缺血性腦卒中差異表達基因篩選、功能富集與相關信號通路生物信息學分析

武金燕

天津市靜海區(qū)醫(yī)院 天津醫(yī)科大學靜海臨床學院神經(jīng)內(nèi)科 301600

缺血性腦卒中(Ischemic stroke，IS)是臨床最為常見的腦血管病。相關數(shù)據(jù)顯示，2020年IS是全球第二大最常見的死亡原因，造成約700萬人死亡(約占總死亡人數(shù)的11%)[1]。2020年，大約有1 800萬人罹患IS，其中2/3的IS發(fā)生在65歲以上的人群中，而南亞人IS的風險尤其高，占全球IS死亡人數(shù)的40%[2]。IS發(fā)生后，當缺血的腦組織中氧氣或葡萄糖消耗殆盡，高能磷酸化合物(如三磷酸腺苷)將不再產(chǎn)生，進而導致組織細胞生存所必需的能量依賴過程(如離子泵)無法進行[3-4]，導致細胞損傷和死亡。目前認為，IS的發(fā)生有一定的遺傳背景因素，多個基因的差異時空表達可能影響IS的發(fā)生和預后[5]。本研究采用生物信息大數(shù)據(jù)分析方法篩選IS相關差異基因并進行可能的信號通路分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)庫分析 選取基因表達譜公共數(shù)據(jù)庫GEO，對GEO數(shù)據(jù)庫中關于IS患者與正常人群外周血中差異表達基因譜數(shù)據(jù)進行篩選，并對差異表達基因進行篩選。篩選條件為IS組和正常人群中上調(diào)或下調(diào)超過2個拷貝的基因。對不同數(shù)據(jù)集中篩選出的基因進行分析，選取重疊的差異基因(共差異基因)作為研究對象。選擇蛋白—蛋白相互作用數(shù)據(jù)庫STRING(http://string-db.org/cgi/input.pl)，對公差異表達基因進行蛋白拓撲網(wǎng)絡構建。采用KEGG數(shù)據(jù)庫對，共差異表達基因信號通路進行分析。

1.2 IS差異表達基因篩選 GEO數(shù)據(jù)庫中檢索IS基因表達數(shù)據(jù)集，檢索詞為“Ischemic stroke”，種屬為“human”。進一步對檢索到的結果進行篩選，選取GSE22255[6]、GSE98319和GSE66724[7]三個數(shù)據(jù)集進行分析。根據(jù)數(shù)據(jù)集中IS患者與健康人群外周血中的基因表達譜情況進行篩選，篩選條件為IS組和正常人群中上調(diào)或下調(diào)超過2個拷貝的基因，且P<0.05；分別對GSE22255、GSE98319和GSE66724數(shù)據(jù)集中的差異基因進行重疊分析，選取共差異表達基因，并繪制Venn圖。

1.3 功能富集及信號通路分析 在STRING數(shù)據(jù)庫中對篩選出的共差異表達基因進行蛋白相互作用拓撲網(wǎng)絡構建，構建條件為：數(shù)據(jù)來源Textmining、co-expression、gene function和co-occurrence；相互作用關系系數(shù)≥0.4；相互作用蛋白不高于20個。

1.4 KEGG信號通路分析 在KEGG數(shù)據(jù)庫中(https://www.genome.jp/kegg/pathway.html)對STAT3、MMP9和SOCS3相關信號通路進行分析。物種選擇“human”；通路包含：代謝、遺傳信息、環(huán)境信息、細胞過程、人類疾病和藥物開發(fā)等。

2 結果

2.1 缺血性腦卒中患者差異表達基因篩選 GSE22255、GSE98319和GSE66724數(shù)據(jù)集中缺血性腦卒中患者和正常對照人群中差異表達基因分別為30個、196個和13個。其中共差異表達基因3個分別為STAT3、MMP9和SOCS3，見圖1。

圖1 缺血性腦卒中患者差異表達基因篩選

2.2 差異表達基因的聚類熱圖 對GSE66724差中差異表達基因進行聚類分析，結果顯示STAT3、MMP9和SOCS3等差異表達基因在缺血性腦卒中組聚類明顯，見圖2。

圖2 STAT3、MMP9和SOCS3等差異表達基因聚類熱圖

2.3 共差異表達基因的圖譜網(wǎng)絡 STAT3、MMP9和SOCS3蛋白網(wǎng)絡中有節(jié)點數(shù)為20個，節(jié)點間相互作用115個，平均聚類指數(shù)為0.75，STAT3、MMP9和SOCS3蛋白相互作用網(wǎng)絡蛋白富集明顯(P<0.05)，見圖3。

圖3 STAT3、MMP9和SOCS3蛋白相互作用拓撲網(wǎng)絡

2.4 STAT3、MMP9和SOCS3功能富集 STAT3、MMP9和SOCS3等基因編碼蛋白主要富集于細胞質(zhì)、Cul5-RING泛素連接酶復合物等；生物學功能主要富集于蛋白結合、非膜跨越蛋白酪氨酸激酶活性、RNA聚合酶ii特異性DNA結合轉(zhuǎn)錄因子結合等；分子功能主要富集于細胞表面受體信號通路、白細胞介素-6的細胞反應和細胞對氧化應激的反應等。見表1。

表1 STAT3、MMP9和SOCS3功能富集

2.5 STAT3、MMP9和SOCS3相關信號通路 STAT3、MMP9和SOCS3基因主要涉及蛋白代謝、表達調(diào)控信號通路見圖4。信號通路涉及Jak-STAT信號通路、凋亡通路和MAPK等。

圖4 STAT3、MMP9和SOCS3相關信號通路模式圖

3 討論

3.1 IS特征及危險因素 IS是由于供血不足而發(fā)生的缺血性梗死，臨床較為常見。缺血會導致大腦的某些部分出現(xiàn)功能異常，包括偏身感覺或運動障礙、語言障礙、感音障礙，甚至昏迷。IS的主要危險因素是高血壓，其他危險因素包括高膽固醇、吸煙、肥胖、糖尿病、既往短暫腦缺血發(fā)作、終末期腎病和房顫等[8]。預防措施包括減少危險因素，對有問題的頸動脈狹窄患者進行干預；對房顫患者使用華法林阿司匹林進行抗凝；對存在高血脂的患者應進行有效的降脂治療[9]。

3.2 IS發(fā)生的病生理改變 IS目前的發(fā)生發(fā)展病生理機制并未完全闡明，主要為大腦部分供血不足而引起的缺血性級聯(lián)反應，如缺氧超過1 ～ 1.5min，腦組織功能將受到明顯影響，缺血缺氧大約3h后腦發(fā)生不可逆的損傷，并導致腦組織死亡，即腦梗死[10]。腦動脈粥樣硬化可導致腦血管管腔狹小，進而導致血流減少，引起血管內(nèi)血栓的形成，或通過動脈粥樣硬化斑塊的崩解釋放大量小栓子干擾血液供應[11]。當栓子停留在腦血管時，該血管供血區(qū)域的腦組織得不到血液和氧氣而發(fā)生梗死。

3.3 IS差異表達基因和信號通路 在本研究中，筆者采用生物信息分析方法，探討了IS發(fā)生有關的基因并進行了可能的信號通路分析。結果顯示，STAT3、MMP9和SOCS3在IS與正常人群外周血中存在明顯差異表達。同時，STAT3、MMP9和SOCS3基因編碼蛋白拓撲網(wǎng)絡富集明顯(P<0.05)；STAT3、MMP9和SOCS3基因及其涉號通路包括Jak-STAT信號通路、凋亡通路和MAPK等信號通路。信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子3 (STAT3)是信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子的一種，其作用體現(xiàn)在細胞信號的交流和基因的轉(zhuǎn)錄等方面。已有文獻報道，STAT3在IS發(fā)生中具有重要作用。林建國等人[12]研究認為JAK2/STAT3/HIF-1a信號通路的激活或抑制在IS中所發(fā)揮重要作用，IS急性期抑制JA K2/STA T3/HIF-1α信號通路的表達、康復期激動JAK2/STAT3/HIF-1a信號通路的表達、抑制與激動的結合運用可能是今后對JAK2/STA T3/HIF-1α信號通路的研究方向。

3.4 總結與不足 通過生物信息大數(shù)據(jù)分析不同的IS與健康人群差異表達基因譜，筆者發(fā)現(xiàn)STAT3、MMP9和SOCS3可能與IS發(fā)生有關，并有望成為IS預防和治療的新靶點。但本研究數(shù)據(jù)主要基于數(shù)據(jù)庫生物信息分析，其結論的可靠性有待進一步相關試驗證實。