基于GEO基因數(shù)據(jù)集的糖尿病足潰瘍差異表達(dá)基因生物信息學(xué)分析

[摘要]"目的"通過生物信息學(xué)分析探尋與糖尿病足潰瘍（diabetic"foot"ulcer，DFU）發(fā)生發(fā)展相關(guān)的重要基因。方法"對(duì)基因表達(dá)綜合數(shù)據(jù)庫（Gene"Expression"Omnibus，GEO）GSE143735數(shù)據(jù)集進(jìn)行基因轉(zhuǎn)錄譜分析，根據(jù)數(shù)據(jù)集中患者是否存在DFU將其分為DFU組和無DFU組，采用GEO2R對(duì)兩組患者的mRNA表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異表達(dá)基因分析，繪制火山圖，通過DAVID數(shù)據(jù)庫進(jìn)行基因本體論（gene"ontology，GO）分析和京都基因與基因組百科全書（Kyoto"Encyclopedia"of"Genes"and"Genomes，KEGG）通路分析。篩選得到的差異表達(dá)基因置入String數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析，使用Cytoscape繪制蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)圖并篩選核心基因。結(jié)果"共篩選出差異表達(dá)基因706個(gè)，其中上調(diào)基因470個(gè)，下調(diào)基因236個(gè)。GO分析結(jié)果提示差異表達(dá)基因主要集中在核小體、含膠原蛋白的細(xì)胞外基質(zhì)、外泌體等細(xì)胞組分和DNA結(jié)合、蛋白質(zhì)異二聚體活化、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、核小體DNA結(jié)合、細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、絲氨酸抑制酶活化等分子功能及核小體組裝、染色質(zhì)組織、角質(zhì)化、端粒組織等生物過程。差異表達(dá)基因的KEGG通路分析主要涉及系統(tǒng)性紅斑狼瘡、酗酒、中性粒細(xì)胞胞外陷阱形成、病毒致癌等。蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)篩選得到H2BC14、H3C14、H2BC17、H4C6、H2BC9、H3C1、H2BC3、H3C12、H3C13、H2AC18等10個(gè)核心基因，上述核心基因在DFU組的表達(dá)量均顯著低于無DFU組。結(jié)論"H2BC14、H3C14、H2BC17、H4C6、H2BC9、H3C1、H2BC3、H3C12、H3C13、H2AC18基因低表達(dá)可作為糖尿病患者發(fā)生DFU的預(yù)測(cè)因子，可通過檢測(cè)這些基因的表達(dá)量預(yù)測(cè)患者發(fā)生DFU的風(fēng)險(xiǎn)。

[關(guān)鍵詞]"糖尿病足潰瘍；差異表達(dá)基因；生物信息學(xué)

[中圖分類號(hào)]"R587.2""""""[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]"A""""[DOI]"10.3969/j.issn.1673-9701.2025.16.012

Bioinformatics"analysis"of"differentially"expressed"genes"in"diabetic"foot"ulcer"based"on"GEO"gene"dataset

LI"Hongjie

Department"of"Endocrinology，"Yiwu"Central"Hospital，"Yiwu"322000，"Zhejiang，"China

[Abstract]"Objective"Explore"the"important"genes"related"to"occurrence"and"development"of"diabetic"foot"ulcer"（DFU）"through"bioinformatics"analysis."Methods"Gene"transcriptional"profiling"analysis"was"performed"on"the"GSE143735"dataset"of"Gene"Expression"Omnibus"（GEO）."Patients"in"the"dataset"were"divided"into"DFU"group"and"non-DFU"group"based"on"whether"they"had"DFU."The"mRNA"expression"data"of"two"groups"of"patients"were"analyzed"for"differentially"expressed"genes"using"GEO2R，"and"the"volcano"map"was"drawn."Gene"ontology"（GO）"analysis"and"Kyoto"Encyclopedia"of"Genes"and"Genomes"（KEGG）"pathway"analysis"were"conducted"through"the"DAVID"database."The"differentially"expressed"genes"screened"were"placed"into"the"String"database"for"analysis."The"protein-protein"interaction"network"map"was"drawn"using"Cytoscape"and"the"core"genes"were"screened."Results"A"total"of"706"differentially"expressed"genes"were"screened"out，"among"which"470"were"up-regulated"genes"and"236"were"down-regulated"genes."The"results"of"GO"analysis"showed"that"the"differentially"expressed"genes"were"mainly"concentrated"in"cellular"components"such"as"nucleosomes，"extracellular"matrix"containing"collagen，"and"exosomes;"molecular"functions"such"as"DNA"binding，"protein"heterodimer"activation，"chromatin"structure"composition，nbsp;nucleosome"DNA"binding，"extracellular"matrix"structure"composition，"and"serine"inhibitor"enzyme"activation;"biological"processes"such"as"nucleosome"assembly，"chromatin"organization，"keratinization，"and"telomere"organization."The"KEGG"pathway"analysis"of"differentially"expressed"genes"mainly"involved"systemic"lupus"erythematosus，"alcohol"abuse，"formation"of"extracellular"traps"of"neutrophils，"viral"carcinogenesis，"etc."Ten"core"genes，"namely"H2BC14，"H3C14，"H2BC17，"H4C6，"H2BC9，"H3C1，"H2BC3，"H3C12，"H3C13，"and"H2AC18，"were"obtained"through"protein"interaction"network"screening."The"expression"levels"of"the"above"core"genes"in"DFU"group"were"significantly"lower"than"those"in"non-DFU"group."Conclusion"The"low"expression"of"H2BC14，"H3C14，"H2BC17，"H4C6，"H2BC9，"H3C1，"H2BC3，"H3C12，"H3C13"and"H2AC18"genes"can"be"used"as"predictors"of"DFU"in"diabetic"patients."The"risk"of"DFU"in"patients"can"be"predicted"by"detecting"the"expression"levels"of"these"genes.

[Key"words]"Diabetic"foot"ulcer;"Differentially"expressed"gene;"Bioinformatics

糖尿病足是指因糖尿病所致的下肢遠(yuǎn)端神經(jīng)病變或不同程度的血管病變引起的足部潰瘍或深層組織破壞，伴或不伴感染，是導(dǎo)致糖尿病患者致殘、致死的嚴(yán)重慢性并發(fā)癥之一[1]。慢性不愈合傷口是糖尿病足患者的主要威脅，嚴(yán)重者可導(dǎo)致截肢。糖尿病足發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，涉及血糖控制不良、炎癥、氧化應(yīng)激、周圍神經(jīng)病變、自主神經(jīng)病變及微血管和大血管病變等多種因素[2]。近年來，先后有多個(gè)糖尿病相關(guān)基因被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。在糖尿病足的發(fā)病機(jī)制研究中，生物信息學(xué)分析提供一種新的研究視角，可從分子水平研究糖尿病足患者和無糖尿病足患者之間的基因表達(dá)差異，為理解疾病的分子機(jī)制和識(shí)別潛在治療靶點(diǎn)提供重要線索。表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制（如組蛋白修飾和DNA甲基化）在表皮穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并參與傷口愈合過程[3]。目前大多數(shù)研究主要集中在糖尿病足潰瘍（diabetic"foot"ulcer，DFU）愈合過程中的相關(guān)基因分析。本研究通過對(duì)基因表達(dá)綜合數(shù)據(jù)庫（Gene"Expression"Omnibus，GEO）中包含糖尿病足患者和糖尿病患者的前臂皮膚樣本的GSE143735數(shù)據(jù)集進(jìn)行生物信息學(xué)分析，旨在通過篩選和分析差異表達(dá)基因，深入探討糖尿病足的發(fā)病機(jī)制，發(fā)現(xiàn)可能對(duì)糖尿病足早期預(yù)測(cè)起關(guān)鍵作用的相關(guān)基因。

1""資料與方法

1.1""資料來源

本研究數(shù)據(jù)來源于GEO的GPL11154平臺(tái)下載的GSE143735數(shù)據(jù)集[4-5]；該數(shù)據(jù)集包含13個(gè)糖尿病患者的前臂掌側(cè)皮膚樣本的mRNA測(cè)序數(shù)據(jù)，其中4個(gè)樣本取自無DFU的糖尿病患者，5個(gè)樣本取自有DFU但已愈合的糖尿病患者，4個(gè)樣本取自有DFU且尚未愈合的糖尿病患者。根據(jù)是否存在DFU將其分為兩組，有DFU的9個(gè)樣本納入DFU組，有糖尿病但無DFU的4個(gè)樣本納入無DFU組。

1.2""方法

1.2.1""差異表達(dá)基因的篩選及可視化""使用在線工具GEO2R對(duì)GSE143735數(shù)據(jù)集中的mRNA基因芯片進(jìn)行差異表達(dá)基因分析，設(shè)定閾值為|Log２（FC）|≥１且Plt;0.05[5]；篩選出差異表達(dá)基因并進(jìn)行可視化展示。

1.2.2""功能富集分析""將篩選得到的差異表達(dá)基因數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格，通過DAVID在線數(shù)據(jù)庫進(jìn)行基因本體論（gene"ontology，GO）和京都基因與基因組百科全書（Kyoto"Encyclopedia"of"Genes"and"Genomes，KEGG）富集分析[6-7]。應(yīng)用在線網(wǎng)站進(jìn)行繪圖，從不同維度篩選GO分析和KEGG分析排名靠前的結(jié)果進(jìn)行可視化分析[8-10]。

1.2.3""蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)分析""將篩選得到的差異表達(dá)基因輸入String數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析[11]。從String數(shù)據(jù)庫下載目標(biāo)基因和靶基因相互作用數(shù)據(jù)，研究差異表達(dá)基因之間的相互作用。將String數(shù)據(jù)庫得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cytoscape3.10.2得到蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)[12]。

1.2.4""核心基因篩選""將差異表達(dá)基因及其|Log２（FC）|值用Excel整理后導(dǎo)入Cytoscape3.10.2，計(jì)算Degree值，以|Log２（FC）|值設(shè)置顏色，以Degree值設(shè)置圖形大小，映射方式選擇連續(xù)性繪圖。同時(shí)使用Cytohubba插件以Degree值作為篩選條件，篩選得到排名前10的核心基因并繪圖[13]。

2""結(jié)果

2.1""差異表達(dá)基因篩選

共篩選出706個(gè)差異表達(dá)基因，其中上調(diào)基因470個(gè)，下調(diào)基因236個(gè)，繪制火山圖見圖1。

2.2""功能富集分析

GO分析結(jié)果提示差異表達(dá)基因主要集中在核小體、含膠原蛋白的細(xì)胞外基質(zhì)、外泌體等細(xì)胞組分和DNA結(jié)合、蛋白質(zhì)異二聚體活化、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、核小體DNA結(jié)合、細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、絲氨酸抑制酶活化等分子功能及核小體組裝、染色質(zhì)組織、角質(zhì)化、端粒組織、含CENP-A染色質(zhì)的蛋白質(zhì)定位、異染色質(zhì)形成、抗菌體液免疫等生物過程，見圖2、圖3。差異表達(dá)基因的KEGG通路分析主要涉及系統(tǒng)性紅斑狼瘡、酗酒、中性粒細(xì)胞胞外陷阱形成、病毒致癌等，見圖4。

2.3""蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)分析

初步得到的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)包含303個(gè)節(jié)點(diǎn)、1768條邊。為便于研究，去除Degree值不超過3的節(jié)點(diǎn)和連線，得到一個(gè)包含166個(gè)節(jié)點(diǎn)、1768條邊的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)圖，見圖5。

2.4""核心基因篩選

利用Cytohubba插件篩選得到10個(gè)核心差異表達(dá)基因，分別為H2BC14、H3C14、H2BC17、H4C6、H2BC9、H3C1、H2BC3、H3C12、H3C13、H2AC18，見圖6。上述核心基因在DFU組的表達(dá)量均顯著低于無DFU組。

3""討論

糖尿病足可導(dǎo)致肢體受損或殘疾，給患者帶來巨大的精神和經(jīng)濟(jì)壓力。早期篩選可能出現(xiàn)糖尿病足的患者，并及時(shí)采取有效預(yù)防措施，對(duì)降低糖尿病足發(fā)病率具有重要意義。

真核生物的染色質(zhì)由DNA和組蛋白共同組成[14]。真核生物染色質(zhì)的基本單位是核小體。核小體是由4個(gè)核心組蛋白及纏繞其上的包含147個(gè)堿基對(duì)的DNA組成的八聚體。在多細(xì)胞生物中，核小體之間存在一個(gè)與組蛋白H1結(jié)合的連接區(qū)域，該區(qū)域位于DNA進(jìn)出核小體的位置[14]。組蛋白的作用包括將DNA包裝進(jìn)細(xì)胞核、基因表達(dá)調(diào)控、DNA復(fù)制和DNA損傷修復(fù)等。

本研究中得到的差異表達(dá)基因GO分析主要涉及DNA結(jié)合、蛋白質(zhì)異二聚體活化、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、核小體DNA結(jié)合等生物過程，提示DFU患者可能存在染色質(zhì)合成、DNA結(jié)合等過程受阻，導(dǎo)致組織修復(fù)及潰瘍愈合過程減緩[9]。本研究中得到的差異表達(dá)基因KEGG分析主要涉及酗酒、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、中性粒細(xì)胞胞外陷阱形成、病毒致癌等，提示過量飲酒、合并系統(tǒng)性紅斑狼瘡、炎癥反應(yīng)及病毒感染等因素可能促進(jìn)DFU的形成[10]。

本研究篩選出的10個(gè)核心基因均屬于組蛋白編碼基因。其中H2AC18參與編碼組蛋白H2A，H2BC3、H2BC9、H2BC14、H2BC17參與編碼組蛋白H2B，H3C1、H3C12、H3C13、H3C14參與編碼組蛋白H3，H4C6參與編碼組蛋白H4。這10個(gè)基因均參與DNA結(jié)合、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、核小體DNA結(jié)合、DNA復(fù)制和DNA損傷修復(fù)等生物過程，在真核生物核糖體的生物合成、核糖體及過氧化物酶體增殖物激活受體信號(hào)通路中扮演重要角色[9-10]。本研究結(jié)果顯示此核心基因在DFU組中的表達(dá)水平顯著低于無DFU組，提示DFU患者的這些基因表達(dá)下調(diào)，進(jìn)而影響糖尿病足患者的DNA結(jié)合、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、核小體DNA結(jié)合、DNA復(fù)制和DNA損傷修復(fù)等生物過程。

近年來關(guān)于糖尿病及組蛋白相關(guān)基因的研究主要涉及組蛋白翻譯后修飾，如組蛋白乙酰化、組蛋白甲基化及泛素化等[3]。研究顯示組蛋白H3乙酰化對(duì)糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展起重要作用[15]。高血糖狀態(tài)下，H3K9ac和H3K27ac等表觀遺傳變化增加，導(dǎo)致染色質(zhì)松弛、炎癥水平上調(diào)和巨噬細(xì)胞功能障礙，在糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展中起重要作用[16]。葡萄糖通過驅(qū)動(dòng)促炎基因硫氧還蛋白互作蛋白在腎臟中的表達(dá)，促進(jìn)組蛋白的乙酰化修飾，可能與糖尿病腎病有關(guān)[17]。

核心組蛋白的N端和C端尾部及球狀結(jié)構(gòu)域可發(fā)生廣泛修飾，這些修飾可改變調(diào)節(jié)因子的結(jié)合位點(diǎn)或通過乙酰化中和賴氨酸殘基的電荷。Harithpriya等[18]研究發(fā)現(xiàn)組蛋白去乙酰酶可通過調(diào)節(jié)核因子E2相關(guān)因子2影響DFU的血管生成。亦有研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基化影響巨噬細(xì)胞極化，導(dǎo)致傷口愈合延遲[19]。DFU患者足部成纖維細(xì)胞DNA甲基化水平降低，靶向高甲基化基因有望促進(jìn)傷口愈合[19]。MLL1基因已被證明可促進(jìn)H3K4me3在巨噬細(xì)胞中的沉積，并減少糖尿病傷口中的炎癥反應(yīng)[20]。ASH1L的缺失阻礙正常傷口的再上皮化，靶向ASH1L的組蛋白H3與活性基因啟動(dòng)子處K4、K9、K20和K36的甲基化有關(guān)[20]。

綜上，DFU患者的H2BC14、H3C14、H2BC17、H4C6、H2BC9、H3C1、H2BC3、H3C12、H3C13、H2AC18等基因表達(dá)下調(diào)，提示這些基因在糖尿病足的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用，對(duì)糖尿病足的治療及早期預(yù)防具有重要意義。

利益沖突：作者聲明不存在利益沖突。

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