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。

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。

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。

利用WGCNA鉴定非生物胁迫相关基因共表达网络

加权共表达网络分析(Weighted Gene Co-expression Network Analysis,WGCNA)是用来描述不同样品之间基因关联模式的系统生物学方法,可以用来鉴定高度协同变化的基因集。本研究利用正常水稻组织共47份转录组数据,通过冷胁迫、干旱胁迫、盐胁迫不同的处理方式,使用WGCNA方法,根据已克隆基因的报道与以上3种胁迫相关的关键基因,探究不同逆境下基因之间的调控关系。通过对低表达量基因的过滤,最终利用筛选的30,339个表达的基因来构建共表达矩阵,得到15个模块。分析发现已知的水稻3种相关基因在各个模块均有存在,于是对预测到的靶基因进行GO 富集分析。对3种胁迫下处理的转录组数据进行差异表达基因分析,结合已报道与胁迫相关的基因,选取各胁迫相关的2个模块进行了基因调控网络的构建。鉴于3种胁迫相关基因在green模块中大量分布,通过对green模块下各自特有的基因和共有的基因的GO功能富集分析,并对共有的基因构建调控网络,挖掘到2599个与3种胁迫都相关的基因,并预测出25个抗逆相关的关键基因,为水稻的抗逆及综合抗逆能力等研究提供了新思路。

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。

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。

利用WGCNA进行玉米花期基因共表达模块鉴定

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,在挖掘生物学数据与特定性状之间的生物学关系方面具有十分重要的作用。本研究利用玉米(Zea mays L.)自交系B73的14份不同发育阶段的转录组数据,筛选掉低表达丰度的基因,最终得到了22,426个高表达的基因用于创建基因表达矩阵;利用不同组织作为性状,创建表型矩阵。然后利用R软件中的WGCNA包建立了共表达网络,共得到20个模块。本研究将与组织相关性高于0.65的模块定义为组织特异性模块,最终鉴定到14个组织特异性模块。利用在线网站Agrigo对组织特异性模块中的基因进行GO (gene ontology)富集分析,发现14个模块中均可以得到富集种类。开花作为玉米生育周期中的一个重要生理过程,不仅代表着植物从营养生长到生殖生长的转变,也关系到产量、株高和抗逆性等农艺性状。本研究发现8个组织特异性模块中的基因可以富集到与开花调控的代谢通路。此外,有17个已经报道过的开花时间调控基因存在于共表达模块中,并且主要分布在Blue模块和Darkmagenta模块,因此本研究重点关注了这2个模块内部的基因调控网络。本研究通过计算不同组织中的基因表达丰度,并联合权重基因共表达网络分析的方法,鉴定到了具有生物学意义的共表达基因模块,挖掘到了数个开花相关的模块,有助于揭示玉米开花调控的遗传机制。

基于WGCNA的马铃薯根系抗旱相关共表达模块鉴定和核心基因发掘

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有较广泛的应用。为了深入探究马铃薯应对干旱胁迫的分子机制,本研究以国际马铃薯中心引进栽培种C16(CIP 397077.16)和C119(CIP 398098.119)为试验材料,将其无菌组培苗利用甘露醇模拟干旱胁迫,处理0 h、2 h、6 h、12 h和24 h,取其根系进行转录组测序,每样设3个生物学重复,共30个样本。基于以上转录组数据,利用WGCNA构建与抗逆生理性状相关联的权重基因共表达网络,得到15个与根系抗旱密切相关的基因共表达模块,并从4个与目标性状关联度最高的模块中发掘到数个核心基因,功能注释表明其中大部分参与干旱胁迫调控通路。这些结果为进一步研究马铃薯根系抗旱的分子遗传机制提供了线索。

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。

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WGCNA发掘谷子穗部类黄酮合成途径调控关键基因

类黄酮是植物重要的次生代谢物质,在植物生长发育中发挥着重要的作用,此外,类黄酮具有抗氧化活性,对人体十分有益。谷子籽粒营养丰富全面,是一种保健型杂粮,深受我国人民喜爱。谷子作为C4模式植物,正在受到越来越多的关注。目前谷子籽粒类黄酮代谢及调控机制研究较少。本研究利用高类黄酮品种晋谷21(JG21)及低类黄酮品种牛毛白(NMB)谷穗为材料,分析JG21与NMB小穗发育不同阶段类黄酮靶向代谢组及JG21小穗发育不同阶段转录组,结合加权基因共表达网络分析挖掘可能参与调控类黄酮代谢的转录因子,并在不同水平的类黄酮品种中进行表达分析初步验证。结果发现,2个品种小穗中主要富集的类黄酮组分为芹菜素、牡荆素及柚皮素,三者共占总类黄酮含量的79%以上。类黄酮代谢基因共表达网络中包含38,921个基因,共划分为32个模块,其中turquoise模块、green模块及magenta模块与类黄酮代谢显著相关。利用类黄酮代谢通路差异表达基因作为关键基因筛选出与类黄酮代谢调控相关的27个转录因子家族,并通过启动子结合基序分析筛选获得11个转录因子。Pearson相关性分析表明,11个转录因子中有7个候选转录因子可能参与类黄酮代谢,分别为WRKY38、MYB4a、PI、WRKY15、WRKY62、MYB46、WRKY23。以上结果为研究谷子类黄酮代谢通路转录调控机制提供了新的候选基因,为深入揭示类黄酮代谢调控机制奠定基础。

儿童紫癜性肾炎进展的功能模块和关键基因的筛选研究

目的构建儿童紫癜性肾炎(HSPN)差异基因的共表达网络,筛选HSPN进展相关的功能模块和关键基因,为HSPN的诊断、治疗和预后探寻安全、无创的肾脏损伤生物标志物。方法分析临床指标与HSPN进展的相关性;筛选HSP和HSPN患者的差异表达基因;通过权重基因共表达网络分析获得与临床指标相关的网络模块,并进行模块内基因的GO富集分析;根据MM和GS筛选模块的关键基因,分析关键基因在HSP、HSPN type I、HSPN type II和HSPN type III 4个进展组中的表达情况。结果血尿/蛋白尿水平、血清IgA、CRP和C3水平与HSPN进展有关。2399个基因在紫癜性肾炎患者中差异表达,利用权重基因共表达网络分析获得10个网络模块,3个模块与临床指标相关程度最高;模块基因主要富集在中性粒细胞介导的免疫反应、细胞因子活性、白细胞迁移、血小板α颗粒和细胞粘附等通路中;模块中筛选出8个HSPN进展的关键基因,分别为GPX1-201,INHBA-201,PHLDA1-201,VEGFA-205,CALM2-201,CDKN2D-202,LDLRAP1-201和MAP1LC3B-201,其中4个与炎症和免疫反应、细胞周期调控等生物学过程有关。结论本文获得的3个功能模块通过参与炎症、免疫反应和凝血反应等生物学过程影响HSPN进展相关的临床指标;筛选出的8个关键基因具有生物学意义,可能成为HSPN进展和肾脏损伤程度的潜在分子标志物,为深入研究HSPN的进展机制和发掘潜在的生物标志物提供指导和方向。

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。

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。