基于生物信息學(xué)分析急性心肌梗死合并慢性阻塞性肺疾病的關(guān)鍵基因和潛在藥物

姜晨陽 李 爍 巢瀟鶯 鐘國強(qiáng)

廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，廣西南寧 530021

急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）是全世界發(fā)達(dá)國家的主要死亡原因之一[1]。每年有790 000 人被診斷出患有AMI[2]。慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種由慢性炎癥引起的不可逆轉(zhuǎn)的肺部疾病，會(huì)導(dǎo)致氣道和肺實(shí)質(zhì)的損害[3]。全球估計(jì)6500 萬人患有重度的COPD 并導(dǎo)致死亡[4]。心血管疾病是COPD 患者最常見的并發(fā)癥[5-6]。AMI 是COPD 患者住院和死亡的主要原因[7]。一項(xiàng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)和meta 分析顯示，COPD 患者發(fā)生心肌梗死（myocardial infarction，MI）的風(fēng)險(xiǎn)增加[8]。在這項(xiàng)研究中，筆者通過生物信息學(xué)方式尋找差異表達(dá)基因（differentially expressed gene，DEG），并進(jìn)行富集分析然后篩選潛在的治療藥物。因此，識(shí)別AMI 和COPD 的中樞基因可能為疾病的診斷治療提供新的生物信息學(xué)依據(jù)，獲得的分子機(jī)制和信號(hào)通路可能有助于解釋AMI 與COPD 之間的聯(lián)系。

1 資料與方法

1.1 微陣列數(shù)據(jù)收集

2012 年1 月至2021 年2 月，從公共的GEO 數(shù)據(jù)庫篩選AMI 和COPD 的微陣列數(shù)據(jù)集。最終選擇了3 個(gè)包含患者和健康對照的微陣列數(shù)據(jù)集GSE66360、GSE106986 和GSE38974 作為分析數(shù)據(jù)集。見表1。

表1 芯片數(shù)據(jù)信息

1.2 DEG 篩選

將GSE106986 和GSE38974 表達(dá)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化后合并為COPD 數(shù)據(jù)集，后使用limma 包分析患者和對照之間的差異基因。AMI 數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為P ＜0.05，|logFC|＞1。COPD 數(shù)據(jù)集閾值設(shè)為P ＜0.05 和|logFC|＞0.5。維恩圖確定交集基因。

1.3 DEG 的功能富集分析

“cluster Profiler”包對常見的DEG 進(jìn)行了GO 和KEGG 富集分析，P ＜0.05 定義為顯著富集。Metascape 對DEG 進(jìn)行了富集分析，以P ＜0.05 為標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 PPI 網(wǎng)絡(luò)及中樞基因的鑒定

為了進(jìn)一步探索上面獲得基因之間的相互作用，本研究將交集DEG 導(dǎo)入了STRING 在線數(shù)據(jù)庫，以預(yù)測和跟蹤PPI 網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置中等可信度（0.400）。本研究使用了cytoHubba 插件來識(shí)別PPI 網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵基因，并將4 種不同算法（MCC、MNC、EPC 和Degree）評(píng)分排名前10 位的基因再通過維恩圖取得共同的交集以確定中樞基因。

1.5 預(yù)測潛在藥物

藥物基因相互作用數(shù)據(jù)庫（DGIdb）是一個(gè)提供有關(guān)藥物基因相互作用和藥用基因的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)在PPI 網(wǎng)絡(luò)中篩選的中樞基因?qū)ふ覞撛谒幬?，綜合數(shù)據(jù)庫資料來源及藥物互動(dòng)評(píng)分選取評(píng)分排名前5 位的藥物作為潛在藥物。

2 結(jié)果

2.1 AMI 和COPD 中DEG 分析

AMI 和COPD 數(shù)據(jù)集分別篩選出351 和1526 個(gè)DEG，見圖1A～B。使用維恩圖顯示兩種疾病的61 個(gè)交集基因，見圖1C。

圖1 AMI 和COPD 表達(dá)差異基因

2.2 GO 和KEGG 富集途徑分析

對61 個(gè)交集基因進(jìn)行GO 功能富集和KEGG 通路分析，GO 中的生物學(xué)過程的變化主要包括嗜中性粒細(xì)胞效應(yīng)（P ＜0.01）、白細(xì)胞效應(yīng)（P ＜0.01）和炎癥反應(yīng)（P ＜0.01）的調(diào)節(jié)。細(xì)胞組成的變化集中在線粒體（P ＜0.01）、細(xì)胞器的外膜（P ＜0.01）和一些顆粒內(nèi)腔（P ＜0.01）的富集。此外，分子功能中包括碳水化合物結(jié)合（P ＜0.01）、糖皮質(zhì)激素受體結(jié)合（P ＜0.01）等其他與結(jié)合有關(guān)的功能，以及受體-配體活性和信號(hào)受體激活劑活性等發(fā)生了顯著變化。KEGG 途徑的變化主要集中在幾種疾病，例如大腸癌（P ＜0.01）、甲狀腺癌（P ＜0.01）、小細(xì)胞肺癌（P ＜0.01）和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎（P ＜0.01）。這些變化還涉及免疫（P ＜0.01）、炎癥（P ＜0.01）、凋亡（P ＜0.01）和其他相關(guān)途徑，數(shù)目及分類見圖2A。Metascape 富集分析顯示，常見的DEG 與白細(xì)胞趨化性（P ＜0.05）、炎癥（P ＜0.05）和凋亡（P ＜0.05）相關(guān)功能的白細(xì)胞調(diào)節(jié)功能有關(guān)，數(shù)目及分類見圖2B。

圖2 富集分析結(jié)果

2.3 PPI 網(wǎng)絡(luò)分析和中樞基因選擇

交集基因?qū)氲絊TRING 數(shù)據(jù)庫獲得由43 個(gè)節(jié)點(diǎn)和108 個(gè)邊組成的PPI 網(wǎng)絡(luò)，見圖3A。4 種算法（MCC、MNC、EPC 和Degree）最終確定了8 個(gè)基因作為中樞基因。這些基因是CCL20、BCL2A1、IL1RN、IL1B、TNFAIP3、TLR2、S100A9、FN1。4 種算法的維恩圖和這些中樞基因的得分情況見圖3B～C。

圖3 PPI 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和中心基因

2.4 中心基因鑒定出的潛在治療藥物

8 個(gè)中樞基因共篩選了74 種可能相關(guān)的治療藥物。CCL20、BCL2A1、IL1R、IL1BN、TNFAIP3、TLR2、S100A9 和FN1 分別鑒定出1 種、1 種、4 種、47 種、2 種、7 種、5 種、7 種潛在藥物，見圖4。綜合數(shù)據(jù)庫資料來源以及互動(dòng)評(píng)分，發(fā)現(xiàn)與TLR2 相關(guān)的藥物結(jié)核菌素（得分：24.35）、托馬利拉單抗（得分：16.23）、白藜蘆醇己酸（得分：16.23），以及與S100A9 有關(guān)的塔斯奎尼德（得分：11.36）、帕尼莫德（得分：11.36）與疾病的關(guān)聯(lián)性高。

圖4 DGIdb 預(yù)測了潛在的治療藥物

3 討論

AMI 和COPD 已引起世界各地學(xué)者越來越多的關(guān)注。AMI 患者伴發(fā)COPD 的死亡率顯著高于無COPD的患者。因此，有必要探索這兩種疾病預(yù)防和控制的早期靶標(biāo)。本研究使用GEO 數(shù)據(jù)庫搜索了AMI 和COPD 數(shù)據(jù)集，并確定了兩種疾病之間的61 種常見DEG。采用不同的方法進(jìn)行GO、KEGG、Metascape 富集分析，并構(gòu)建了PPI 網(wǎng)絡(luò)。確定的8 個(gè)中樞基因可能具有預(yù)測AMI 和COPD 風(fēng)險(xiǎn)的重要能力。最后，通過藥物基因相互作用數(shù)據(jù)庫為這些中樞基因鑒定了一些潛在的治療藥物。

Lin 等[12]研究顯示，AMI 患者的血液樣本中CCL20顯著升高，提示CCL20 是AMI 患者的生物標(biāo)志物[13-14]，Demedts 等[15]研究發(fā)現(xiàn)COPD 患者CCL20 蛋白的水平升高。Iwata 等[16]研究顯示，BCL2A1 可以顯著減少心肌再灌注損傷，Yang 等[17]發(fā)現(xiàn)BCL2 參與COPD 的發(fā)生。IL1B 是MI 后炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑[18]。AMI后TNFAIP3 的過量表達(dá)可抑制心臟重塑[19]。TNFAIP3-DREAM 軸在COPD 氣道炎癥中起重要作用[20]。Sheng等[21]發(fā)現(xiàn)TLR2 是AMI 的重要靶標(biāo)，TLR2 的激活可能是治療COPD 新策略[22]。AMI 后期S100A9 阻滯可改善心臟功能[23]。Railwah 等[24]發(fā)現(xiàn)COPD 患者血漿中的S100A9 升高。FN1 的上調(diào)只能在嚴(yán)重哮喘患者的肺泡灌洗液中發(fā)現(xiàn)[25]。針對8 個(gè)中樞基因?qū)ふ业降?4 種藥物可能作為AMI 合并COPD 的潛在治療藥物，結(jié)核菌素、托馬利拉單抗、白藜蘆醇己酸、塔斯奎尼德、帕尼莫德與疾病的關(guān)聯(lián)性高，但相關(guān)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。本項(xiàng)研究仍需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的證實(shí)，但也為AMI 患者合并COPD 的發(fā)病機(jī)制研究提供了新的研究方向。