基于高通量基因表達數(shù)據(jù)庫及生物信息學對坐骨神經(jīng)痛差異表達基因的分析研究

曲艷平 賀文廷 王旭 董浩 范智東

基金項目：云南省科技廳科學研究基金項目（編號：2023Y0966）

作者簡介：曲艷平，碩士研究生，醫(yī)師，研究方向：慢性神經(jīng)病理性疼痛的診療。

通信作者：范智東，大學本科，主任醫(yī)師，研究方向：臨床麻醉學。E-mail：fanzhidong68@163.com

【摘要】目的 基于高通量基因表達（GEO）數(shù)據(jù)庫及生物信息學篩選坐骨神經(jīng)痛相關(guān)差異表達基因（DEGs），分析其生物學功能，為臨床治療坐骨神經(jīng)痛提供參考。方法 通過GEO數(shù)據(jù)庫獲取坐骨神經(jīng)痛基因芯片（GSE124272）數(shù)據(jù)集，經(jīng)仙桃學術(shù)軟件異質(zhì)性分析獲取坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs，對坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs進行基因本體論（GO）、京都基因與基因組百科全書（KEGG）的通路富集分析。借助Cytoscape軟件實施蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)（PPI）分析獲取關(guān)鍵基因，經(jīng)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)專用數(shù)據(jù)庫（TRRUST）確定關(guān)鍵基因的主要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子及相應(yīng)的調(diào)節(jié)關(guān)系。結(jié)果 415個坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs經(jīng)PPI分析共獲取15個關(guān)鍵基因，經(jīng)TRRUST確定共12個TF協(xié)同參與檢查點激酶1（CHEK1）、含桿狀病毒IAP重復(fù)序列蛋白5（BIRC5）、細胞周期蛋白B2（CCNB2）、胸苷酸合成酶（TYMS）、細胞周期蛋白B1（CCNB1）關(guān)鍵基因的調(diào)控。結(jié)論 CHEK1、BIRC5、CCNB2、TYMS、CCNB1可作為坐骨神經(jīng)痛的新治療靶點和預(yù)防標志物。

【關(guān)鍵詞】高通量基因表達數(shù)據(jù)庫；生物信息學；坐骨神經(jīng)痛；差異表達基因

【中圖分類號】R614 【文獻標識碼】A 【文章編號】2096-2665.2024.05.0041.03

DOI：10.3969/j.issn.2096-2665.2024.05.014

坐骨神經(jīng)痛是慢性神經(jīng)病理性疼痛中常見的周圍神經(jīng)痛，其主要表現(xiàn)為坐骨神經(jīng)循環(huán)和分布區(qū)域的持續(xù)性或陣發(fā)性疼痛。有研究表明，45%的坐骨神痛病人癥狀會持續(xù)12個月，多發(fā)生于40～60歲人群[1]。該疾病不僅降低了患者晚年生活質(zhì)量，也給社會帶來嚴重的經(jīng)濟負擔。坐骨神經(jīng)痛的發(fā)病機制可能與坐骨神經(jīng)根或其支配的感覺神經(jīng)節(jié)受壓迫與扭曲有關(guān)，也可能與局部炎性細胞因子的高表達有關(guān)。本研究基于高通量基因表達（gene expression omnibus，GEO）數(shù)據(jù)庫及生物信息學，對8例坐骨神經(jīng)痛患者和8例健康人的基因數(shù)據(jù)進行分析，旨在了解坐骨神經(jīng)痛的發(fā)病機制，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)的來源與獲取 在GEO數(shù)據(jù)庫點擊“GEO Data Sets”，輸入“SCIATICA”，根據(jù)研究樣本及類別篩選坐骨神經(jīng)痛基因芯片，即：坐骨神經(jīng)痛基因芯片（GSE124272）數(shù)據(jù)集。選取GSE124272數(shù)據(jù)集為研究對象，其中包括

8例坐骨神經(jīng)痛患者及8例健康人的基因數(shù)據(jù)。

1.2 篩選差異表達基因 運用仙桃學術(shù)軟件對GSE124272數(shù)據(jù)集進行標準化預(yù)處理，獲得16例研究對象的基因數(shù)據(jù)的表達矩陣，以|logFC|>1及矯正后P<0.05為閾值篩選坐骨神經(jīng)痛相關(guān)差異表達基因（differential expressed genes， DEGs）。

1.3 富集分析 基因本體論（gene ontology，GO）數(shù)據(jù)庫由基因本體聯(lián)合建立，其從功能、生物學途徑和細胞位置等方面提供基因的簡單注釋[2]。京都基因與基因組百科全書（kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG）數(shù)據(jù)庫主要用于存儲不同物種的基因路徑信息，分析DEGs所涉及信號通路[3]。運用仙桃學術(shù)軟件對坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs進行GO和KEGG通路富集分析，顯著性基因富集臨界值設(shè)定為P<0.05。

1.4 篩選關(guān)鍵基因 運用仙桃學術(shù)軟件對坐骨神經(jīng)痛DEGs進行蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)（PPI）分析，分析結(jié)果輸入Cytoscape軟件，運用CytoHubba插件中度數(shù)關(guān)聯(lián)度算法獲取節(jié)點最高的15個基因，選取較高連通度的基因為該疾病的關(guān)鍵基因。

1.5 轉(zhuǎn)錄因子（TF）的預(yù)測與驗證轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)專用數(shù)據(jù)庫（transcriptional regulatory relationships unraveled by sentence-based text mining，TRRUST）是1個用于預(yù)測轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫，目前包括人和小鼠2個物種[4]。通過TRRUST獲取調(diào)控關(guān)鍵基因的TF，以及與關(guān)鍵基因之間的調(diào)控關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 差異表達基因標準化預(yù)處理結(jié)果 GSE124272數(shù)據(jù)集標準化預(yù)處理結(jié)果顯示：共415個坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs，見圖1。8個坐骨神經(jīng)痛患者樣本及8個健康人群的樣本標準化預(yù)處理篩選結(jié)果以箱式圖呈現(xiàn)，見圖2。

圖1 差異表達基因火山圖

注：紅色為篩選出的上調(diào)基因，藍色為篩選出的下調(diào)基因。

圖2 差異表達基因箱式圖

注：紅色為坐骨神經(jīng)痛組，藍色為健康對照組。

2.2 GO和KEGG通路富集分析結(jié)果 GO通路富集分析結(jié)果顯示：坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs主要富集于分泌顆粒管腔、特異性顆粒管腔、三級顆粒管腔、特異性顆粒管腔等部位，主要涉及有絲分裂核分裂的調(diào)節(jié)、有絲分裂核分裂的負調(diào)控、中性粒細胞介導的細胞毒性、嗜中性粒細胞介導的共生體細胞殺傷等過程。KEGG通路富集分析結(jié)果顯示：坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs主要與過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR）信號通路有關(guān)，PPAR信號通路主要調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄，見圖3。

圖3 GO和KEGG通路富集分析圖

注：CC ：細胞組分；BP：生物過程；KEGG：京都基因與基因組百科全書。

2.3 PPI分析結(jié)果 通過CytoHubba插件計算出15個節(jié)點，這15個節(jié)點稱為關(guān)鍵基因，包含含桿狀病毒IAP重復(fù)序列蛋白5（BIRC5）、檢查點激酶1（CHEK1）、細胞周期蛋白B2（CCNB2）、胸苷酸合成酶（TYMS）、細胞周期蛋白B1（CCNB1）、Opa 相互作用蛋白 5（OIP5）、苯并咪唑出芽抑制解除同源物蛋白1（BUB1）、有絲分裂檢查點絲氨酸/蘇氨酸激酶 B（BUB1B）、細胞分裂周期相關(guān) 2（CDCA2）、驅(qū)動蛋白家族成員 C1（KIFC1）、Holliday交叉識別蛋白（HJURP）、驅(qū)動蛋白家族成員11（KIF11）、非 SMC Condensin II 復(fù)合物亞基 G2（NCAPG2）、透明質(zhì)酸介導的運動受體（HMMR）及NDC80 著絲粒復(fù)合物的 NUF2 組分（NUF2），見圖3。

圖4 關(guān)鍵基因蛋白-蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)圖

2.4 關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄因子驗證結(jié)果 基于TRRUST數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)12個調(diào)控關(guān)鍵基因的TF，分別為腫瘤蛋白P53（TP53）、上游轉(zhuǎn)錄因子1（USF1）、E1A結(jié)合蛋白P300（EP300）、Sp1轉(zhuǎn)錄因子（SP1）、E2F轉(zhuǎn)錄因子1（E2F1）、KLF 轉(zhuǎn)錄因子 4（KLF4）、核因子 Kappa B 亞基 1（NFKB1）、Y-Box 結(jié)合蛋白 1（YBX1）、RELA 原癌基因，NF-KB 亞基（RELA）、E2F轉(zhuǎn)錄因子4（E2F4）、MYC 原癌基因，BHLH 轉(zhuǎn)錄因子（MYC）、KLF 轉(zhuǎn)錄因子 5（KLF5），協(xié)同參與CHEK1、BIRC5、CCNB2、TYMS、CCNB1這5個關(guān)鍵基因的調(diào)控，見圖5。

圖5 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖

3 討論

近年來，人們對精準醫(yī)療的要求越來越高，許多新型的治療手段被應(yīng)用于臨床診療中。目前，與疾病相關(guān)的基因研究成為研究熱點，但多關(guān)于癌癥方面，對于坐骨神經(jīng)痛基因的研究較少。臨床治療坐骨神經(jīng)痛主要為臥床休息、手術(shù)治療、西藥治療。臥床休息能夠緩解坐骨神經(jīng)痛急性發(fā)作期因神經(jīng)損傷所引起的疼痛及因機體活動所引起的神經(jīng)牽拉。雖然長期臥床能夠緩解一定程度的坐骨神經(jīng)痛，但也會產(chǎn)生不良反應(yīng)，如形成靜脈血栓、肌肉萎縮、骨質(zhì)疏松等；另外，長期臥床還會使患者心情煩躁，增加心理疾病發(fā)生的風險[5]。

研究顯示，手術(shù)治療與保守治療相比，能夠更快地緩解疼痛，但治療1年和2年后疼痛緩解程度無明顯差異[6]。西藥治療坐骨神經(jīng)痛以鎮(zhèn)痛與營養(yǎng)神經(jīng)類藥物進行對癥治療為主，研究表明目前臨床治療坐骨神經(jīng)痛常用的非甾體類抗炎藥并不能從根本上解決因坐骨神經(jīng)受損引起的疼痛[7]。且在臨床實踐中，可觀察到部分患者經(jīng)過西藥治療后疼痛癥狀并未得到充分緩解[8]。因此，尋找新的坐骨神經(jīng)痛治療靶點和預(yù)防標志物對臨床治療具有重要意義。

本研究選取8個坐骨神經(jīng)痛患者樣本和8個健康人為研究對象，共篩選出了415個坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs以及可能參與坐骨神經(jīng)痛發(fā)生發(fā)展的15個關(guān)鍵基因?；赥RRUST數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)12個調(diào)控關(guān)鍵基因的TF協(xié)同參與CHEK1、BIRC5、CCNB2、TYMS、CCNB1這5個關(guān)鍵基因的調(diào)控。

CHEK1屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族中的一員，在細胞DNA損傷時或未完全復(fù)制的DNA中表達，主要功能為參與調(diào)節(jié)細胞周期修復(fù)DNA的損傷[9]。有研究指出，CHEK1參與調(diào)節(jié)細胞周期及DNA的損傷修復(fù)[10]。同時，CHEK1的異常表達還可使細胞減數(shù)分裂進展緩慢[11]。高表達的BIRC5與趨化因子活性和免疫細胞趨化性相關(guān)[12]。TYMS是一種葉酸依賴性必需酶，可產(chǎn)生DNA合成和修復(fù)所需的tRNA[13]。細胞周期蛋白（Cyclin）家族成員是細胞周期進程的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，CCNB1和CCNB2是Cyclin家族中非常重要的成員，在細胞周期的不同階段發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[14]。有絲分裂主要由CCNB1及其相關(guān)的催化活性伴侶所驅(qū)動[15]。以上5個關(guān)鍵基因在細胞的發(fā)育、組織分化等過程中發(fā)揮著重要的作用，因此，這5個關(guān)鍵基因有可能成為坐骨神經(jīng)痛的新治療靶點和預(yù)防標志物。

綜上所述，坐骨神經(jīng)痛發(fā)病與預(yù)后中發(fā)揮關(guān)鍵作用的基因為CHEK1、BIRC5、CCNB2、TYMS、CCNB1，可作為坐骨神經(jīng)痛的新治療靶點和預(yù)防標志物。

參考文獻

JIANG C， LI Y，GUO M，et al. Acupotomy therapy for lumbar disc herniation： Protocol for a systematic review and meta-analysis[J].Medicine， 2018， 97（40）： e12624.

GENE ONTOLOGY CONSORTIUM. The Gene Ontology resource： Enriching a GOld mine[J]. Nucleic Acids Res， 2021， 49（D1）： D325-334.

KANEHISA M，F(xiàn)URUMICHI M， TANABE M， et al. KEGG： New perspectives on genomes，pathways， diseases and drugs[J]. Nucleic Acids Res， 2017， 45（D1）： D353-D361.

SU W， ZHAO Y， WEI Y，et al. Exploring the pathogenesis of psoriasis complicated with atherosclerosis via microarray data analysis[J].Front Immunol， 2021， 12： 667690.

SHEN Y， ZHOU Q， QIU Z，et al. Acupotomy for calcaneodynia： A systematic review protocol[J]. Medicine， 2018， 97（14）： e0143.

JACOBS W C， VAN TULDER M， ARTS M， et al. Surgery versus conservative management of sciatica due to a lumbar herniated disc： A systematic review [J]. Eur spine J， 2011， 20（4）： 513-522.

RASMUSSEN-BARR E， HELD U， GROOTEN W J， et al. Non-steroidal anti-inflammatory drugs for sciatica [J]. Cochrane database Syst Rev， 2016， 10（10）： CD012382.

老年慢性非癌痛藥物治療中國專家共識[J]. 中國疼痛醫(yī)學雜志， 2016， 22（5）： 321-325.

TAN Z， CHEN M， WANG Y， et al. CHEK1： A hub gene related to poor prognosis for lung adenocarcinoma[J]. Biomark Med， 2022， 16（2）：83-100.

TAN Z， CHEN M， WANG Y， et al. CHEK1： A hub gene related to poor prognosis for lung adenocarcinoma [J]. Biomark Med， 2022， 16（2）： 83-100.

ABE H， ALAVATTAM K G，KATO Y，et al.CHEK1 coordinates DNA damage signaling and meiotic progression in the male germline of mice[J].Hum Mol Genet， 2018， 27（7）： 1136-1149.

LIN T Y， CHAN H H， CHEN S H， et al.BIRC5/Survivin is a novel ATG12-ATG5 conjugate interactor and an autophagy-induced DNA damage suppressor in human cancer and mouse embryonic fibroblast cells[J]. Autophagy， 2020， 16（7）： 1296-1313.

WILSON P M， DANENBERG P V， JOHNSTON P G， et al. Standing the test of time： Targeting thymidylate biosynthesis in cancer therapy[J]. Nat Rev Clin Oncol， 2014， 11（5）： 282-298.

FANG L， LIU Q， CUI H，et al. Bioinformatics analysis highlight differentially expressed CCNB1 and PLK1 genes as potential anti-breast cancer drug targets and prognostic markers[J].Genes， 2022， 13（4）： 654.

HAGAN I M， GRALLERT A. Spatial control of mitotic commitment in fission yeast[J].Biochem Soc Trans， 2013， 41（6）： 1766-1771.