGFR signaling inhibitors are, therefore, used in combination with chemotherapeutic agents or radiation therapy. Additional targets for inhibiting angiogenesis would be useful for more efficacious treatment of cancer. One promising target is the signaling pathway of hepatocyte growth factor (HGF) and its receptor (HGFR, also known as c-Met), which plays important roles in angiogenesis and tumor growth. Inhibitors of this signaling pathway have been shown to inhibit angiogenesis in multiple in vitro and in vivo models. The HGF/c-Met signaling pathway is now recognized as a promising target in cancer by inhibiting angiogenesis, tumor growth, invasion, and metastasis.
In genome-wide association studies, pathway-based analysis has been widely performed to enhance interpretation of single-nucleotide polymorphism association results. We proposed a novel method of hierarchical structural component model (HisCoM) for pathway analysis of common variants (HisCoM for pathway analysis of common variants [HisCoM-PCA]) which was used to identify pathways associated with traits. HisCoM-PCA is based on principal component analysis (PCA) for dimensional reduction of single nucleotide polymorphisms in each gene, and the HisCoM for pathway analysis. In this study, we developed a HisCoM-PCA software for the hierarchical pathway analysis of common variants. HisCoM-PCA software has several features. Various principle component scores selection criteria in PCA step can be specified by users who want to summarize common variants at each gene-level by different threshold values. In addition, multiple public pathway databases and customized pathway information can be used to perform pathway analysis. We expect that HisCoM-PCA software will be useful for users to perform powerful pathway analysis.
The Hippo signaling pathway plays an essential role in adult-tissue homeostasis and organ-size control. In Drosophila and vertebrates, it consists of a highly conserved kinase cascade, which involves MST and Lats that negatively regulate the activity of the downstream transcription coactivators, YAP and TAZ. By interacting with TEADs and other transcription factors, they mediate both proliferative and antiapoptotic gene expression and thus regulate tissue repair and regeneration. Dysregulation or mutation of the Hippo pathway is linked to tumorigenesis and cancer development. Recent studies have uncovered multiple upstream inputs, including cell density, mechanical stress, G-protein-coupled receptor (GPCR) signaling, and nutrients, that modulate Hippo pathway activity. This review focuses on the role of the Hippo pathway as effector of these biophysical cues and its potential implications in tissue homeostasis and cancer.
The Hippo pathway plays prominent and widespread roles in various forms of human carcinogenesis. Specifically, the Yes-associated protein (YAP), a downstream effector of the Hippo pathway, can lead to excessive cell proliferation and the inhibition of apoptosis, resulting in tumorigenesis. It was reported that the YAP is strongly elevated in multiple types of human malignancies such as breast, lung, small intestine, colon, and liver cancers. Recent work indicates that, surprisingly, Hippo signaling components' (SAV1, MST1/2, Lats1/2) mutations are virtually absent in human cancer, rendering this signaling an unlikely candidate to explain the vigorous activation of the YAP in most, if not all human tumors and an activated YAP promotes the resistance to RAF-, MAPK/ERK Kinase (MEK)-, and Epidermal growth factor receptor (EGFR)-targeted inhibitor therapy. The analysis of YAP expressions can facilitate the identification of patients who respond better to an anti-cancer drug treatment comprising RAF-, MEK-, and EGFR-targeted inhibitors. The prominence of YAP for those aspects of cancer biology denotes that these factors are ideal targets for the development of anti-cancer medications. Therefore, our report strongly indicates that the YAP is of potential prognostic utility and druggability in various human cancers.
The Wnt 𝛽-catenin signaling pathway is a highly conserved mechanism that plays a critical role from embryonic development and adult stem cell homeostasis. However, dysregulation of the Wnt pathway has been implicated in various diseases, including cancer. Therefore, multiple layers of regulatory mechanisms tightly control the activation and suppression of the Wnt signal. The E3 ubiquitin ligases RNF43 and ZNRF3, which are known negative regulators of the Wnt pathway, are critical component of Wnt signaling regulation. These E3 ubiquitin ligases control Wnt signaling by targeting the Wnt receptor Frizzled to induce ubiquitination-mediated endo-lysosomal degradation, thus controlling the activation of the Wnt signaling pathway. We also discuss the regulatory mechanisms, interactors, and evolution of RNF43 and ZNRF3. This review article summarizes recent findings on RNF43 and ZNRF3 and their potential implications for the development of therapeutic strategies to target the Wnt signaling pathway in various diseases, including cancer.
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