老年性癡呆患者顳葉皮層差異基因的生物信息學分析

虞雪云　牛吉攀　張占軍　王　磊　白衛國　衛東鋒

(中國中醫科學院中醫臨床基礎醫學研究所，北京　100700)

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·心、腦血管及代謝性疾病·

老年性癡呆患者顳葉皮層差異基因的生物信息學分析

虞雪云牛吉攀1張占軍2王磊3白衛國衛東鋒

(中國中醫科學院中醫臨床基礎醫學研究所，北京100700)

目的探討老年性癡呆患者顳葉皮層的生物學網絡調控機制及關鍵節點在癡呆早期的病機機制。方法從基因芯片公共數據庫GEO中下載老年性癡呆患者顳葉皮層的基因芯片數據，采用在線分析軟件STRING和PANTHER對表達明顯差異的基因進行生物信息學調控網絡分析，尋找關鍵節點基因。結果在40個差異表達基因編碼的蛋白中，有19個蛋白與其他蛋白存在相互作用關系，TBP、AKT1、CS、HSPB1及PARD6A蛋白為調控網絡的關鍵節點蛋白。差異明顯的基因主要涉及分子結合、催化活性及轉錄調節活性功能，與阿爾茨海默病(AD)-早老素信號通路、γ-氨基丁酸合成通路、AD-淀粉樣蛋白分泌酶通路有關，參與了顳葉皮層的細胞間通訊、糖脂代謝、細胞轉運等生理學過程。結論AD顳葉皮層的發病與TBP、AKT1、CS、HSPB1及PARD6A等基因密切相關，主要涉及AD-早老素信號通路、γ-氨基丁酸合成通路和AD-淀粉樣蛋白分泌酶通路，有利于針對性的采用具有調節相應網絡功能的藥物進行早期干預，保護AD患者的認知功能。

老年性癡呆；顳葉皮層；差異表達基因；生物信息學；蛋白降解

顳葉皮層是一個較為敏感的腦區，在老年性癡呆(即阿爾茨海默病，AD)早期受病程的影響會發生改變，分子機制較為復雜〔1，2〕。迄今為止，基因組學方法為AD的機制研究提供了大量的臨床數據，采用生物信息學分析方法對這些臨床檢測數據進行進一步分析，探討AD在早期的病機特征，可為AD的早期診斷、治療及實驗研究提供理論依據〔3〕。本研究利用來自基因芯片公共數據庫(GEO)一組AD患者顳葉皮層(布洛德曼21區和22區)組織具有明顯差異的基因數據進行生物信息學分析，深入探討早期AD患者顳葉皮層的分子網絡改變情況。

1　材料與方法

1.1差異明顯的基因表達數據在GEO數據庫搜索框中以“Temporal cortex of Alzheimer′s disease”為檢索詞，獲得Tan MG和Lai MK提交的GSE37263基因芯片數據。GSE37263采用的是商業化的Affymetrix 人類外顯子1.0 ST芯片平臺GPL5175，基因數據分別來自25個AD患者和16個非AD正常對照的顳葉皮層組織，其中兩組間前20個表達明顯上調和下調的差異基因見表1。

1.2差異表達基因的蛋白-蛋白相互作用圖譜分析將差異明顯的39個基因相應的蛋白名稱上傳至STRING9.05蛋白-蛋白相互作用關系在線分析軟件(http：//www.string-db.org)，通過調節可信度和附加節點參數，獲得差異表達基因的蛋白-蛋白相互作用圖，篩選出中心節點蛋白。

1.3差異表達基因的生物學特征分析分別將前20個表達上調和下調的明顯差異基因ID號上傳至PANTHER 8.1在線分類系統(http：//www.pantherdb.org)，通過調節數據類型及分析類型參數，分別獲得上調和下調差異基因的分子功能、表達蛋白分類、生物學過程及信號轉導通路分析結果。

表1　前20個表達上調和下調的差異基因

2　結　果

2.1差異表達基因的蛋白-蛋白相互作用結果STRING9.05蛋白相互作用在線分析軟件分析結果表明，共有19個蛋白與其他蛋白存在相互作用關系，蛋白-蛋白相互作用網絡見圖1。拓撲網絡中包含5個小的子網絡，分別與基因轉錄、能量代謝、蛋白降解及信號轉導、細胞黏附及應激反應、上皮細胞縫隙連接有關。其中，TBP、AKT1與網絡中的其他≥8個蛋白存在相互作用關系，CS、HSPB1及PARD6A蛋白與網絡中的其他≥3個蛋白存在相互作用關系，為5個蛋白子網絡的中心節點。TP53和AKT1為總蛋白網絡的核心節點，與其他大部分蛋白質均存在相互作用關系。刪除這些核心節點蛋白后，網絡結構渙散。蛋白-蛋白相互作用網絡中預測的相關蛋白質見表2。2.2差異表達基因的分子功能分類結果通過PANTHER系統分類軟件分析發現，前20個表達明顯上調的差異基因共涉及8種分子功能，其中基因數≥2的分子功能包括分子結合、催化活性、酶調節活性、結構分子活性、核酸結合及轉錄調節活性，見表3。前20個表達明顯下調的差異基因共涉及6種分子功能，其中基因數≥2的分子功能包括分子結合、催化活性及轉錄調節活性。見表4。

表2　蛋白-蛋白相互作用網絡中預測的相關蛋白

續表2　蛋白-蛋白相互作用網絡中預測的相關蛋白

圖1　差異明顯基因的蛋白-蛋白相互作用網絡圖

序號分子功能基因數量基因簡稱百分比(%)AccessionID1分子結合7RASL12、ANKRD49、TRIP10、YBX3、TIGD3、FOXO4、RANBP3L3500054882催化活性2RASL12、ITPKB1000038243酶調節活性2ANKRD49、RANBP3L1000302344肌動活動1KIF1C500037745受體活性1CD44500048726結構分子活性3HSPB1、KIF1C、TRIP101500051987核酸結合2YBX3、FOXO41000305288轉錄調節活性2AQP1、SLC7A2100005215

2.3差異表達基因的蛋白分類結果Panther分類系統的蛋白分類結果發現，明顯上調的差異基因共涉及11類蛋白，其中基因數≥2的蛋白類別包括細胞連接蛋白、細胞骨架蛋白、調節酶、核酸結合蛋白及轉錄因子，見表5。明顯下調的差異基因共涉及13類蛋白，其中基因數≥2的蛋白類別包括裂解酶、膜轉運蛋白、轉錄因子及轉移酶，見表6。

2.4差異表達基因的生物學過程通過Panther分類系統的生物學過程分析發現，前20個表達明顯上調的差異基因共涉及11個生物學過程，其中基因數≥2的生物學過程包括細胞黏附過程、細胞間通訊過程、細胞周期、細胞組分的組成過程、細胞生理過程、發育過程、免疫系統過程、代謝過程、系統過程及細胞轉運過程，其所含基因數量、基因簡稱、百分比及ID號。見表7。前20個表達明顯下調的差異基因共涉及14個生物學過程，其中基因數≥2的生物學過程包括細胞間通訊過程、細胞周期、細胞生理過程、發育過程、免疫系統過程、代謝過程及系統過程，其所含基因數量、基因簡稱、百分比及ID號。見表8。

2.5差異表達基因所涉及的信號轉導通路分析結果生物學信號通路分析發現，差異明顯的基因共涉及16條生物學信號轉導通路，其中基因數≥2的信號通路為AD-早老素信號通路和γ-氨基丁酸合成通路，其他14條信號通路僅涉及1個差異基因，其通路名稱、所占百分比及ID號，見表9。

表4　下調基因的分子功能分類結果

表5　上調基因所涉及的蛋白分類

表6　下調基因所涉及的蛋白分類

表7　上調基因所涉及的的生物學過程

表8　下調基因所涉及的生物學過程

表9　差異明顯基因所涉及的信號轉導通路

3　討　論

已有研究表明，由β淀粉樣蛋白(Aβ)聚集形成的老年斑是AD的特征性病理變化之一，而Aβ是由跨膜蛋白β淀粉樣前體蛋白(APP)經β-分泌酶和γ-分泌酶分解后產生〔4，5〕。有研究認為，寡聚化的Aβ會對神經細胞產生毒性作用，其機制與氧化應激損傷、炎癥反應、線粒體能量代謝障礙、突觸損傷、Tau蛋白過度磷酸化引起的神經纖維纏結和細胞凋亡有關〔6〕。研究表明，由Tau蛋白異常如蛋白結構錯誤折疊、Tau蛋白過度磷酸化可導致神經細胞微管結構穩定性下降、神經纖維纏結、囊泡轉運功能失調及軸突轉運障礙，從而引起Tau蛋白介導的神經退行性疾病如AD的發生〔7〕。

本研究數據來源于人腦顳葉皮層組織，涉及的水通道蛋白1、冷休克域蛋白A、熱休克27 kD蛋白、肌醇-1，4，5-三磷酸鹽-3激酶B、神經突蛋白1、神經源性分化因子 6、驅動蛋白家族成員1C、蘋果酸脫氫酶1、谷氨酸脫羧酶2、谷氨酸-草酰乙酸轉移酶 2及神經元正五聚蛋白Ⅱ等與氧化應激、蛋白質代謝、神經傳遞、細胞骨架、能量代謝等相關，表明顳葉皮層的病理變化與之前的AD研究結果具有一些相似之處，但部分基因的表達變化有所不同，值得進一步深入研究。蛋白-蛋白相互作用研究結果表明，AD患者顳葉皮層的差異基因之間存在相互作用關系，以基因轉錄、能量代謝、蛋白降解及信號轉導、細胞黏附及應激反應、上皮細胞縫隙連接方面的基因關系較為密切，其中TBP、AKT1、CS、HSPB1及PARD6A作為網絡節點值得進一步深入研究，為早期AD的診斷提供了線索和依據。

中醫藥對老年性癡呆的防治作用是典型的復雜系統作用的結果，具有多靶點，網絡綜合調控的生物學特點。采用“網絡對網絡”的生物信息學方法研究老年性癡呆的發病機制，是適合中醫藥作用特點的研究新方法和新模式，才有可能真正揭示其相互作用關系及作用機制，使其“復雜而可知”。本研究生物信息學分類結果表明，AD患者顳葉皮層的差異明顯基因主要涉及分子結合、催化活性及轉錄調節活性功能，通過調節AD-早老素信號通路、γ-氨基丁酸合成通路、AD-淀粉樣蛋白分泌酶通路及三羧酸循環信號轉導通路，參與了顳葉皮層的細胞間通訊、糖脂代謝、細胞轉運及細胞黏附等生理學過程，為早期AD患者大腦皮層的病機研究提供了新思路和防治靶標。

1Kerrigan TL，Randall AD.A new player in the “synaptopathy” of Alzheimer′s disease-arc/arg 3.1.〔J〕.Front Neurol，2013;4(9):1-7.

2Zhou B，Liu Y，Zhang Z，etal.Impaired functional connectivity of the thalamus in Alzheimer′s disease and mild cognitive impairment:a resting-state fMRI study〔J〕.Curr Alzheimer Res，2013;10(7)：754-66.

3Farrer LA.Expanding the genomic roadmap of Alzheimer′s disease〔J〕.Lancet Neurol，2015；14(8)：783-5.

4Sindi S，Mangialasche F,Kivipelto M.Advances in the prevention of Alzheimer′s Disease〔J〕.F1000 Prime Rep，2015；7(1)：50.

5Roberson ED，Mucke L.100 years and counting：prospects for defeating Alzheimer′s disease 〔J〕.Science，2006；314(5800)：781-4.

6Hardy J，Selkoe DJ.The amyloid hypothesis of Alzheimer′s disease：progress and problems on the road to therapeutics〔J〕.Science，2002；297(5580)：353-6.

7Ballatore C，Lee VM，Trojanowski JQ.Tau-mediated neurodegeneration in Alzheimer′s disease and related disorders〔J〕.Nat Rev Neurosci，2007；8(9)：663-72.

〔2016-05-06修回〕

(編輯袁左鳴)

Bioinformatic analysis of differentially expressed genes of temporal cortex in Alzheimer′s disease patients

YU Xue-Yun,NIU Ji-Pan,ZHANG Zhan-Jun,et al.

Institute of Basic Research in Clinical Medicine,China Academy of Chinese Medical Sciences,Beijing 100700,China

ObjectiveTo observe the biological network regulation mechanism and key nodes of temporal cortex to provide new thoughts for basic research and clinical treatment of Alzheimer′s disease(AD) at early stage.MethodsThe microarray genes data from temporal cortex of AD patients were downloaded from the Gene Expression Omnibus(GEO) database and analyzed by bioinformatics methods using STRING and PANTHER online analysis software.ResultsOf all the 40 differentially expressed genes，19 were found to encode proteins with interactions,in which TBP,AKT1,CS,HSPB1 and PARD6A proteins were key nodes of the protein-protein network.Bioinformaties results indicate that the differentially expressed genes had binding,catalytic activity and transcription regulator activity and were involved in AD-presenilin pathway,Gamma-aminobutyric acid synthesis pathway and AD-amyloid secretase pathway.These genes also participated in cell communication,glucose and lipid metabolism and transport process of temporal cortex.ConclusionsThe pathology of temporal cortex in AD patients might be closely related to TBP,AKT1,CS,HSPB1 and PARD6A genes and are mainly involve in AD-presenilin pathway,Gamma-aminobutyric acid synthesis pathway and AD-amyloid secretase pathway.It contributes to the prevention and treatment of AD using drug based on gene regulatory network.

Alzheimer′s disease;Temporal cortex;Differentially expressed genes;Bioinformaties;Protein degradation

國家自然科學基金資助項目(81274001);國家科技重大專項-重大新藥創制(2013ZX09103002-002，2013ZX09301307)

衛東鋒(1982-)，男，助理研究員，博士，主要從事中醫藥防治老年性癡呆研究。

虞雪云(1984-)，女，助理研究員，主要從事醫學生物信息學研究。

R741

A

1005-9202(2016)16-3927-06；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.16.026

1河南省省直第二醫院腫瘤科

2北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室

3南方醫科大學中醫藥學院