骨髓增生異常綜合征進展過程中核心基因的生物信息學分析

丁宇斌，唐旭東

骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndrome, MDS)是一組惡性克隆性造血干細胞疾病，其特征為髓系造血細胞一系或多系發(fā)育異常、骨髓無效造血，有較高風險轉化為急性髓系白血病[1]。本文根據(jù)生物信息學篩選MDS和正常骨髓中的差異表達基因(differential expressed genes, DEG)，分析DEG表達譜的功能特征和篩選核心(hub)基因，以期從分子水平探討MDS疾病的發(fā)生和進展機制，為MDS的臨床治療提供指導。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源和DEG的篩選在GEO數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)[2]搜索“myelodysplastic syndrome”芯片數(shù)據(jù)，物種選擇“Homo sapiens”，研究類型選擇“Expression profiling by array”，選擇GSE19429基因表達譜數(shù)據(jù)。使用GEO在線分析工具GEO2R進行DEG分析，根據(jù)P<0.05且表達值增加或降低2倍以上進行DEG篩選，去除探針無對應基因者和重復基因。

1.2 DEG的GO功能和KEGG通路富集分析應用WebGestalt[3](http://www.webgestalt.org/)分別進行上調和下調DEG的GO功能和KEGG信號通路富集分析；并利用Hiplot平臺(https://hiplot.com.cn/)將富集分析結果繪制成氣泡圖。

GO功能富集分析的具體設置如下：物種選擇人類；分析方法選擇ORA(over-representation analysis)；功能數(shù)據(jù)庫選擇geneontology，并選擇生物學過程(biological process, BP)；參照集合(select reference set)選擇蛋白編碼基因組(genome protein-coding)。KEGG通路富集分析的具體設置如下：物種、分析方法選擇同前；功能數(shù)據(jù)庫選擇通路(pathway)并選擇KEGG；參照集合選擇同前。

1.3 蛋白互作網(wǎng)絡構建及功能模塊分析使用STRING[4]version: 11.0(http://string-db.org)進行DEG編碼蛋白和蛋白互作(protein-protein interaction, PPI)網(wǎng)絡分析，物種選擇人類，高級設置中默認網(wǎng)絡類型為full STRING network，默認蛋白互作評分閾值設置為中等置信度(medium confidence, 0.400)并認為具有統(tǒng)計學意義，默認FDR為medium(0.05)。

將STRING分析結果導入Cytoscape[5](version 3.7.2)，并利用其插件MCODE(version 1.6.1)在PPI中構建功能模塊，默認設置Degree Cutoff=2，Cluster Finding=haircut，Node Score Cutoff=0.2，K-Core=2，Max. Depth=100；對功能模塊內基因進行GO功能的生物學過程富集分析和KEGG信號通路富集分析。

1.4 hub基因的篩選使用Cytoscape插件cytoHubba選擇“Degree”計算得到degree值TOP10的基因，將其作為hub基因。

1.5 hub基因的驗證使用ONCOMINE數(shù)據(jù)庫[6](version 4.5)(https://www.oncomine.org/)驗證篩選得到在MDS患者與正常人樣本中hub基因的mRNA表達水平，分別檢索hub基因并設置過濾條件(Analysis Type: CancervsNormal Analysis；Cancer Type: Leukemia)，調整P值<0.01，差異倍數(shù)(fold change)=2，gene rank=Top 10%，選擇過濾結果中MDSvsNormal進行Meta分析，完成MDS樣本中hub基因mRNA表達水平的驗證。

2 結果

2.1 DEG篩選GSE19429中含183例MDS和17例健康者骨髓CD34+細胞的基因表達譜數(shù)據(jù)，經(jīng)GEO2R分析獲得33個上調DEG和98個下調DEG。

2.2 GO功能富集分析和KEGG信號通路富集分析根據(jù)GO功能富集分析結果，上調DEG的生物學過程顯著富集于Ⅰ型干擾素(interferon, IFN)誘導的信號通路及細胞對微生物的防御反應(FDR<0.05，圖1)；下調DEG的生物學過程顯著富集于免疫應答、抗原受體介導的信號通路和B細胞活化(FDR<0.05，圖2)。根據(jù)KEGG信號通路的富集分析結果，上調DEG未見顯著富集；下調DEG顯著富集于造血細胞分化和原發(fā)性免疫缺陷(FDR<0.05)。

圖1 上調DEG的GO功能富集分析結果

圖2 下調DEG的GO功能富集分析結果

2.3 PPI網(wǎng)絡構建和功能模塊分析使用STRING構建PPI網(wǎng)絡，上調DEG的PPI網(wǎng)絡由31個節(jié)點和11條邊構成(P<0.001，圖3)；下調DEG的PPI網(wǎng)絡由90個節(jié)點和155條邊構成(P<0.001)。上調DEG的顯著功能模塊由5個節(jié)點和10條邊構成，5個節(jié)點(基因)分別為IFIT1、IFIT3、IFI27、IFITM1、IFI44L；下調DEG的顯著功能模塊由12個節(jié)點和53條邊構成，12個節(jié)點(基因)分別為BLK、BLNK、RAG1、RAG2、EBF1、CD19、CD79B、IRF4、PAX5、IGLL1、DNTT、VPREB1。

圖3 上調DEG的PPI網(wǎng)絡

根據(jù)GO功能的生物學過程富集分析結果，上調DEG的顯著功能模塊內基因富集于IFN-β信號通路和Ⅰ型IFN介導的細胞反應(FDR<0.05)；下調DEG的顯著功能模塊富集于B細胞受體信號通路、B細胞分化和抗原受體介導信號通路(FDR<0.05)。根據(jù)KEGG信號通路的富集分析結果，上調DEG的顯著功能模塊內基因未發(fā)現(xiàn)富集的KEGG信號通路；下調DEG的顯著功能模塊富集于原發(fā)性免疫缺陷通路和B細胞受體信號通路(FDR<0.05)。

2.4 hub基因的篩選結果上調的hub基因僅5個，分別為IFI44L、IFIT3、IFIT1、IFITM1、IFI27；下調的hub基因TOP10分別為CD19、PAX5、RAG1、CD79B、CXCR4、IRF4、VPREB1、EBF1、RAG2、IGLL1。

2.5 hub基因在mRNA表達水平的驗證MDS與正常樣本相比，CD19、RAG1、CD79B、CXCR4、IRF4、VPREB1、EBF1、IGLL1的mRNA表達水平顯著下調(P<0.01，圖4)；IFITM1和RAG2未能進行多數(shù)據(jù)集Meta分析，但單數(shù)據(jù)集驗證IFITM1 mRNA表達水平在MDS中高于正常樣本(P<0.01)，RAG2 mRNA表達水平在MDS中低于正常樣本(P<0.01)。IFI44L、IFIT3、IFIT1、IFI27、PAX5的mRNA表達水平差異無顯著性(P>0.05)。

圖4 利用ONCOMINE數(shù)據(jù)庫驗證hub基因mRNA表達水平的Meta分析

3 討論

目前認為MDS可能存在免疫妥協(xié)的病理機制，外周血中漿細胞樣樹突狀細胞分泌IFN相對不足[7]，自然殺傷細胞減少且功能降低[8]，而髓源性抑制細胞數(shù)量增加且功能亢進，抑制T細胞的增殖和功能[9-10]，高危MDS患者的調節(jié)性T細胞功能亢進[11]，負性調控機體免疫反應。本研究中GO和KEGG富集分析結果一致表明MDS可能存在免疫缺陷和免疫耐受。IFITM1是IFN刺激誘導后分泌的蛋白，能夠抑制病毒融合和釋放入胞。IFITM1在乳腺癌、結直腸癌、非小細胞肺癌等多種腫瘤中高表達，可能與腫瘤進展相關[12-14]。IFITM1在MDS中表達顯著上調可能是對Ⅰ型IFN分泌不足的一種細胞代償性反應。

CD19是B淋巴細胞表面抗原，能夠調控B細胞的發(fā)育分化和活化；B細胞抗原受體是B細胞膜表面免疫球蛋白，需CD79A和CD79B輔助完成抗原刺激信號向細胞內的傳導，腫瘤浸潤B淋巴細胞在腫瘤免疫中可能發(fā)揮著積極作用[15-16]。CD19和CD79B可能在MDS中低表達，即B淋巴細胞的免疫作用可能受到抑制，宿主免疫應答低下可能是MDS惡性克隆、免疫逃逸和MDS疾病進展的重要機制之一。

IRF4在B細胞的發(fā)育分化和淋巴細胞的增殖活化中起重要作用[17-18]，敲除IRF4后，小鼠活化的淋巴細胞和漿細胞數(shù)量明顯減少，血清免疫球蛋白水平顯著下降，T淋巴細胞的細胞毒作用或抗腫瘤作用減弱。IRF4可能在MDS中低表達，并導致機體的體液免疫和細胞免疫受到抑制。VPREB1選擇性表達于B細胞發(fā)育的早期階段，所編碼的替代輕鏈(surrogate light chain, SLC)與Igα/Igβ(CD79A/B)異源二聚體參與前B細胞受體復合物的組成，在B細胞的陰性選擇中具有關鍵作用[19]。SLC缺失后，分泌自身抗體的B細胞在陰性選擇中可逃逸，血清中自身抗體的異常升高可能參與了多種自身免疫疾病的發(fā)病過程[20]。本研究結果表明：VPREB1和CD79B可能在MDS中低表達，提示MDS可能存在B細胞發(fā)育異常且分泌自身抗體的B細胞從陰性選擇中逃逸，引起MDS的免疫紊亂[21]。

綜上所述，在MDS中可能存在抗原受體介導的信號通路和B細胞活化等免疫應答過程受抑制，因此低～中危MDS的治療可能需要增強免疫以抑制惡性克隆[22]，而非免疫抑制[23]。MDS在髓系細胞發(fā)育異常的同時可能存在B淋巴細胞發(fā)育異常，有助于從免疫表型特征上完善MDS的骨髓病理診斷[24]。增強腫瘤免疫在MDS的臨床治療中具有研究前景，值得進一步探索。