基于Copula函数的权重基因共表达网络分析法

利用Frank-Copula函数构建相关系数,并应用于权重基因共表达网络分析模型的改进。同时,利用该改进模型分析小鼠基因数据,发现在相关度最大的模块中有67个基因与小鼠肥胖导致的体质量问题相关。其中,模型的筛选结果有效率为62.6%,说明其在功能基因筛选应用前景中的科学性、有效性和可行性。

用权重基因共表达网络分析识别心脏重构关键节点基因

目的采用权重基因共表达网络分析方法(WGCNA)挖掘心肌梗死后心脏重构的关键节点基因,并研究其与ACE1和ACE2的关系。方法从NCBI的GEO下载2个心肌梗死后心脏重构的全基因组表达数据GSE7487和GSE738;数据初处理后,用WGCNA构建基因共表达网络,识别与心脏重构相关的模块与关键节点基因,分析关键节点基因与ACE1和ACE2的关联性;并在心肌梗死后心脏重构大鼠模型中验证它们的关系。结果分析发现在GSE7487,17个模块中有6个模块与心脏重构相关,模块基因富集于16条KEGG信号通路。在GSE738,5个模块与心脏重构相关,模块基因富集于15条KEGG信号通路,其中有10条信号通路与第一组数据结果相同,这些信号通路涉及心肌肥厚病理、氧化磷酸化、代谢等。进一步利用模块内连通性和基因重要性找到了一些心脏重构的关键调控基因,如钙依赖磷酸酶调节子(RCAN1)。RCAN1表达与ACE1表达高度相关,但与ACE2不相关。在动物模型中验证结果与上述结果一致。结论权重基因共表达网络分析方法是一个高效的系统生物学方法,应用本方法发现了心脏重构的关键节点基因,其中RCAN1可能影响ACE1-ACE2在肾素血管紧张素系统中的平衡。

M2型巨噬细胞调控增生性瘢痕形成的权重基因共表达网络分析

目的探讨M2型巨噬细胞和Th2细胞因子在增生性瘢痕形成过程中发挥作用的具体机制。方法运用权重基因共表达网络分析(WGCNA)对小鼠增生性瘢痕全基因组表达数据GSE26390进行处理,获得与M2型巨噬细胞、Th2细胞因子以及纤维化高度相关的共表达基因模块和其中起到关键作用的靶基因。结果确定以下8个基因为M2型巨噬细胞、Th2型细胞因子参与增生性瘢痕形成的核心调控基因:CLEC4A、CYBA、LOXL2、Hcvn1、NCKAP1L、PRRX2、LGALS9、CMTM3。结论以上8个基因涉及巨噬细胞和T细胞参与免疫应答的调节、细胞外基质形成、组织修复等过程,是临床预防和治疗增生性瘢痕的潜在新靶点。

用全基因组关联作图和共表达网络分析鉴定油菜种子硫苷含量的候选基因

油菜籽饼粕是畜禽养殖中重要的蛋白原料,但饼粕中的硫苷是一种抗营养物质,食用过多会对禽畜产生毒害,因此挖掘油菜籽粒硫苷含量的候选基因对油菜种子低硫苷育种具有重要现实意义。本研究连续4年种植1个含157份材料的油菜自然群体,结合重测序数据对种子硫苷含量进行全基因组关联分析(GWAS),并对15份低硫苷和15份高硫苷材料进行种子发育早期的转录组测序,通过权重基因共表达网络分析(WGCNA)鉴定种子硫苷含量的候选基因。用GWAS共检测到45个与种子硫苷含量显著相关的SNP,单个位点解释的表型变异为13.5%~23.3%,主要分布在A09、C02和C09染色体的3个区间中,覆盖5个已知的硫苷代谢基因。用WGCNA分析发现高、低硫苷材料之间的2275个差异表达基因,可分为12个基因模块,其中1个模块的基因显著富集在已知的硫苷生物合成途径,对该模块内163个基因的权重分析得到13个候选基因。经检测,GWAS和WGCNA共得到的18个候选基因中,有14个候选基因的表达量与种子硫苷含量显著相关(r=0.376~0.638,P<0.05)。用两种方法鉴定到1个共同的候选基因Bna C02g41790D(基因名MAM1),与该基因连锁的5个SNP构成5种单体型,等位基因效应分析发现,自然群体中63%的材料(99/157)为Hap 5,平均硫苷含量为50.79μmol g^(-1),与另外4种单体型(95.04~110.28μmol g^(-1))存在极显著差异(P<0.01)。本研究结合GWAS和WGCNA两种方法鉴定了油菜种子硫苷含量的候选基因,可为复杂性状候选基因的筛选提供参考。

基于权重基因共表达网络分析挖掘人参皂苷Rh1生物合成相关基因

目的通过权重基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)挖掘人参皂苷Rh1生物合成相关基因。方法以种植于吉林省人参主产区304个农家品种的转录组测序数据为基础,以人参皂苷Rh1含量为表型进行差异表达基因的挖掘。结果通过WGCNA获得6个与人参皂苷Rh1含量密切相关的基因共表达模块,根据关联分析结果确定Green模块为与人参皂苷Rh1含量显著相关的关键模块。功能注释结果显示Green模块内的基因富集到m RNA结合、蛋白修饰等多个相关途径。通过构建基因互作网络筛选获得7个核心基因,功能预测表明这些基因可能在人参皂苷Rh1的生物合成途径中起着重要作用。对7个候选基因进行茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,Me JA)体外调控分析。对人参不定根进行MeJA诱导处理,随Me JA的诱导,comp9517_c0_seq1、comp10896_c0_seq1、comp43180_c0_seq2、comp64014_c0_seq8的表达量与人参皂苷Rh1的含量同时呈现显著变化,但只有comp64014_c0_seq8的表达趋势与人参皂苷Rh1在Me JA诱导下的表达趋势相同,表明这条候选基因可能与人参皂苷Rh1的合成密切相关。结论为人参皂苷Rh1生物合成途径的解析提供了理论基础。

权重基因共表达网络鉴定外周血脑卒中相关微RNA

目的:通过分析脑卒中患者外周血微RNA(micro RNA,miRNA)表达谱,探索miRNA潜在的诊断价值。方法:下载基因表达综合(GeneExpressionOmnibus,GEO)中脑卒中患者和对照组的miRNA表达谱(GSE117064),使用R软件的"limma"包筛选出具有统计学差异的miRNAs;使用权重基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)识别与脑卒中相关的miRNA;使用Cytoscape软件分析并可视化权重网络;收集脑卒中患者和正常人的外周血miRNA,使用反转录聚合酶链反应(reverse transcription-polymerase chain reaction,RT-PCR)验证;最后,使用R软件的"pROC"包评估枢纽miRNAs诊断脑卒中的价值。结果:通过分析脑卒中患者外周血mi RNA芯片数据集,共筛选出641个差异表达miRNAs;WGCNA识别并分析与脑卒中相关的mi RNA模块,筛选出4个具有诊断价值的枢纽mi RNAs(miR-1910-5p、miR-636、miR-7108-3p和mi R-887-3p);RT-PCR证实miR-1910-5p、miR-636、miR-7108-3p和miR-887-3p在脑卒中患者外周血中表达降低;miR-1910-5p、miR-636、miR-7108-3p和miR-887-3p诊断脑卒中的曲线下面积(area under curve,AUC)依次为0.962、0.970、0.962和0.973;枢纽miRNAs联合诊断脑卒中的AUC为0.9 8 7。结论:脑卒中患者外周血异常表达的miRNA是潜在的诊断标志物,为探索脑卒中的发病机制和诊疗策略提供了线索。

基于加权基因共表达网络分析识别雄激素性脱发的枢纽基因

目的使用加权基因共表达网络分析(WGCNA)探究雄激素性脱发(AGA)基因的协同共表达,寻找与雄激素性脱发有关的关键基因。方法借助R语言分析基因表达数据库(GEO)中关于AGA的GSE90594数据集,得到与临床表现正负相关性最高的模块各一个,并提取模块中的基因,使用clusterprofiler包进行下游GO与KEGG富集分析,同时对模块内GS和MM的相关性进行分析,并使用Cytosacpe绘制共表达网络图,筛选枢纽基因。结果根据基因表达的相关性,发现20个共表达模块,其中brown模块和turquoise模块与AGA显著相关,共表达网络发现13个基因(PDGFRA、PMP22、ZCCHC24、COL6A1、ISLR、PRRX1、PKP1、CALN1、PNMAL2、PPP5D1、GJB6、DSC2、GJA3)在网络中处于核心的地位。并用上述基因做了疾病模型,对疾病预测准确性很高。结论PDGFRA、PMP22、ZCCHC24、COL6A1、ISLR、PRRX1的表达与AGA呈正相关,PKP1、CALN1、PNMAL2、PPP5D1、GJB6、DSC2、GJA3的表达与AGA呈负相关。

WGCNA联合LASSO-COX方法筛选甲状腺癌预后关键基因及其临床价值分析

目的筛选甲状腺癌(thyroid cancer,THCA)的关键预后基因并构建预后预测模型。方法从癌症基因组图谱(The Cancer GenomeAtlas,TCGA)数据库中获取THCA和正常样本的基因表达谱,采用Limma算法筛选THCA组织与正常组织间差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs),再进行权重基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)和套索联合COX回归分析(least absolute shrinkage and selection operator regression COX analysis,LASSO-COX)获得与其预后相关基因,然后根据关键基因构建预后预测模型,基于风险评分进行生存分析和受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线分析,最后基于基因表达谱和风险评分进行基因集富集分析(gene set enrichment analysis,GSEA)以评估相关途径和分子机制。结果本研究筛选出5个THCA预后关键基因,即LINC02550、STEAP2、ATP2C2、PLEKHG4B和SALL4。通过这5个基因构建的预后评估模型表明,风险评分越高,预后越差。ROC曲线分析结果表明该模型对患者生存率具有优良的预测性能,结合THCA患者的主要临床特性建立的列线图具有良好的预测性能。GSEA分析发现mTOR信号通路、Hedgehog信号通路、细胞自噬调节、转化生长因子-β信号通路富集在高风险评分组。结论基于筛选出的5个关键基因构建的预后预测模型有助于预测THCA患者的预后,这5个基因是潜在的靶向治疗基因。

基于共表达网络挖掘不同前列腺特异抗原水平下的前列腺癌发展相关基因

目的采用权重基因共表达网络分析方法(WGCNA)挖掘不同前列腺特异抗原(PSA)水平下的前列腺癌发展枢纽基因。方法数据来自NCBI的GEO数据库中下载不同PSA水平下的前列腺癌全基因组表达数据集,经过数据预处理后,用WGCNA构建基因共表达网络,识别不同PSA水平下的前列腺癌发展模块与枢纽基因。结果筛选出的差异基因聚集成一个模块,并且找到10个枢纽基因。结论结合文献发现,SNAI2、TRIM29、LAMB3、CYP3A5和SLC14A1这5个基因很可能影响不同PSA水平下前列腺癌的发展。

3个甘蔗品种响应低温胁迫的转录组分析

为挖掘甘蔗(Saccharum officinarum L.)响应低温的特异基因,揭示甘蔗响应低温的分子调控机理,以3个抗寒能力不同的甘蔗品种作为试验材料,利用转录组测序技术分析不同抗寒能力的甘蔗品种在低温胁迫(4℃)下的基因表达差异。结果表明,利用权重基因共表达网络分析(Weighted Gene Co-expression Network Analysis,WGCNA)鉴定出13个基因共表达模块,通过相关性分析筛选出blue和yellow模块作为甘蔗抗寒机理研究的目标模块。基于blue和yellow模块筛选出可能与甘蔗抗寒能力密切相关的13个响应低温胁迫的基因,为后续选育抗寒性强的优良甘蔗新品种提供重要参考。

基于肿瘤基质评分的胃癌预后基因分析

目的分析比较不同肿瘤基质评分胃癌患者的基因表达特征,鉴定与评分相关的胃癌预后基因,以期为临床胃癌诊断和预后提供更精准的手段。方法从癌症基因组图谱数据库(the cancer genome atals,TCGA)下载胃癌的临床资料和组织转录组测序(ribonucleic acid sequencing,RNAseq)表达数据。从基质免疫评估数据库(estimation of stromal and immune cells in malignant tumor tissues using expression data,ESTIMATE)网站下载TCGA数据库中胃癌患者基质评分信息。获取患者的临床信息、RNAseq表达谱、基质评分。按照基质评分的高低分为高基质评分组和低基质评分组,分析基质评分与胃癌预后的关系。用R语言DEseq2包进行标准化处理和差异分析;WGCNA(weight correlation network analysis,WGCNA)包筛选与基质评分密切相关的差异基因;单因素COX风险比例回归模型(COX proportional model,COX)初步筛选基质评分密切相关基因中与胃癌预后相关的基因;LASSO(least absolute shrinkage and selection operator,LASSO)回归模型筛选出其中影响胃癌预后的关键基因,计算最小λ值;多因素COX回归分析构建关键基因胃癌预后模型,并量化基因表达量与患者生存时间的关系;模型内部绘制关键基因的生存曲线。最后通过其他公共数据库(KM-plotter数据库和Oncomine数据库)验证这些基因在胃癌大样本的表达和预后。结果基质评分越高的患者表现为预后更差(P<0.05)。对患者的RNA-seq差异表达分析筛选得到1581个差异表达基因;从中通过WGCNA筛选出1015个基因与胃癌基质评分密切相关;单因素COX回归选出377个基因与胃癌患者预后相关(P<0.05);LASSO回归筛选出12个与胃癌预后相关的关键基因,最小λ=12;多因素COX回归分析显示该模型C指数为0.68,3年生存期和5年生存期的预测值基本贴合实际值,3年生存期曲线下面积(area under the curve,AUC)为0.693,5年生存时间AUC为0.725。12个基因中,ACTA1、ADAMTS12、LINCO1614、MATN3、MTUS2、PLCL1、POSTN、SERPINE1、TPTEP1表达量越高,患者生存期越短,GAD1和MMP16表达量的越低,患者生存期越短;6个基因(ADAMTS12、MATN3、MEGF10、PLCL1、POSTN、SERPINE)各自作为独立危险因素,具有最佳的胃癌预后预测功能(P<0.05)。KM-plotter数据库和Oncomine数据库符合本研究的预测结果。结论肿瘤基质评分越高的胃癌患者,预后更差、生存周期更短。6个基因ADAMTS12、MEGF10、PLCL1、POSTN、MATN3、SERPINE与患者的肿瘤基质评分及预后密切相关。其表达越高,患者评分越高,预后越差、生存周期越短。本研究鉴定了与胃癌基质评分相匹配的预后基因,提示胃癌基质研究的进一步方向。

基于WGCNA的棉花子叶抗冷相关共表达模块鉴定

权重基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)是系统生物学的一种研究方法,在多样本转录组数据中挖掘与目标性状相关的基因模块应用较广泛。为深入探究棉花应对冷害胁迫的分子机制,以4℃低温处理不同时间点的2个棉花品种(新陆中16和新陆中32)幼苗子叶转录组数据为基础,过滤低表达量基因,最终利用筛选的22083个表达的基因来构建共表达矩阵,得到9个共表达模块,其中2个为抗冷相关特异性模块(Blue模块与低温处理0、1和3 h时间点正相关,Brown模块与低温处理9和12 h时间点正相关)。GO和KEGG富集分析表明,特异性模块可以富集到对刺激反应的调节(GO:0048583)、对胁迫反应的调节(GO:0080134)、对油菜素类固醇的反应(GO:0009741)等抗逆相关通路。通过计算模块内基因的连通性挖掘网络中的核心基因,功能注释表明这些基因可能在棉花抗冷过程中发挥着重要作用。该结果为进一步研究棉花抗冷调控机理提供数据支持。

固始鸡胸肌脂肪酸组成特征及其关键调控基因鉴定

为揭示固始鸡胸肌脂肪酸组成特征及其关键调控基因,试验采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)技术分析了14、22和30周龄固始鸡胸肌组织的脂肪酸组成,通过权重基因共表达网络分析鉴定了主要脂肪酸含量相关的核心基因。结果显示:三个发育阶段胸肌组织中均检测到49种脂肪酸,且多数脂肪酸含量在不同发育阶段间差异不显著(P>0.05);胸肌组织中优势脂肪酸为C16∶0、C18∶0、C18∶1N12、C18∶1N9C、C20∶4N6、C18∶1N7、C18∶2N6和C14∶1T,含量占总脂肪酸含量的86%以上。另外,共鉴定到blue、brown、purple、lightyellow、grey60和red共6个特异性转录模块,从中筛选到104个与C14∶0、C16∶0、C17∶0、C18∶1N12、C18∶2N6、C18∶3N6、C20∶1、C20∶2和C20∶3N6等脂肪酸含量相关的核心基因,功能涉及脂肪酸代谢相关的许多生物学过程和信号通路。结果表明,固始鸡胸肌脂肪酸含量在不同生长时期存在动态变化且为微效多基因共同调控的复杂数量性状。

权重基因共表达网络分析在生物医学中的应用

高通量生物监测方法可以同时检测同一样本的上千个参数,其在生物医学中的应用越来越广泛,但如何系统地分析并从高通量数据中挖掘有用信息,仍是一项重要的课题。网络生物学的出现使人们对复杂生物系统有了更深刻的理解,组织/细胞功能执行具有模块化特点。目前,相关网络(Correlation network)被越来越多地应用于生物信息学,权重基因共表达网络分析(Weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)是描述样品基因表达相关模式的一种系统生物学工具。在此,对WGCNA在疾病分型及预后、发病机制和其他相关领域研究进展作一个较为系统的综述。首先,对WGCNA的原理、分析流程和优势缺点进行总结。其次,介绍如何用WGCNA研究疾病、正常组织、药物、进化和基因组注释。最后,结合新高通量技术展望WGCNA应用新空间。以期科研工作者能够对WGCNA的应用有所了解。

基于权重基因共表达网络分析(WGCNA)挖掘双酚A代替物的分子作用机制

评估双酚A(bisphenol A,BPA)代替物的内分泌干扰活性并挖掘其分子作用机理。采用分子对接技术模拟预测BPA代替物对人雌激素受体α(estrogen receptor,ERα)的结合活性;构建权重基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)找到BPA代替物和细胞增殖之间强相关的模块和基因;构建蛋白互作网络(protein protein interaction network,PPI),找到BPA代替物发挥雌激素活性的枢纽基因(Hub gene);基因-疾病关联(gene-disease associations)分析找到与BPA代替物高度相关的人类疾病。结果表明,6种BPA均具有雌激素活性;WGCNA分析找到2个模块共1090个基因与细胞增殖强相关的基因;PPI挖掘到BPA代替物发挥雌激素作用的Hub gene是孕酮受体(rrogesterone receptor,PGR)、Myb相关蛋白(Myb-related protein like 1,MYBL1)、过氧化物酶体增殖剂激活受体(peroxisome proliferators-activated receptor,PPAR)和MYB原癌基因转录因子(MYB);基因-疾病关联分析表明BPA代替物可能对机体的乳腺肿瘤、子宫内膜癌和糖尿病等疾病的发生发展过程产生不良影响。

整合GWAS和WGCNA分析挖掘甘蓝型油菜黄籽微效作用位点

甘蓝型油菜是世界上最重要的油料作物之一,黄籽是提高品质的重要育种目标。本研究以520份具有代表性的甘蓝型油菜品种(系)为材料,结合种子发育过程中8个时期的转录组数据,采取整合全基因组关联分析(GWAS)和权重基因共表达网络分析(WGCNA)的策略,挖掘油菜黄籽性状微效作用位点,2年共检测到199个SNP位点,在SNP位点附近共挖掘出1826个名义候选基因。利用R语言中的WGCNA软件包构建了8个共表达模块,基因功能富集分析显示,turquoise模块和blue模块与黄籽表型相关。苯丙烷代谢途径、类黄酮途径的关键基因BnATCAD4、BnF3H以及BnANS为turquoise模块的枢纽基因(hub gene)。通过已知的黄籽相关基因,挖掘出了一部分黄籽微效作用基因,这些基因多参与苯丙烷、类黄酮以及原花青素代谢途径。本研究挖掘的这些位点和候选基因可作为影响油菜黄籽形成的重要候选区域和基因,有助于探究甘蓝型油菜黄籽基因资源信息、揭示油菜黄籽性状的遗传基础和分子机制、丰富分子育种理论以及提高油菜品质。