基于數(shù)據(jù)挖掘比較慢性阻塞性肺疾病模型動(dòng)物易感基因

劉 迪，張洪春，李 穎★

（1.中日友好醫(yī)院 中醫(yī)肺病科，北京 100029；2.北京中醫(yī)藥大學(xué)，北京 100029）

慢性阻塞性肺疾病 （chronic obstructive pulmonary disease，COPD，簡(jiǎn)稱慢阻肺）是一種以持續(xù)性呼吸道癥狀和氣流受限為特征的疾病，是世界第四大死因，其發(fā)病與遺傳、 顆粒物暴露等相關(guān)，發(fā)病機(jī)制包括氧化應(yīng)激、蛋白酶-抗蛋白酶失衡、炎癥細(xì)胞及炎癥介質(zhì)增多、細(xì)支氣管周圍及間質(zhì)纖維化等[1]。由于慢阻肺病因及發(fā)病的復(fù)雜性，選擇合適的動(dòng)物模型深入研究其生理、 病理和治療變得極為重要。小鼠、大鼠、豚鼠、猴等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型可模擬慢性肺部炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)、呼吸道重塑、肺氣腫和肺功能受損等慢阻肺疾病特征[2]。但不同慢阻肺動(dòng)物模型的臨床差異較大，需要從基因差異上深入研究，有助于選擇更合適的模型動(dòng)物。

本文通過生物信息學(xué)方法，分析了人類、小鼠、大鼠等物種的慢阻肺易感基因差異，進(jìn)行了基因富集分析，并利用PolySearch2 挖掘慢阻肺易感基因相關(guān)的文獻(xiàn)。

1 數(shù)據(jù)挖掘方法

慢阻肺易感基因差異性分析采用大鼠基因組數(shù) 據(jù) 庫 （rat genome database，RGD，https：//rgd.mcw.edu），其整合了大鼠、小鼠、人類等8 個(gè)物種的大量結(jié)構(gòu)化和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，包括基因的生物學(xué)過程及細(xì)胞成分、數(shù)量性狀基因座、序列、圖譜、品系、疾病關(guān)聯(lián)、表型、通路和分子功能等[3]，以及一套用于查詢、分析和可視化這些數(shù)據(jù)的工具[4，5]。

易感基因在不同物種比較基因組學(xué)分析采用Ensembl 基因組數(shù)據(jù)庫（http：//asia.ensembl.org/index.html），其包含了脊椎動(dòng)物基因組數(shù)據(jù)，如基因、變異、調(diào)節(jié)和比較基因組學(xué)等[6]。

PolySearch2 多源文本挖掘系統(tǒng)（http：//polysearch.cs.ualberta.ca） 可用于提取和分析人類疾病、基因、突變、藥物、代謝物等之間的文本派生關(guān)系[7，8]。本文使用PolySearch2 挖掘文獻(xiàn)中的慢阻肺易感基因，選擇Z-Score＞8.00 相關(guān)度最高的基因進(jìn)行分析。按照相關(guān)性排序列出與慢阻肺相關(guān)的最可能的基因或蛋白質(zhì)。

2 結(jié)果

2.1 不同物種慢阻肺易感基因比較

RGD 數(shù)據(jù)庫可檢索到慢阻肺易感基因的數(shù)量，其中人類201 個(gè)（總數(shù)40 984 個(gè)），常用慢阻肺模型動(dòng)物中小鼠200 個(gè)（總數(shù)53 724 個(gè)），大鼠200 個(gè)（總數(shù)45 816 個(gè)），犬189 個(gè)（總數(shù)36 850個(gè)），豬188 個(gè)（總數(shù)30 414 個(gè)）。從基因數(shù)量上看，小鼠、大鼠和人類的基因數(shù)是最接近的，犬和豬次之。將人類、小鼠、大鼠的慢阻肺易感基因?qū)С霾⑶蠼患Y(jié)果顯示共有的基因是Fam13a、Eefsec、Mtcl1、Faim2、Serpina3。

表1 FAM13A 在不同物種中的同源性分析

2.2 不同物種慢阻肺易感基因富集分析

2.2.1 KEGG 通路富集分析

人類、小鼠、大鼠慢阻肺易感基因KEGG（Kyoto encyclopedia of genes and genomes） 通路富集分析結(jié)果按P 值從小到大排列，前30 條相關(guān)通路基本相同。以人類為例，富集程度較高的通路包括：①免疫相關(guān)通路：免疫相關(guān)信號(hào)通路、免疫反應(yīng)通路、先天免疫反應(yīng)通路；②疾病相關(guān)通路：傳染病通路、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎通路；③細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號(hào)通路：細(xì)胞因子和趨化因子介導(dǎo)的信號(hào)通路、白細(xì)胞介素介導(dǎo)的信號(hào)通路；④其他通路：Toll 樣受體信號(hào)通路等。

2.2.2 生物表型富集分析

人類慢阻肺易感基因的生物表型富集包括免疫系統(tǒng)異常、代謝/穩(wěn)態(tài)異常、免疫系統(tǒng)生理異常、呼吸系統(tǒng)異常等表型。小鼠主要富集在免疫系統(tǒng)生理異常、免疫系統(tǒng)表型、穩(wěn)態(tài)/代謝表型、異常炎癥反應(yīng)、細(xì)胞免疫異常等表型。大鼠主要富集在心血管系統(tǒng)生理異常、穩(wěn)態(tài)/代謝表型、全身動(dòng)脈血壓異常、血管生理異常、蛋白水平異常等表型。

2.2.3 分子功能富集分析

人類、小鼠、大鼠慢阻肺易感基因分子功能富集分析結(jié)果按P 值從小到大排列，前30 條相關(guān)通路基本相同。以人類為例，富集程度較高的通路包括：①細(xì)胞因子結(jié)合相關(guān)：信號(hào)受體結(jié)合、細(xì)胞因子受體結(jié)合、G 蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合、趨化因子受體結(jié)合；②細(xì)胞因子活性相關(guān)：細(xì)胞因子活性、受體配體活性、信號(hào)受體激活活性、趨化因子活性、分子傳感器活性。

2.3 慢阻肺易感基因的比較基因組學(xué)分析

以FAM13A 基因?yàn)槔肊nsembl 基因組數(shù)據(jù)庫，分析慢阻肺FAM13A 在不同物種中相對(duì)于人類基因的比較基因組學(xué)結(jié)果（表1）。

表2 PolySearch2 文本挖掘慢阻肺易感基因

2.4 慢阻肺易感基因的文本挖掘和驗(yàn)證

為了驗(yàn)證慢阻肺易感基因分析結(jié)果的可靠性，使用PolySearch2 文本挖掘工具，以“Chronic Obstructive Pulmonary Disease”為關(guān)鍵詞，檢索到有文獻(xiàn)支持的81 個(gè)慢阻肺易感基因/蛋白，其中Z-Score＞8.00 相關(guān)度最高的基因有14 個(gè)（表2）。

3 討論

3.1 慢阻肺易感基因富集分析提示物種差異

人類、小鼠、大鼠慢阻肺易感基因富集結(jié)果表明3 個(gè)物種在慢阻肺的相關(guān)疾病、 涉及的信號(hào)通路及作用靶點(diǎn)等方面具有相似性。免疫相關(guān)通路、細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號(hào)通路及感染性疾病等相關(guān)通路在慢阻肺發(fā)病中共同發(fā)揮作用； 慢阻肺易感基因?qū)?yīng)的蛋白質(zhì)的主要功能集中在信號(hào)受體、細(xì)胞因子受體、趨化因子受體、G 蛋白偶聯(lián)受體等的活化及結(jié)合方面。人類、小鼠和大鼠的生物表型富集分析因?yàn)槲锓N的差別而有所差異，綜合來看慢阻肺的發(fā)病與免疫系統(tǒng)異常、 異常炎癥反應(yīng)、代謝/穩(wěn)態(tài)異常等相關(guān)。

3.2 慢阻肺易感基因文本挖掘支持RGD 富集結(jié)果

在PolySearch2 查詢的慢阻肺易感基因研究中，依次為FAM13A、HHIP、ADAM33、PDE4A10、IL17、TNF-C 等。在小鼠和人肺組織中，F(xiàn)AM13A主要表達(dá)于氣道和肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中。與Fam13a+/+小鼠相比，F(xiàn)am13a 陰性小鼠（Fam13a-/-） 對(duì)香煙煙霧及彈性蛋白酶誘發(fā)的肺氣腫具有抵抗性。條件遺傳關(guān)聯(lián)分析表明，人類FAM13A 中存在2 個(gè)獨(dú)立COPD 關(guān)聯(lián)信號(hào)，并且該基因?yàn)镃OPD 與肺纖維化共有[9，10]。

HHIP 基因變異與慢阻肺的易感性和肺功能水平有關(guān)。10月齡Hhip 雜合子（Hhip+/-）小鼠出現(xiàn)肺順應(yīng)性增加和自發(fā)性肺氣腫，與Hhip 陽性小鼠相比，雜合子小鼠肺部的氧化應(yīng)激水平升高[11]。ADAM33 可能通過引發(fā)氣道炎癥和免疫反應(yīng)增加慢阻肺發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，ADAM33 S1 基因多態(tài)性是中國(guó)和吸煙人群COPD 的危險(xiǎn)因素[12]。磷酸二酯酶4（PDE4）是治療哮喘和慢阻肺的藥物靶標(biāo)[13]。多種動(dòng)物模型在病毒和細(xì)菌感染的呼吸模型以及化學(xué)介導(dǎo)的肺損傷后顯示出PDE4 抑制劑（PDE4i）的強(qiáng)抗炎作用[14]。

3.3 易感基因分析有助于選擇慢阻肺易感動(dòng)物模型

目前，我們對(duì)驅(qū)動(dòng)和標(biāo)記慢阻肺產(chǎn)生和進(jìn)展的機(jī)制仍不夠明確[15]。分析慢阻肺易感基因有助于深入研究慢阻肺發(fā)展機(jī)制，制作更符合病理生理的基因工程動(dòng)物模型，并為闡明慢阻肺的發(fā)病機(jī)理和尋找新的治療策略提供依據(jù)。