应用基因集富集分析和加权基因共表达网络分析方法分析类风湿关节炎的枢纽基因及意义

背景:用目前的免疫方法检测类风湿关节炎患者的传统血清标志物,仍有30%为阴性;近年发现的血清生物标志物对类风湿关节炎诊断的敏感性和特异性较低,不适于临床推广。目的:应用基因集富集分析和加权基因共表达网络分析方法分析类风湿关节炎枢纽基因及其意义。方法:从GEO数据库下载GSE1919、GSE55235数据集,使用R软件“limma”包初筛差异表达基因、“clusterProfiler”包进行加权基因共表达网络分析,取交集基因作为候选枢纽基因。将结果导入String数据库构建蛋白质相互作用网络,Cytoscape软件cytoHubba插件筛选枢纽基因,并进行基因本体分析、京都基因与基因组百科全书通路富集分析。同时对2个数据集用基因集富集分析方法进行京都基因与基因组百科全书通路分析。结果与结论:①共筛选出10个枢纽基因,其基因本体分析集中在淋巴细胞分化、T细胞分化、质膜信号受体复合物、主要组织相容性复合体蛋白结合等生物学功能;②京都基因与基因组百科全书通路富集于T细胞受体信号通路、Th1辅助细胞和Th2辅助细胞分化、Th17辅助细胞分化、肿瘤细胞程序性死亡-配体1表达和程序性死亡受体1检查点通路及原发性免疫缺陷5条通路;③基因集富集分析2个数据集类风湿关节炎样本发现3条共同通路:哮喘、自身免疫性甲状腺疾病和细胞黏附分子通路显著上调;④受试者工作特征曲线结果显示,5个基因(CD27、IL2RG、CD8A、LCK、NKG7)对诊断类风湿关节炎具有良好的特异性和敏感性(曲线下面积>0.85);⑤CD4可能是多能的基因网络协调员,在免疫反应中发挥重要功能。

量化肿瘤浸润免疫细胞的分析方法研究进展

免疫细胞一直被认为是维持机体平衡的重要调节因子,对肿瘤浸润免疫细胞进行量化分析有望揭示免疫系统在肿瘤中的多方面作用。本文总结了量化肿瘤浸润免疫细胞的计算方法及相关的分析工具,包括基于标志基因富集分析方法和反卷积分析方法开发的算法模型与工具,列举了它们在揭示疾病发病机制以及药物治疗反应、确定肿瘤潜在生物标志物、辨别肿瘤免疫分型中的应用,提出了它们当前存在的局限性,并针对这些局限性问题进行了分析和展望,以促进该领域的发展。

基于生物信息学技术对结直肠癌相关lncRNA、miRNA和mRNA的筛选及其部分生物学功能的分析

目的:筛选TCGA数据库中结直肠癌(CRC)差异表达的lncRNA、miRNA和mRNA,探讨其与CRC预后的关系及相关生物学功能。方法:从TCGA数据库中下载CRC样本的RNA测序(RNA-Seq)数据及miRNA-Seq数据并进行分析,利用R程序筛选出差异表达的lncRNA、miRNA和mRNA。通过miRcode、TargetScan和miRTarbase 3个数据库对差异表达的RNA之间的关系进行分析整合,构建CRC中的lncRNA-miRNA-mRNA ceRNA网络。用Kaplan-Meier法分析ceRNA网络中的lncRNA、miRNA和mRNA表达量与患者生存预后的关系,后用GSEA功能富集分析软件分析出参与CRC发生发展的信号通路。结果:共鉴定出CRC中614个差异表达的lncRNA、244个差异表达的miRNA、12 672个差异表达的mRNA;构建了由139个lncRNA、37个miRNA和228个mRNA组成的ceRNA网络;发现有58个lncRNA、23个miRNA、150个mRNA与CRC的预后相关。GSEA富集分析结果显示,mRNA主要参与Notch、Hedgehog和TGF-β等信号通路。结论:成功构建CRC相关ceRNA网络,并筛选出与CRC预后相关的lncRNA、miRNA和mRNA,为后续深入开展CRC的临床研究及基础实验研究提供有价值的前期基础。

基于S100A9蛋白的高表达是肝细胞肝癌的高危因素分析

探讨S100A9蛋白与肝细胞肝癌(hepatocellular carcinoma,HCC)的临床病例特征及预后之间的关系。方法:免疫组化及采用Western blot试验检测肝癌组织及癌旁非肿瘤组织中S100A9的表达水平;运用在线数据库数据统计分析肝细胞肝癌中S100A9表达与患者临床特征之间的关系,并进行S100A9的基因富集检测。结果:S100A9在肝细胞肝癌中的表达显著高于癌旁非肿瘤组织(P=0.025);在TNM分期较晚的肝癌组织中S100A9的表达高于TNM分期较早的肝癌组织,结果具有统计学意义(P=0.017);高S100A9表达的肝癌患者比低S100A9表达的肝癌患者有更低的总体生存率(P=0.014);存在肺转移或者淋巴结转移的肝癌患者中S100A9的表达高于未肺转移及淋巴结转移的肝癌患者,(P<0.05);直径较大的肝癌组织中S100A9的表达高于直径较小的肝癌组织(P=0.05);单基因GSEA富集分析富集到了JAK_STAT及WNT经典信号通路。结论:S100A9的在肝细胞癌中过表达并且促进了肝癌的增殖、迁移,而S100A9可能通过JAK_STAT及WNT信号通路发挥促进肝癌发生发展的作用。

基于铜死亡相关基因的慢加急性肝衰竭的机制研究

目的 探究铜死亡相关基因在慢加急性肝衰竭(Acute-on-chronic liver failure, ACLF)发生发展中的作用,从而进一步研究ACLF与铜死亡相关的发病机制。方法 从GEO(Gene Expression Omnibus, GEO)数据库中下载ACLF相关数据。利用R软件筛选GEO数据库中ACLF与慢性肝病对比的差异表达基因(Differentially expressed genes, DEGs)和铜死亡相关基因的取交集,对共同差异基因通过GSEA(Gene Set Enrichment Analysis,基因集富集分析)分别进行单基因GO/KEGG富集分析,对相关基因通路富集结果结合铜死亡代谢图绘制铜死亡相关ACLF机制图。结果 共筛选出3个关于铜死亡相关的ACLF差异表达基因(P<0.05),进一步分析得出与铜死亡相关ACLF发生发展机制。结论 通过生物信息学分析,筛选出可能参与ACLF发病机制的铜死亡相关基因和信号通路,以期为ACLF的发病机制的研究提供理论基础以及对ACLF的发生发展和治疗提供新的靶点和策略。

基于TCGA及Oncomine数据库挖掘TMEM164在肝细胞癌中的表达及临床意义

目的TMEM164是TMEM家族的一员,实验基于肿瘤基因组图谱(TCGA)和Oncomine数据库评估了TMEM164在肝细胞癌中表达及临床意义。方法从GDC Data Portal网站(https://portal.gdc.cancer.gov/)下载424例HCC的RNA表达谱和临床病理参数资料。其中肝细胞癌(HCC)组织374例,癌旁正常组织50例。借助Oncomine数据库进一步扩大样本量,验证TCGA数据库分析结果是否正确。采用Kaplan-Meier曲线和Cox回归分析TMEM164表达与患者预后的相关性,并进行基因集富集分析(GSEA),探讨其潜在作用机制。结果TMEM164在HCC组织中表达量显著高于癌旁正常组织(P<0.001);TMEM164表达水平与HCC患者的Stage分期和T分期均显著相关(P<0.05);生存分析显示TMEM164高表达患者总生存率显著低于低表达患者(P<0.01);单因素及多因素Cox回归分析结果表明TMEM164高表达可能作为HCC患者预后的独立指标。GSEA表明TMEM164可能通过调控mTOR、ERBB等通路进而调控细胞周期、凋亡、自噬及RNA降解等参与HCC的进程,此外TMEM164还可能作用于与免疫相关的信号通路。结论TMEM164在肝细胞癌中高表达,与患者预后不良相关,可能成为HCC患者的预后标志物及潜在治疗靶点。

基于生物信息学筛选骨关节炎免疫浸润相关基因

为筛选骨关节炎(osteoarthritis,OA)免疫浸润相关基因,从基因表达数据库(Gene Expression Omnibus,GEO)中获取多个芯片数据,分为训练集以及验证集,筛选出差异表达基因(differentially expressed gene,DEG);采用基因集富集分析(Gene Set Enrichment Analysis,GSEA)软件对训练集所有基因进行基因本体论(Gene Ontology,GO)与京都基因和基因组数据库(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)分析,同时对DEG进行GO及KEGG分析,并构建DEG蛋白质相互作用网络,筛选关键基因;利用验证集对关键基因进行差异验证,并判断关键基因的诊断价值;通过单样本基因集富集分析(single sample gene set enrichment analysis,ss-GSEA)算法获得28种免疫细胞在OA的含量及比例;利用Spearman相关性分析计算关键基因表达与免疫细胞浸润的相关性。结果显示,OA与正常软骨组织之间有27个DEG;OA样本的基因表达改变主要涉及体液免疫反应与组氨酸代谢信号通路等过程;DEG与金黄色葡萄球菌感染相关信号通路和NOD样受体信号通路相关;从DEG中筛选得到4个关键基因,即CAMP、S100A8、DEFA3和COL5A2,它们在OA组织中异常表达并具有较高的诊断价值。进一步的免疫细胞浸润分析结果显示,在OA软骨组织中活化B细胞等免疫细胞变化显著,且4个关键基因与免疫浸润有显著的相关性。研究结果表明,活化B细胞等免疫相关细胞在OA的发生发展中有着重要的作用;CAMP、S100A8、DEFA3和COL5A2是免疫浸润相关的关键基因,与OA发生发展密切相关。

CST6在结肠癌中的表达及与肿瘤血管生成的关系

目的研究半胱氨酸蛋白酶抑制因子Cystatin 6(CST6)在结肠癌中的表达及其与肿瘤血管生成的关系。方法利用肿瘤基因组图谱数据库(The Cancer Genome Atlas,TCGA)分析CST6在正常结肠上皮、无转移性结肠癌和转移性结肠癌组织中的表达差异,并探讨其表达高低与结肠癌预后的关系。同时,采用基因富集分析(gene set enrichment analysis,GSEA)及免疫组化方法探究结肠癌中CST6所影响的信号通路及可能的作用机制。结果(1)CST6在结肠癌中的表达明显高于正常结肠上皮,转移性结肠癌中CST6表达水平明显高于无转移结肠癌;(2)具有高CST6表达水平的结肠癌患者疾病特异性生存期以及无进展生存期显著缩短;(3)GSEA分析提示在结肠癌中CST6高表达的患者中,上皮-间充质转化和血管生成通路显著富集;(4)结肠癌中CST6与血管生成相关因子PDGFR的表达呈现正相关。结论CST6在结肠癌组织中呈高表达,高表达CST6的结肠癌患者预后更差,可能与其促进肿瘤血管生成作用有关,提示其可能在结肠癌中作为一个新型癌基因发挥作用。

应用GSEA和WGCNA方法分析细菌性败血症宿主关键差异基因及意义

【目的】采用生物信息学方法分析公共数据库来源的细菌性败血症患者全血转录组学表达谱,探讨细菌败血症相关的宿主关键差异基因及意义。【方法】基于GEO数据库中GSE80496和GSE72829全血转录组基因数据集,采用GEO2R、基因集富集分析(GSEA)联用加权基因共表达网络分析(WGCNA)筛选细菌性败血症患者相比健康人群显著改变的差异基因,通过R软件对交集基因进行GO功能分析和KEGG富集分析。同时,通过String 11.0和Cytoscape分析枢纽基因,验证枢纽基因在数据集GSE72809(Health组52例,Definedsepsis组52例)全血标本中的表达情况,并探讨婴儿性别、月(胎)龄、出生体重、是否接触抗生素等因素与靶基因表达谱间的关系。【结果】分析GSE80496和GSE72829数据集分别筛选得到932个基因和319个基因,联合WGCNA枢纽模块交集得到与细菌性败血症发病相关的10个枢纽基因(MMP9、ITGAM、CSTD、GAPDH、PGLYRP1、FOLR3、OSCAR、TLR5、IL1RN和TIMP1);GSEA分析获得关键通路(氨基酸糖类-核糖代谢、PPAR信号通路、聚糖生物合成通路、自噬调控通路、补体、凝血因子级联反应、尼古丁和烟酰胺代谢、不饱和脂肪酸生物合成和阿尔兹海默症通路)及生物学过程(类固醇激素分泌、腺苷酸环化酶的激活、细胞外基质降解和金属离子运输)。【结论】本项研究通过GEO2R、GSEA联用WGCNA分析,筛选出与细菌性败血症发病相关的2个枢纽模块、10个枢纽基因以及一些关键信号通路和生物学过程,可为后续深入研究细菌性败血症致病机制奠定理论依据。

利用生物信息学探讨IL-8在慢性阻塞性肺疾病中异常表达及其相关基因的功能

目的利用生物信息学的方法探究IL-8在慢性阻塞性肺疾病(COPD)中的差异表达机制及其相关基因的功能。方法使用基因表达综合数据库(gene expression omnibus,GEO)筛选慢阻肺患者和正常对照样本的mRNA、miRNA和lncRNA的表达数据;独立样本秩和检验比较IL-8的表达差异;基因富集分析(gene set enrichment analysis,GSEA)与IL-8表达相关的正负相关基因;通过预测IL-8相关的差异miRNA和差异lncRNA绘制IL-8-miRNA-lncRNA环状网络;利用String构建差异基因网络并利用MCODE筛选蛋白互作网络中的关键基因;利用R软件的clusterProfiler包对IL-8正负表达相关基因进行基因本体论(gene ontology,GO)和京都基因与基因组百科全书数据库(KEGG)富集分析。结果IL-8在慢阻肺患者中高表达;基因富集分析发现IL-8相关的正负相关基因富集在细胞转化和一些受体信号通路上;通过IL-8-miRNA-lncRNA环状网络发现lncRNA中SNHG5、MALAT1通过SNHG5/MALAT1-miR-32-5p-IL-8轴调控IL-8与慢阻肺的疾病相关;Go和Kegg通路富集在蛋白乙酰转移酶/组蛋白脱乙酰酶、PI3K-Akt通路、TNF-α/IL-17信号通路等信号通路中。结论IL-8可能作为治疗慢阻肺的靶点,有望通过调控IL-8及其相关通路以调节糖皮质激素抵抗、抑制炎症反应而治疗慢性阻塞性肺疾病。

髓样锌指蛋白1在卵巢癌中的表达及其与预后的关系

目的探索髓样锌指蛋白1(myeloid zinc finger 1,MZF1)在卵巢癌中的表达及其与预后的关系。方法利用基因表达数据库(Gene Expression Ominus,GEO)GSE10971和GSE12172和癌症基因组数据库(The Cancer Genome Altas,TCGA),分析MZF1在正常输卵管上皮、低度恶性潜能的卵巢肿瘤(卵巢交界性肿瘤)和卵巢癌中的表达差异,并探讨其表达高低与卵巢癌预后的关系。同时,采用基因富集分析(gene set enrichment analysis,GSEA),探究MZF1高表达和MZF1低表达的卵巢癌患者相关信号通路的差异。结果(1)MZF1在卵巢癌中的表达明显低于正常输卵管上皮和卵巢交界性肿瘤中的表达;(2)在达到满意瘤体减灭术的卵巢癌患者中,MZF1高表达的卵巢癌患者无病进展生存期和总生存期长;(3)GSEA提示在MZF1低表达的患者中,炎症反应相关基因、上皮间充质转化相关基因、血管生成相关基因和脂肪形成相关基因均显著富集。结论MZF1在卵巢癌组织中呈低表达,高表达MZF1的卵巢癌患者预后好,提示其可能在卵巢癌中发挥抑癌基因的作用。

原发性高血压患者血浆基因表达谱的生物信息学分析

目的应用生物信息学方法分析原发性高血压(EH)患者与正常血压成人差异表达的长链非编码RNA(lncRNA)和信使RNA(mRNA),从分子水平探讨EH的发病机制,为研究EH提供新思路。方法从美国国立生物技术信息中心公共数据平台下载包含5份EH患者和5份正常血压者(对照组)的血浆样本基因芯片数据集GSE76845(为了降低个体差异,每三个人的血浆混合为一份样本),使用R语言包寻找差异基因,进行基因集合富集分析(GSEA),使用miRcode、miRDB、miRTarBase和TargetScan数据库预测靶向微小RNA(miRNA)和mRNA并构建内源竞争RNA(ceRNA)调控网络。结果与对照组比较,EH组共筛选出191个差异lncRNA(90个上调、101个下调)和1187个差异mRNA(533个上调、654个下调),GSEA分析得到泛醌和其他萜烯类醌的生物合成,甲状旁腺激素的合成、分泌及作用,脂肪酸代谢和甾体激素生物合成等17条通路可能参与高血压的发生。构建了包含150个节点和488个交互对的ceRNA网络。结论采用生物信息学方法分析EH,为EH发生发展的分子机制和治疗靶点研究提供了研究方向和理论依据。