早發(fā)型子癇前期及晚發(fā)型子癇前期關(guān)鍵基因鑒定及功能聚類

陳亭亭 劉紅麗 劉順華 王永春

摘要：目的 鑒定子癇前期發(fā)病相關(guān)重要基因，預(yù)測差異基因可能參與調(diào)控的關(guān)鍵生物學(xué)進(jìn)程，為未來子癇前期機(jī)制研究提供理論基礎(chǔ)。方法 對GSE74341芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析，鑒定早發(fā)型子癇前期和晚發(fā)型子癇前期中差異表達(dá)的基因，并對差異基因進(jìn)行GO功能聚類分析和KEGG信號通路分析，預(yù)測差異基因可能參與調(diào)控的關(guān)鍵生物學(xué)進(jìn)程。結(jié)果 通過分析芯片數(shù)據(jù)鑒定1227個在早發(fā)型子癇前期中差異表達(dá)的基因，331個在晚發(fā)型子癇前期中差異表達(dá)的基因以及有739個在早發(fā)型子癇前期和晚發(fā)型子癇前期之間差異表達(dá)的基因。通過對差異基因進(jìn)行GO功能聚類分析和KEGG信號通路分析，預(yù)測差異基因可能參與調(diào)控的關(guān)鍵生物學(xué)進(jìn)程。結(jié)論 通過生物信息學(xué)分析出與子癇前期可能相關(guān)的重要基因，可以進(jìn)一步對這些基因在子癇前期的功能進(jìn)行驗證。

關(guān)鍵詞：早發(fā)型子癇前期，晚發(fā)型子癇前期，生物信息學(xué)分析

子癇前期（PE）是孕產(chǎn)婦及圍產(chǎn)期發(fā)病及致死的主要病癥之一。據(jù)統(tǒng)計，全球大約每年有50000～60000起子癇前期相關(guān)的死亡案例[1]。在子癇前期病例中，胎兒和母親都面臨較差的預(yù)后及未來長期高危的心血管疾病和代謝疾病[2～3]。目前研究將子癇前期主要分為早發(fā)型子癇前期（EOPE）和晚發(fā)型子癇前期（LOPE）。早發(fā)型子癇前期指發(fā)病在懷孕34周前的子癇前期，而發(fā)病在妊娠34周后的則稱為晚發(fā)型子癇前期。早發(fā)型子癇前期屬于子癇前期中最嚴(yán)重的病癥，發(fā)病率雖低于晚發(fā)型子癇前期，但一般與新生兒的發(fā)病率與死亡率相關(guān)。而晚發(fā)型子癇前期則更多得表現(xiàn)為母親代謝綜合征、慢性高血壓等心血管疾病和代謝疾病的發(fā)病相關(guān)[4～5]。兩者在病癥上有所重疊，但在母嬰圍產(chǎn)期結(jié)局、預(yù)后及后續(xù)并發(fā)癥上有所區(qū)別，此外，兩者的發(fā)病原因上也有所區(qū)別，一般被認(rèn)為是兩種不同病癥。

為了有效預(yù)防、診斷及治療子癇前期，明確早發(fā)型子癇前期和晚發(fā)型子癇前期發(fā)病及調(diào)控方式的區(qū)別尤為重要。本研究旨在通過鑒定早發(fā)型與晚發(fā)型子癇前期差異表達(dá)基因，預(yù)測差異基因可能參與調(diào)控的關(guān)鍵生物學(xué)進(jìn)程，為子癇前期的診斷治療奠定基礎(chǔ)。

1方法材料

1.1 研究對象及來源

在美國國家生物技術(shù)信息中心（NCBI）GEO 數(shù)據(jù)庫中下載GSE74341芯片數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集是Liang等分析來自7個早發(fā)型子癇前期（EOPE），8個晚發(fā)型子癇前期（LOPE）和10個正常產(chǎn)婦（5個早產(chǎn)和5個足月）胎盤組織的表達(dá)譜芯片數(shù)據(jù)。

1.2 差異基因分析及鑒定

使用R包limma對GSE74341芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行基因差異表達(dá)分析， 選擇差異倍數(shù)大于2倍或者小于0.5倍且校正的p值小于0.05的基因為差異基因，使用R包pheatmap繪制熱圖。

1.3 差異基因生物學(xué)功能預(yù)測

使用R包clusterProfiler進(jìn)行Gene Ontology 功能富集分析（GO分析）和KEGG信號通路分析。GO分析包含三個模塊，分別為生物進(jìn)程分析（BP），細(xì)胞組成分析（CC）以及分子功能分析（MF）。

2結(jié)果

2.1 芯片數(shù)據(jù)分析差異基因

GSE74341芯片是利用GPL16699芯片平臺分析來自7個早發(fā)型子癇前期（EOPE），8個晚發(fā)型子癇前期（LOPE）和10個正常產(chǎn)婦（5個早產(chǎn)和5個足月）胎盤組織的表達(dá)譜芯片數(shù)據(jù)[6]。我們利用R分析GSE74341芯片中在早發(fā)型子癇前期，晚發(fā)型子癇前期差異表達(dá)的基因（|LogFC＞1|）。分析得到1227個在早發(fā)型子癇前期中差異表達(dá)的基因，其中包括680個基因上調(diào)表達(dá)和547個下調(diào)表達(dá)基因；331個在晚發(fā)型子癇前期中差異表達(dá)的基因，其中包括252個上調(diào)表達(dá)的基因和78個下調(diào)表達(dá)的基因。

進(jìn)一步利用R分析GSE74341芯片中早發(fā)型子癇前期與晚發(fā)型子癇前期之間差異表達(dá)基因（|LogFC>1|）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有739個基因在早發(fā)型子癇前期和晚發(fā)型子癇前期之間差異表達(dá)，相比于早發(fā)型子癇前期，有 477個基因在晚發(fā)型子癇前期上調(diào)表達(dá)的基因和261個基因在晚發(fā)型子癇前期下調(diào)表達(dá)。該結(jié)果也證明，對早發(fā)型子癇前期與晚發(fā)型子癇前期的調(diào)控機(jī)制確實存在較大差異。

2.2 生物學(xué)功能分析和信號通路分析

為了進(jìn)一步探究可能參與調(diào)控子癇前期發(fā)病及進(jìn)展過程的生物學(xué)過程，我們利用GO功能富集分析在早發(fā)型子癇前期組差異表達(dá)基因參與的重要生物學(xué)途徑。分析結(jié)果顯示，早發(fā)型子癇前期的差異表達(dá)基因主要富集在蛋白酶體介導(dǎo)的泛素化依賴性蛋白降解途徑，外部封裝結(jié)構(gòu)等20種細(xì)胞進(jìn)程；主要富集在細(xì)胞-底物連接、核斑點等20種細(xì)胞組成；以及主要富集在GTP酶活性、GTP酶結(jié)合、小GTP酶結(jié)合等20種分子功能。

此外，利用KEGG信號通路分析與早發(fā)型子癇前期可能相關(guān)的信號通路。分析結(jié)果顯示，可能與早發(fā)型子癇前期相關(guān)基因主要參與調(diào)控緊密連接、Wnt信號通路、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白加工，人免疫缺陷病毒1感染等20種信號通路。

同樣的，利用GO功能富集分析在晚發(fā)型子癇前期組差異表達(dá)基因參與的重要生物學(xué)途徑。分析結(jié)果顯示，晚發(fā)型子癇前期的差異表達(dá)基因主要富集在糖蛋白代謝、糖蛋白合成等20種生物進(jìn)程；主要富集在核斑點、晚期內(nèi)體等20種細(xì)胞組成；以及主要富集在調(diào)控半胱氨酸型肽酶活性、分子載體活性、單鏈RNA結(jié)合等20種分子功能。

利用KEGG信號通路分析與晚發(fā)型子癇前期可能相關(guān)的信號通路。分析結(jié)果顯示，可能與晚發(fā)型子癇前期相關(guān)基因主要富集在調(diào)控肝癌、甲狀腺激素信號通路等20種信號通路。見圖1。

目前的研究認(rèn)為，早發(fā)型子癇前期與晚發(fā)型子癇前期在發(fā)病原因，調(diào)控機(jī)制，病癥表現(xiàn)等各方面存在較大區(qū)別，是兩種不同疾病。差異表達(dá)基因分析也同樣發(fā)現(xiàn)，早發(fā)型子癇前期與晚發(fā)型子癇前期患者間存在不同的基因表達(dá)模式。

GO功能富集分析結(jié)果顯示，在早發(fā)型子癇前期與晚發(fā)型子癇前期之間差異表達(dá)基因主要富集在正向調(diào)控MAPK級聯(lián)通路，細(xì)胞生長、細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)，細(xì)胞外結(jié)構(gòu)相關(guān)等20種生物進(jìn)程；主要富集在含膠原蛋白細(xì)胞外基質(zhì)、質(zhì)膜外側(cè)等20種細(xì)胞組成；以及主要富集調(diào)控磷脂結(jié)合、細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成、碳水化合物結(jié)合等20種分子功能。

此外，KEGG信號通路富集分析顯示在早發(fā)型子癇前期與晚發(fā)型子癇前期之間差異，表達(dá)基因主要富集調(diào)控PI3K-Akt信號通路、Rap1信號通路。見圖2。

3討論

子癇前期是導(dǎo)致孕產(chǎn)婦及新生兒患病及死亡的主要疾病之一。目前，研究將子癇前期主要分為早發(fā)型子癇前期和晚發(fā)型子癇前期，發(fā)病于妊娠34周前的子癇前期被稱為早發(fā)型子癇前期，發(fā)病主要危及新生兒健康；發(fā)病于懷孕34周后的子癇前期被稱為晚發(fā)型子癇前期，發(fā)病主要影響母體健康。胎盤被普遍認(rèn)為是子癇前期發(fā)病的主要環(huán)節(jié)，研究患者胎盤與正常產(chǎn)婦胎盤差異表達(dá)基因是探究子癇前期發(fā)病及進(jìn)展的可靠手段。

在過去的研究中，研究人員利用生物信息學(xué)分析子癇前期患者胎盤組織的轉(zhuǎn)錄組變化，有助于識別子癇前期發(fā)病及進(jìn)展的生物學(xué)機(jī)制。有研究[7]利用高密度寡核苷酸微陣列進(jìn)行全基因組表達(dá)譜分析，在子癇前期胎盤組織中鑒定到70個上調(diào)和67個下調(diào)表達(dá)基因。本研究結(jié)果顯示，Wnt信號通路、GTP酶活性、PI3K-Akt信號通路等被廣泛富集。

綜上所述，通過生物信息學(xué)分析出與子癇前期可能相關(guān)的重要基因，可以進(jìn)一步對這些基因在子癇前期的功能進(jìn)行驗證。

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