基于網(wǎng)絡的流感病毒復制的研究

崔雙龍++李圓媛

摘 要：流感病毒是一種重要的呼吸道疾病病原，容易在人群中造成地方流行，給人類帶來災難和危害。利用A型流感病毒的四種毒株H3N2、H5N1、H7N7和H7N9的基因表達譜數(shù)據(jù)集，運用偏最小二乘法，分別構建了四個流感病毒感染復制的調控網(wǎng)絡，挖掘了四個數(shù)據(jù)集下在病毒復制過程中發(fā)揮重要功能的基因，為進一步探索流感病毒在宿主細胞內的復制機制，揭示流感病毒的致病機理提供了可能。

關鍵詞：偏最小二乘法 病毒復制 復雜網(wǎng)絡

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

基金項目：湖北省教育廳科學技術研究計劃青年人才項目（Q20151505）；武漢工程大學第十期大學生校長基金項目（2015008）

1 引言

人類約60-70%的傳染性疾病是由病毒感染所引起。近年來，重大病毒傳染性疾病的爆發(fā)流行日趨嚴重，對人類健康和社會經(jīng)濟發(fā)展構成了巨大威脅。而這些病毒必須依靠宿主細胞才能不斷的復制下去，基于網(wǎng)絡的系統(tǒng)生物學方法，揭示病毒復制及與宿主相互作用網(wǎng)絡的分子機制，發(fā)現(xiàn)抗病毒藥物新靶標，為病毒性傳染病預防和治療提供新理論和新技術，是當前生命科學研究的前沿領域之一[1]。

2 多層網(wǎng)絡的構造

2.1數(shù)據(jù)來源

在美國國家生物信息中心已經(jīng)公開的數(shù)據(jù)庫中，GEO號為GSE49840的數(shù)據(jù)庫中包含了四組基因表達譜數(shù)據(jù)。這四組數(shù)據(jù)分別是被新型禽源流感病毒H7N9，禽流感病毒H5N1和H7N7，以及H3N2流感病毒數(shù)據(jù)。該實驗數(shù)據(jù)通過四種不同的病毒去感染樣本，并且分別測量了病毒感染后宿主在3小時、7小時、12小時和24小時的基因表達譜數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

對于每一組基因表達譜數(shù)據(jù)，我們根據(jù)探針信息的注釋文件，將探針號與基因ID號對應起來，如果沒有對應的基因ID號，我們將舍棄該探針，如果有幾個探針對應的是同一個基因的ID號，我們將這幾個探針的平均值作為該基因的表達譜數(shù)據(jù)。

2.3 基因的選取

自2008年以來共有六個科研小組發(fā)現(xiàn)了參與流感病毒復制的人體宿主細胞因子，在這些宿主因子中有128個宿主基因至少被兩個實驗證明參與了流感病毒復制[2]。我們發(fā)現(xiàn)這128個基因中有116個基因在GSE49840數(shù)據(jù)庫中有基因表達譜數(shù)據(jù)值，所以我們以這116個基因作為我們研究工作的候選基因。

2.4 多層網(wǎng)絡的構建

一共有四組基因表達譜數(shù)據(jù)，所以我們構建了一個四層的多層網(wǎng)絡，每一層是一種流感病毒的復制調控網(wǎng)絡，用一個線性方程來近似基因間的調控關系，用偏最小二乘法求解線性模型中的調控參數(shù)，并進一步利用閾值篩選有顯著意義的調控關系，具體的步驟如下：

（1）計算成對基因之間的皮爾遜相關系數(shù)，設定閾值，得到一個流感病毒復制調控的初始網(wǎng)絡；

（2）為了簡化，用一個線性方程來描述病毒復制有關的基因之間的調控關系：

其中 表示第 個基因的表達水平， 表示第 個基因對第 個基因的作用強度。

（3）在Matlab中調用spline函數(shù)，根據(jù)基因在3小時、7小時、12小時、24小時的表達值，利用三次樣條插值每隔0.5小時進行插值，然后用中心差分值代替微分值，得到基因在3小時、7小時、12小時、24小時這四個時刻的表達值變化率：

（f）選取合適的閾值 ，刪除相互作用強度較小的邊，從而得到每種病毒感染下的基因調控網(wǎng)絡。閾值 的選取是基于統(tǒng)計網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)隨著 的變化情況，當節(jié)點數(shù)發(fā)生顯著變化時此時對應的 值即為閾值。

3 重要模塊及基因的識別

首先基于所構造的多層網(wǎng)絡，利用模塊探測算法ClusterOne[4]，識別了每一層網(wǎng)絡中的模塊。然后參照文獻[5]中定義的模塊影響力指標，分別計算了四層網(wǎng)絡中每一層網(wǎng)絡的高影響力模塊，如表1所示：

在這些高影響力模塊中，基因DAP3、C6orf62、ACVR1C、ATP6V0D1至少兩次出現(xiàn)在了不同病毒的高影響力模塊中，我們認為這四個基因在流感病毒的復制過程中發(fā)揮了重要的作用。它們可以成為新的抗病毒藥物的靶標。

4 結論

本文中基因表達譜數(shù)據(jù)出發(fā)，利用偏最小二乘法構建了一個流感病毒復制的基因調控多層網(wǎng)絡，每一層網(wǎng)絡是一種流感病毒，然后基于所構造的多層網(wǎng)絡挖掘了與病毒復制有關的重要模塊和基因為流感病毒復制機制的研究和抗病毒藥物的研制提供了新的思路。

參考文獻

[1] N.-Y. Hsu， O. Ilnytska， G. Belov， et al. Viral reorganization of the secretory pathway generates distinct organelles for rna replication. Cell， 141（5）：799–811， 2010.

[2] Watanabe T， Watanabe S， Kawaoka Y. Cellular networks involved in the influenza virus life cycle[J]. Cell host & microbe， 2010， 7（6）： 427-439.

[3] 王惠文，吳載斌，孟潔. 偏最小二乘回歸的線性與非線性方法[M]. 北京：國防工業(yè)出版社， 2006

[4] T. Nepusz， H. Yu， and A. Paccanaro. Detecting overlapping protein complexes in protein-protein interaction networks. Nature Methods， 9（5）：471–472， 2012.

[5] Y. Li， S. Jin， L. Lei， Z. Pan， and X. Zou. Deciphering deterioration mechanisms of complex diseases based on the construction of dynamic networks and systems analysis. Scientific Reports， 5：9283， 2015.