肺結(jié)核肉芽腫相關(guān)差異基因的生物信息學(xué)分析

肺結(jié)核肉芽腫相關(guān)差異基因的生物信息學(xué)分析〔〕:

摘要：目的討論肺結(jié)核〔Tuberculosis,TB〕肉芽腫的基因表達(dá)和生物學(xué)過程的改變，為肺結(jié)核肉芽腫形成與開展的分子機(jī)制研究提供生物信息學(xué)根據(jù)。方法從基因表達(dá)綜合數(shù)據(jù)庫〔GeneExpressionOmnibus,GEO〕下載肺結(jié)核肉芽腫的基因芯片數(shù)據(jù)集，應(yīng)用生物信息學(xué)方法挑選差異表達(dá)基因，利用R語言clusterProfiler包進(jìn)展基因本體論〔Geneontology,GO〕及通路富集分析。結(jié)果共獲得4762個(gè)差異表達(dá)基因，包括4359個(gè)上調(diào)基因和223個(gè)下調(diào)基因。差異表達(dá)基因主要涉及嗜中性粒細(xì)胞活化、嗜中性粒細(xì)胞脫顆粒等生物反響過程，介導(dǎo)抗原肽結(jié)合、肽結(jié)合等分子功能，富集于溶酶體腔、FCN1顆粒等。通過STRING數(shù)據(jù)庫分析蛋白互作網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)蛋白，尋找關(guān)鍵〔hub〕基因。結(jié)論ITGAM、PLAU、SERPINE、MAPK1、CXCR4、STAT1、CXCL9、IL8、MMP9、MMP1是肺結(jié)核肉芽腫的最相關(guān)特征基因，吞噬體、溶酶體、抗原提呈等信號(hào)通路與肉芽腫形成與開展親密相關(guān)，為我們下一步研究提供重要線索。

關(guān)鍵詞：肺結(jié)核肉芽腫；分子機(jī)制；差異表達(dá)基因；生物信息學(xué)

本文引用格式：張娜娜,曹華,解琪琪,等.肺癌合并肺栓塞臨床特點(diǎn)回憶性分析[J].世界最新醫(yī)學(xué)信息文摘,2022,18(72):39-41.

BioinformaticsAnalysisofRelevantGeneArraysinPulmonaryTuberculosisGranuloma

ZHAGNNa-na1,CAOHua1,XIEQi-qi2,WANYi-xin2*

(1.DepartmentofRespiratory,SecondHospitalofLanzhouUniversity,LanzhouGansu;

2.DepartmentofOrthopaedics,SecondHospitalofLanzhouUniversity,LanzhouGansu)

ABSTRACT:ObjectiveToinvestigatethegeneexpressionandbiologicalprocessoftuberculosis(TB)granuloma,providebioinformaticsbasisforthemolecularmechanismoftuberculosisgranulomaformationanddevelopment.MethodsDownloadedthegenechipdatasetoftuberculosisgranulomafromGeneExpressionOmnibus(GEO),themethodofbioinformaticswasusedtoscreendifferentiallyexpressedgenes,andRlanguageclusterProfilerpackagewasusedforgeneontology(GO)andpathEnrichmentanalysis.ResultsAtotalof4762differentiallyexpressedgeneswereobtained,including4359up-regulatedgenesand223down-regulatedgenes.Differentiallyexpressedgenesaremainlyinvolvedinneutrophilactivation,neutrophildegranulationandotherbiologicalprocesses,mediatingpeptidebinding,serine-typebindingandothermolecularfunctions,enrichmentinlysosomalcavity,FCN1particlesandsoon.ThecentralnodeproteinoftheproteininteractionnetworkwasanalyzedbytheSTRINGdatabasetofindthekeygene.ConclusionITGAM,PLAU,SERPINE,MAPK1,CXCR4,STAT1,CXCL9,IL8,MMP9andMMP1arethemostrelevantgenesofpulmonarytuberculosisgranuloma.Thesignalingpathwayssuchasphagosome,vidingimportantcluesforournextstudy.

KEYWORDS:Tuberculosisgranuloma;Molecularmechanism;Differentiallyexpressedgenes;Bioinformatics

0引言

肺結(jié)核〔Tuberculosis,TB〕是一種由結(jié)核分枝桿菌感染肺臟所引起的具有傳染性的慢性疾病，在全世界廣泛流傳，據(jù)2022年統(tǒng)計(jì)，全球每年約有170萬人死于肺結(jié)核【1】，為全球10大死因之一。結(jié)核桿菌〔Mycobact，eriumtuberculosis,Mtb〕感染不久之后，感染部位會(huì)形成肉芽腫，其構(gòu)造包括核心的干酪樣壞死組織，壞死灶周圍的上皮樣細(xì)胞、朗漢斯巨細(xì)胞，以及外層的淋巴細(xì)胞【2】。此時(shí)，感染機(jī)體處于埋伏狀態(tài)，無明顯疾病征兆。而5%-10%埋伏感染者會(huì)在2-3年內(nèi)進(jìn)展為活動(dòng)性肺結(jié)核，引起Mtb的播散與傳播【3】，其傳染性強(qiáng)，死亡率高。目前大量研究集中在免疫角度解釋肺結(jié)核肉芽腫的發(fā)生的機(jī)理[4-6]，而對其分子機(jī)制研究甚少。生物信息學(xué)作為一門新的學(xué)科領(lǐng)域，從核酸及蛋白序列層面解釋疾病形成的可能分子機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)研究提供可行的思路【7】。本文通過生物信息學(xué)相關(guān)方法對KimM等構(gòu)建的肺結(jié)核肉芽腫芯片數(shù)據(jù)進(jìn)展重新分析，以討論基因?qū)Ψ谓Y(jié)核肉芽腫的調(diào)節(jié)，從分子程度提醒其發(fā)生開展機(jī)制。

1材料與方法

1.1材料

從NCBI的GEO數(shù)據(jù)庫下載數(shù)據(jù)集GSE20220，基于GPL1352平臺(tái)[U133_X3P]AffymetrixHumanX3PArray，表達(dá)數(shù)據(jù)為Expressionprofilingbyarray，種屬Homosapiens。該芯片數(shù)據(jù)包括5例干酪樣肉芽腫及2例正常肺組織提取總RNA進(jìn)展基因芯片分析；本研究通過生物信息學(xué)分析其肺結(jié)核肉芽腫干酪樣壞死組織及正常肺組織的基因芯片數(shù)據(jù)。

1.2數(shù)據(jù)處理及差異表達(dá)基因的挑選

原始數(shù)據(jù)用R語言軟件包分析將原始文件通過RMA算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)展背景校正、bootstrap校正、質(zhì)量控制和標(biāo)準(zhǔn)化處理，并轉(zhuǎn)化為探針表達(dá)矩陣，后根據(jù)GPL1352平臺(tái)文件所對應(yīng)的R語言軟件包將探針名轉(zhuǎn)化為基因名；通過R語言limma包挑選出差異表達(dá)基因，差異表達(dá)基因同時(shí)滿足|log2foldchange(log2FC)|>2且P

2.2GO和KEGG通路富集分析

GO包括以下3個(gè)生物學(xué)局部：生物過程〔biologicalprocess,BP〕，細(xì)胞組成〔cellcularponent,CC〕和分子功能〔molecularfunction,MF〕。采用R語言clusterProfiler包對4762差異基因進(jìn)展GO功能富集分析，選取前16位的功能富集類別。如圖3所示，差異基因主要涉及中性粒細(xì)胞活化、嗜中性粒細(xì)胞脫顆粒、嗜中性粒細(xì)胞相關(guān)免疫反響等生物過程，介導(dǎo)抗原肽結(jié)合以及肽結(jié)合等分子功能，富集于胞內(nèi)區(qū)；通路富集分析結(jié)果顯示差異基因主要涉及吞噬體、溶酶體、結(jié)核通路、抗原提呈等經(jīng)典信號(hào)通路。

2.3差異表達(dá)編碼蛋白質(zhì)間互相網(wǎng)絡(luò)分析

STRING是一個(gè)由和預(yù)測的蛋白質(zhì)互相作用數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫，本研究將顯著差異基因前100〔以|logFC|數(shù)值大小為標(biāo)準(zhǔn)〕輸入STRING工具，然后將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cytoscape中，利用插件CytoHubba找出ITGAM、PLAU、SERPINE、MAPK1、CXCR4、STAT1、CXCL9、IL8、MMP9、MMP1為所得hub基因。

3討論

近年來，關(guān)于肺結(jié)核肉芽腫組織樣本的基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)在分子機(jī)制研究中較熱[10-12]。本研究的基因芯片數(shù)據(jù)集來源于GEO數(shù)據(jù)庫，我們利用生物信息學(xué)方法比擬肺結(jié)核芽腫干酪樣組織和正常肺組織樣本的差異基因表達(dá)，共挑選出4726個(gè)差異基因，其中包括4539個(gè)上調(diào)基因和223個(gè)下調(diào)基因。

ITGAM、PLAU、SERPINE、MAPK1、CXCR4、STAT1、CXCL9、IL8、MMP9、MMP1，為所得的hub基因。目前關(guān)于ITGAM、MAPK1、CXCR4、STAT1、IL8、MMP9、MMP1基因在肺結(jié)核病中研究較多，且機(jī)制較明確。ITGAM主要表達(dá)于中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞，是一種主要的白細(xì)胞外表抗原家族。早在1998年，Ernst發(fā)現(xiàn)ITGAM是Mtb進(jìn)入巨噬細(xì)胞的受體之一[13]。MAPK1為MAP激酶家族成員之一，參與多種細(xì)胞過程，如增殖、分化、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和發(fā)育。肺結(jié)核患者通過MAPK1通路對Mtb產(chǎn)生強(qiáng)烈的免疫反響[14]。CXCR4是重要的趨化因子受體，調(diào)控各類細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和分化，且于血管生成相關(guān)，有研究[15]發(fā)現(xiàn)，肺結(jié)核肉芽腫相關(guān)促血管生成與CXCR4有親密聯(lián)絡(luò)，CXCR4有望成為抗結(jié)核治療的新靶點(diǎn)。STAT1是潛在的細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子，介導(dǎo)各種生物反響，包括細(xì)胞的增值、存活、凋亡和分化。感染后期，非磷酸化STAT1抑制巨噬細(xì)胞凋亡，利于結(jié)核菌在細(xì)胞內(nèi)存活和增值，造成結(jié)核桿菌的免疫逃逸[16]。MMP9、MMP1均為MMPS家族的成員，其與結(jié)核肉芽腫形成與播散有關(guān)[17,18]。CXCL9屬CXC趨化因子家族，又被稱作"干擾素伽瑪誘導(dǎo)的單核細(xì)胞因子";，多項(xiàng)研究說明結(jié)核患者血漿中CXCL9顯著高于安康者[19,20]，可作為結(jié)核診斷標(biāo)識(shí)，但其高表達(dá)機(jī)制尚不明確，還有待進(jìn)一步研究。目前對PLAU的研究主要集中在阿爾茲海默癥[21]，SERPINE在妊娠方面研究較多[22]，而關(guān)于PLAU、SERPINE對肺結(jié)核肉芽腫的影響未見報(bào)道。

此外，KEGG通路富集分析顯示，吞噬體、溶酶體、抗原提呈等信號(hào)通路在肺結(jié)核肉芽腫的形成與開展中起重要的作用。吞噬作用和吞噬溶酶體生物反響是機(jī)體消除外來微生物、抗原提呈等最根本的生物過程，Mtb通過抑制感染機(jī)體巨噬細(xì)胞的吞噬體成熟、抵抗吞噬細(xì)胞產(chǎn)生殺菌因子，影響巨噬細(xì)胞殺菌才能，進(jìn)而使Mtb在體內(nèi)長期存在[23]?？乖岢始?xì)胞〔Antigen-presentingcells,APC〕與主要組織相容復(fù)合體II分子〔MajorhistopatibilityplexclassII,MHC-II〕結(jié)合促進(jìn)CD4+產(chǎn)生，是抗Mtb的關(guān)鍵。而Mtb可以降低MCH-II的表達(dá)、降低抗原提呈、減少CD4+細(xì)胞識(shí)別被感染的巨噬細(xì)胞[23,24]，使Mtb免疫逃逸。抑制吞噬體成熟阻滯、阻礙Mtb對抗原提呈的影響可能是將來抗結(jié)核治療的一個(gè)研究方向。

本研究通過生物信息學(xué)的方法分析肺結(jié)核肉芽腫相關(guān)基因之間的互相關(guān)系，討論影響肺結(jié)核肉芽腫形成及進(jìn)展的發(fā)活力制的遺傳因素，為肺結(jié)核的預(yù)防、診斷和治療提供遺傳根底理論。雖然目前對于肺結(jié)核治療的研究獲得很大的進(jìn)展，但仍存在各種問題與挑戰(zhàn)。我們預(yù)測ITGAM、PLAU、SERPINE、MAPK1、CXCR4、STAT1、CXCL9、IL8、MMP9、MMP1是肺結(jié)核肉芽腫的最相關(guān)特征基因，吞噬體、溶酶體、結(jié)核通路、抗原提呈為肺結(jié)核肉芽腫的重要信號(hào)通路，可能與肉芽腫形成與開展親密相關(guān)，值得進(jìn)一步深化研究。

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