動脈粥樣硬化易感基因挖掘與生物信息學(xué)分析

王文棟 常曉彤 杜華陽 (河北北方學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗學(xué)院生物化學(xué)教研室，河北 張家口 075000)

動脈粥樣硬化易感基因挖掘與生物信息學(xué)分析

王文棟 常曉彤 杜華陽1(河北北方學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗學(xué)院生物化學(xué)教研室，河北 張家口 075000)

目的挖掘動脈粥樣硬化(AS)易感基因，為尋找AS正確的診斷和治療方法提供線索和數(shù)據(jù)支撐。方法從PubMed、OMIM和GEO數(shù)據(jù)庫檢索AS相關(guān)數(shù)據(jù)，利用SMD在線工具對AS易感基因進(jìn)行染色體定位，并通過DAVID和STRING10.0軟件進(jìn)行基因功能注釋和蛋白互作分析。結(jié)果共獲得AS易感基因454個，其染色體定位分布不均勻，以1、11、2和4號分布較多，Y染色體多于X染色體上的分布；AS易感基因富集在24個生物學(xué)功能注釋單元中，其中44個編碼蛋白存在互作關(guān)系，涉及多種生物學(xué)過程和分子功能。結(jié)論AS易感基因的控掘與生物信息分析為AS的分子水平機(jī)制研究提供了數(shù)據(jù)平臺，為多基因復(fù)雜疾病的基因挖掘提供了有效方法。

動脈粥樣硬化；易感基因；染色體定位；富集分析；蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)

動脈粥樣硬化(AS)也被稱為動脈硬化性血管病(ASVD)，包括脂質(zhì)代謝紊亂、血管內(nèi)皮細(xì)胞受損、炎性細(xì)胞浸潤、斑塊破裂和血栓形成等慢性病理過程，是眾多心腦血管疾病共同的病理基礎(chǔ)〔1～5〕。AS患病早期無明顯癥狀，患者察覺時多因發(fā)現(xiàn)其他心腦血管并發(fā)癥，例如，腦卒中、心臟病等〔4〕。誘發(fā)AS的風(fēng)險因素較多〔5〕，如糖尿病、血脂異常、吸煙、肥胖、維生素B缺乏、PM2.5空氣污染等〔6～8〕。研究表明男性AS發(fā)病率明顯高于女性，且男性發(fā)病年齡集中在40～50歲，女性發(fā)病年齡則集中在50～70歲〔9〕。AS是由遺傳與環(huán)境因素共同作用的多基因病，其病理過程復(fù)雜，分子水平機(jī)制尚不明確。近30年來，人類基因組計劃的完成、高通量芯片技術(shù)的誕生、生命科學(xué)和生物信息學(xué)領(lǐng)域的不斷更新與完善使人們在分子水平積累了大量的實驗數(shù)據(jù)和研究成果。2000年7月，美國國立生物技術(shù)信息中心NCBI首次發(fā)布了GEO數(shù)據(jù)庫，它儲存了大量的基因表達(dá)、分子豐度信息，可上傳和儲存高通量生物芯片實驗數(shù)據(jù)，是目前最重要的對基因表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、查詢和檢索的在線資源〔10〕。目前權(quán)威的人類孟德爾遺傳在線數(shù)據(jù)庫是持續(xù)更新的關(guān)于人類基因和遺傳紊亂疾病的數(shù)據(jù)庫，為多基因復(fù)雜疾病的研究提供了數(shù)據(jù)支持〔11〕。miRNA水平的基因治療是探索治療AS的新途徑，但目前主要處于動物試驗階段〔12〕。本研究擬挖掘AS易感基因、在系統(tǒng)和生物組學(xué)水平研究其功能及在疾病發(fā)生中的作用。

1 材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源 AS易感基因主要從PubMed、OMIM、GEO數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索和挖掘。以“Atherosclerosis AND human”為檢索詞在PubMed數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，獲得與AS相關(guān)的文獻(xiàn)共計86 364條，其中涉及AS相關(guān)基因共計209個；利用OMIM數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索與挖掘，共獲得212條AS相關(guān)記錄，挖掘到189個AS相關(guān)基因，并根據(jù)OMIM號在NCBI上檢索到AS相關(guān)基因的Gene ID；在GEO DataSets中以“Atherosclerosis AND human〔organism〕”檢索人類有關(guān)的AS微陣列實驗數(shù)據(jù)，從GDS5083數(shù)據(jù)集中下載研究項目編號為GSE43292的芯片數(shù)據(jù)作為研究對象，利用NCBI提供的“up/down gene”篩選工具，獲得與AS相關(guān)的差異表達(dá)基因69個。

1.2方法 根據(jù)AS易感基因一一對應(yīng)的Gene ID，利用在線分析工具Stanford Microarray Database〔13〕，對AS易感基因進(jìn)行染色體定位，并作圖統(tǒng)計分析。利用DAVID數(shù)據(jù)庫〔14〕采用全新的模糊聚類算法，將AS易感基因列表關(guān)聯(lián)到生物學(xué)注釋上，進(jìn)而從統(tǒng)計層面，在數(shù)千個關(guān)聯(lián)注釋中，找出最顯著富集的生物學(xué)功能注釋，功能相關(guān)的基因聚到一個單元，在生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)水平研究這些基因群。由于功能相似的基因其編碼的蛋白通常存在互作關(guān)系，所以利用STRING10.0在線分析工具〔15〕將AS易感基因富集結(jié)果所得基因編碼蛋白進(jìn)行互作網(wǎng)絡(luò)分析。

2 結(jié) 果

2.1AS易感基因的挖掘 從PubMed、OMIM、GEO數(shù)據(jù)庫對AS易感基因進(jìn)行挖掘，經(jīng)過篩選、統(tǒng)計和匯總，共得到AS易感基因454個。見表1。

2.2AS易感基因的染色體定位 454個AS易感基因染色體定位結(jié)果顯示見圖1，AS易感基因在染色體上的分布較廣，但不均勻，其中1號染色體上分布最多，其次為11、2、4號染色體，除此之外，AS易感基因在性染色體上也有分布，在Y染色體上分布的易感基因有RPS4Y1、UTY、KDM5D、USP9Y、DDX3Y、EIF1AY和TXLNGY，而X染色體上分布的易感基因有IL13RA2、TMEM255A和RPS26P11。

表1 AS易感基因

續(xù)表1 AS易感基因

2.3AS易感基因的富集分析 利用DAVID在線分析工具將AS易感基因關(guān)聯(lián)到24個注釋單元中，Cluster#1 26個包括LPL、GALNT2、HNF1A、LDLR、FADS1、APOC1、FADS3、FADS2、ABCA1、APOA4、ABCG8、APOB、GCKR、APOA1、APOE、LCAT、APOC3、APOA5、LIPG、PCSK9、SORT1、CETP、LIPC、ANGPTL3、PLTP、ANGPTL4；Cluster#2 17個：GALNT2、LPL、LDLR、APOC1、ABCA1、APOA4、APOB、GCKR、APOA1、APOE、LCAT、APOA5、APOC3、LIPG、SORT1、PCSK9、CETP；Cluster#3 18個：GALNT2、LPL、LDLR、APOC1、DOCK7、ABCA1、APOA4、APOB、GCKR、APOA1、APOE、APOA5、APOC3、LIPG、PCSK9、SORT1、CETP、ANGPTL3；Cluster#4 19個：LPL、LDLR、FADS3、FADS2、DOCK7、ABCA1、APOA4、APOB、GCKR、ABCG5、APOA1、APOE、APOC3、APOA5、LIPG、CETP、LIPC、ANGPTL3、LIPC；Cluster#5 14個：LPL、LDLR、FADS1、CRP、FADS2、G6PC2、APOB、GCKR、LCAT、MTNR1B、SORT1、CETP、LIPC、NR1H3；Cluster#6 5個：SLC2A9、GCKR、APOA1、APOA5、APOC3；Cluster#7 4個：ATHS、ESR1、ALOX5、SELE；Cluster#8 4個：NUMB、ABI2、LRRC18、DNAH5；Cluster#9 4個：LPA、KL、PON1、IRS1；Cluster#10 4個：APOA4、APOA1、APOA5、APOC3；Cluster#11 4個：GCKR、HNF1A、APOE、CRP；Cluster#12 3個：ICAM1、CD36、TNF；Cluster#13 3個：LPL、GCKR、CETP；Cluster#14 3個：WDFY4、TNFAIP3、ITGAM；Cluster#15 4個：ACE、TNFSF4、OLR1、ESR1；Cluster#16 4個：HLA-DRB1、HLA-DRB4、CD40、TNFAIP3；Cluster#17 4個：PPARG、CDKN2B、VEGFA、CDKN2A；Cluster#18 2個：LMNA、PPARG；Cluster#19 2個：ABCG8、ABCG5；Cluster#20 2個：TNFRSF11B、LRP5；Cluster#21 2個：CDKN2A、CDKN2B；Cluster#22 2個：ICAM1、ABO；Cluster#23 3個：HMOX1、SERPINA1、FGB；Cluster#24 2個FGB、FGA。主要涉及血脂異常位點、冠狀動脈疾病風(fēng)險位點、心血管疾病標(biāo)記基因位點和主動脈粥樣硬化易感基因位點等。此外，發(fā)現(xiàn)有少數(shù)AS易感基因是一些非心腦血管疾病的關(guān)聯(lián)基因，例如：WDFY4、TNFAIP3、ITGAM與紅斑狼瘡有關(guān)；HLA-DRB1、HLA-DRB4、CD40、TNFAIP3與風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎有關(guān)；TNFRSF11B、LRP5與骨質(zhì)疏松有關(guān)；HMOX1、SERPINA1、FGB與慢性肺炎相關(guān)。

圖1 AS易感基因的染色體定位

2.4AS富集基因編碼蛋白的互作關(guān)系 利用STRING10.0在線分析工具發(fā)現(xiàn)AS富集基因中有44個基因編碼的蛋白存在互作關(guān)系見圖2，其中APOC1、ABCG5、ABCG8、APOA4、APOC3、APOE、PCSK9、APOA1、CETP、LDLR、LPL、APOB、LPA、LCAT、ANGPTL3、LIPG、ABCA1、APOA5、NR1H3、PON1和PLTP蛋白與其他≥5個蛋白存在相互關(guān)系，為此蛋白互作網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，刪除這些節(jié)點蛋白后，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)渙散。其中APOC1、APOC3；APOA1、APOA4、APOA5；APOB、APOE屬于載脂蛋白家族，與脂代謝疾病、高血壓、慢性心臟病等密切相關(guān)，且APOC1、APOC3、APOE與老年癡呆認(rèn)知能力下降有關(guān)；ABCG5、ABCG8和ABC屬于跨膜轉(zhuǎn)運蛋白G家族；ABCA1基因與膽固醇逆轉(zhuǎn)運和高密度脂蛋白生成有關(guān)，具有抗AS的作用；PCSK9、CETP、LDLR、LIPG、LPA和LPL調(diào)節(jié)血漿膽固醇的代謝；ANGPTL3屬于血管生成素樣蛋白家族，能抑制脂蛋白酶活性從而調(diào)節(jié)脂蛋白代謝；PON1可以保護(hù)低密度脂蛋白，對抗AS形成；PLTP 為磷脂轉(zhuǎn)運蛋白參與高密度脂蛋白的轉(zhuǎn)運與修飾，調(diào)控脂蛋白代謝；NR1H3為核受體基因，但功能尚不明確。

圖2 富集基因的蛋白-蛋白相互作用

3 討 論

AS病理過程復(fù)雜，常伴有其他心腦血管并發(fā)癥，受遺傳和環(huán)境的共同影響，但其涉及致病基因較多，分子水平機(jī)制尚不明確，通過生物信息學(xué)方法盡可能全面地挖掘到AS易感基因共計454個，為AS發(fā)病機(jī)制的研究提供了數(shù)據(jù)平臺，富集分析獲得的基因可以找到44個互作蛋白，將成為后續(xù)研究的重要突破。染色體定位顯示，Y上的易感基因明顯多于X染色體上的易感基因，鎖定這些易感基因有助于解釋男女AS發(fā)病率及發(fā)病年齡的差別。了解AS易感基因在染色體上的定位，有助于進(jìn)一步進(jìn)行連鎖分析，尋找更多相關(guān)基因，確定分子水平作用機(jī)制。另外，這種生物信息學(xué)方法可用于其他多基因復(fù)雜疾病易感基因的挖掘工作中，為復(fù)雜疾病的診斷和治療提供線索和數(shù)據(jù)支撐。

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R34

A

1005-9202(2017)24-6071-05；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.24.028

1 河北北方學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)系

常曉彤(1968-)，女，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，主要從事脂代謝相關(guān)疾病的分子機(jī)制及臨床應(yīng)用的研究。

王文棟(1985-)，女，講師，碩士，主要從事動脈粥樣硬化易感基因的功能研究。

〔2016-11-17修回〕

(編輯 苑云杰/杜 娟)