目前,在局部进展期直肠癌患者接受新辅助放化疗前,尚无可靠的方法用于判断患者对新辅助放化疗的病理反应状态。利用肿瘤组织活检样本的基因表达谱,已筛选了一些基于特征基因表达值的综合定量评分的预测标志。但是,受实验批次效应和临床组织样本质量的不确定性等因素影响,此类标志难以获得重复性验证。在前期研究中,我们发现利用样本内基因表达水平的相对高低秩序关系识别的肿瘤标志物对批次效应、瘤内采样部位癌细胞占比、RNA部分降解、扩增偏倚等干扰具有高度的稳健性,具有很强的临床适用性。在本课题中,我们利用一组局部进展期直肠癌的基因表达谱为训练数据,识别出其表达秩序关系与病理反应状态相关的基因对。然后,基于多数投票规则和序列向前选择算法,按预测准确度最大化原则,识别出27对基因及其秩序关系构成的预测标志,简记为27-GPS。在训练集的19例病理反应患者中,27-GPS准确识别出17例,灵敏度为84.47%;在23例非病理反应患者中,27-GPS准确识别了22例,特异度为95.65%。预测准确度为92.86%,95%CI=[80.52,98.50];受试者工作特征曲线下面积为0.95,95%CI=[0.83,0.99]。在验证集的24例病理反应患者中,27-GPS准确识别了21例,灵敏度为87.50%;在22例非病理反应患者中,27-GPS准确识别了20例,特异度为90.90%。预测准确度为89.13%,95%CI=[76.43%,96.38%];受试者工作特征曲线下面积为0.95,95%CI=[0.84,0.99]。为了进一步验证该标志,我们收集了33例局部进展期直肠癌患者的肿瘤组织活检样本。在21例病理反应患者中,27-GPS准确识别了20例,灵敏度为95.24%;在12例非病理反应患者中,27-GPS准确预测了10例,特异度为83.33%。预测准确度为90.91%,95%CI=[75.67%,98.08%];受试者工作特征曲线下面积为0.91,95%CI=[0.76,0.98]。上述结果显示,27-GPS可以准确地预测局部进展期直肠癌患者对新辅助放化疗的病理反应状态。病理反应状态具有预测生存预后的价值,我们期望被27-GPS预测为有病理反应患者的无复发生存时间显著高于被预测为无病理反应的患者。然而,上述数据集均无可用的预后生存信息。考虑到结肠癌与直肠癌的基因组特征具有高度的相似性,我们收集了285例在术后接受基于5-氟尿嘧啶的新辅助化疗的局部进展期结直肠癌患者的数据,分析27-GPS是否能够预测新辅助放化疗患者预后生存情况。结果表明,138例患者被27-GPS预测为病理反应者的无复发生存时间的中位数为56.4月,显著高于147例被预测为无病理反应的患者无复发生存时间的中位数(45.5月)(Multivariate Cox regression,p=0.01,HR=0.60),说明27-GPS预测的病理反应状态与其预后生存显著相关。识别与病理反应相关的关键基因,有助于提供潜在的干预靶点。研究的常用策略是筛选病理反应与无病理反应患者间差异表达基因,简称放化疗耐受基因。放化疗耐受基因可能包含了与肿瘤的发生、发展无关的基因,以之为干预靶点,很可能损伤正常组织细胞的生理功能,导致患者耐受程度较差。反之,若以与肿瘤的发生、发展相关的基因为干预靶点,则更倾向杀伤肿瘤细胞,对正常细胞的影响轻微。借助基因高低秩序关系分析方法,我们将来源于不同实验室的正常直肠组织作为对照,在放化疗耐受基因中识别直肠癌相对于正常直肠组织差异表达的基因,即与肿瘤的发生发展相关的放化疗耐受基因。不同于目前的“特定功能通路中差异程度最大”的策略,我们筛选与放化疗应答基因相互作用关系最密切的、与肿瘤发生发展相关的、放化疗耐受基因作为关键基因。由此,我们发现TFDP1与E2F5构成蛋白质复合物,其下调表达可能抑制基因MYC、PCNA、BIRC5的表达,导致患者对基于5-氟尿嘧啶的辅助放化疗的耐受。我们推测直肠癌组织中基因TFDP1与E2F5上调表达,可引起放化疗应答基因MYC、PCNA、BIRC5的表达上调,导致肿瘤细胞周期较快、DNA复制活跃,进而对新辅助放化疗敏感。综上,我们基于基因表达秩序关系识别了27对基因及其秩序关系构成的预测标志27-GPS,按照多数投票规则,该标志能够稳健、准确地预测局部进展期直肠癌患者对新辅助放化疗的病理反应状态与预后生存情况。