基于生物信息学方法分析颈动脉粥样硬化的关键通路和枢纽基因

2doi:10.3969/.1009-4393.2021.15.003--论著--基于生物信息学方法分析颈动脉粥样硬化的关键通路和枢纽基因李先芳，林璋（福建省老年医院心血管内科，福建摘要：目的福州350000）从GEO数据库获得颈动脉斑块的基因利用生物信息学分析初步探索颈动脉粥样硬化进展的枢纽基因和关键通路。方法表达谱GSE43292数据集，利用GEO2R分析颈动脉斑块和正常组织的差异基因，利用R语言clusterprofile包对差异基因进行GO富集分析和KEGG功能富集分析。利用STRING工具和Cytoscape构建蛋白互作网络，并筛选关键基因。结果差异基因蛋白互作网络的枢纽基因为CD163、MMP9、CXCL10、CCR1。结论脉粥样斑块的预后和治疗提供新的分子靶点。关键词：生物信息学；颈动脉粥样斑块；差异基因；基因富集；枢纽基因GEO2R分析GSE43292数据集共含有97个差异基因，包括46个上调基因和51个下调基因；基因富集分析发现差异基因主要富集cAMP信号通路、色氨酸代谢、PPAR信号通路等相关通路。CD163、MMP9、CXCL10、CCR1为颈动脉斑块形成的枢纽基因，可能为动AnalysisofkeypathwaysandhingegenesofcarotidatherosclerosisbasedonbioinformaticsLIXianfang,LINZhang(DepartmentofCardiology,FujianGeriatricHospital,Fuzhou,Fujian,350000,China)Abstract:ObjectiveTousebioinformaticsanalysistopreliminsThegeneexpresfereichedanalysisofGOandKEGGfunctionalenrichmentofthediINGtoolsTherewere97differentiallyexpressedgenesinGSE43292byGEO2Ranalysis,richmentanalysisfoundthatdifferentialgenesmainlyenrichedcAMPsignalingpathway,tryptophanmetabolism,genesofthedifferentialgeneproteininteractionnetworkareCD163,MMP9,sionCD163,MMP9,CXCL10,andCCR1arepivotalgenesforcarotidplaqueformation,andmayprovidenewmoleds:Bioinformatics;Carotidatheromatousplaque;Differentialgenes;Geneenrichment;Pivotalgenes颈动脉粥样硬化是心脑血管疾病发生的主要因素，明确颈动脉粥样硬化的发病机制是预防心脑血管的关键[1-3]，尽管影响颈动脉粥样硬化的相关因素较多，但目前颈动脉粥样硬化的分子机制尚未完全明确，因此，研究颈动脉粥样硬化的分子机制具有重要意义。随着测序技术的发展及公共数据库的建立，利用生物信息学探索疾病的相关机制越来越普遍[4]。本研究利用生物信息学和GEO公共数据库进行分析，获得颈动脉斑块与斑块旁组织的差异基因（differential-lyexpressedgenes，DEGs)，并利用GO和KEGG对差异基因进行富集分析，同时利用PPI网络和cytoscape技术筛选差异基因的枢纽基因，探索经颈动脉粥样硬化潜在的治疗靶点，为心脑血管疾病的早期预警奠定一定的理论基础，现报道如下。1材料与方法1.1差异基因的筛选在GEO数据库分析GSE43292数据集，该数据集含有32例颈动脉粥样斑块组织和32例斑块旁组织，利用GEO2R在线工具分析获得DEGs，利用R语言进行火山图绘制。1.2GO和KEGG分析GO富集分析是按照生物学进程（bi-ologicalprocess，BP）、分子功能（molecularfunction，MF）和细胞组分（cellularcomponent，CC）进行富集调查的方法，对基因功能进行注解；KEGG是将基因按照所在生物学通路进行富集分析。利用R语言包clusterprofile对DEGs进行GO和KEGG分析。1.3蛋白互作网络构建和枢纽基因的筛选蛋白互作资助项目：福建省卫生厅青年科研课题基金（2012-2-29）—6—

2（proetin-proteininteraciton，PPI）网络是用于预测和分析蛋白之间的潜在相互作用，利用STRING在线数据库构建PPI网络（/cgi/），将蛋白互作网络导入cytoscape软件，利用cytohubba筛选枢纽基因。2结果利用GEO2R分析GSE43292共获得97个DEGs，包括46个上调DEGs和51个下调DEGs，所获结果可视化为火山图，见图1。图3差异基因的GO注释功能细胞组分分析Figure3ThecellularcomponentofGOanalysis图1GSE43292的火山图Figure1VolcanomapofGSE43292注：红色代表显著上调的基因，绿色代表显著下调的基因，黑色代表表达不显著的基因2.1差异表达基因的GO功能富集及KEGG通路分析利用R语言对97个DEGs进行GO功能注释和KEGG信号通路富集分析，按富集基因数目排序，分别取位于前10的分析结果。GO功能注释结果显示：在生物学过程中，DEGs主要涉及细胞外结构组织、平滑肌细胞增殖的负调控、吲哚烷基胺代谢过程等，见图2；在细胞组分中，DEGs主要与细胞外基质、受体复合物和细胞膜面有关，见图3；在分子功能上，DEGs主要涉及碳水化合物结合、酰胺键、金属内肽酶活性等。KEGG通路分析显示，DEGs主要富集cAMP信号通路、色氨酸代谢、PPAR信号通路等相关通路，见图4～5。图4差异基因的GO注释功能分子功能分析Figure4ThemolecularfunctionofGOanalysis图5差异基因的KEGG富集通路分析Figure5KEGGpathwayanalysis2.3PPl网络构建及枢纽基因建立将97个DEGs的String图2差异基因的GO注释功能生物学过程分析Figure2ThebiologicalprocessofGOanalysis蛋白互作分析结果导入Cytoscape进行可视化，见图6，然后在MCODE插件中找出得分最高的蛋白互作模块，最后在cytoHubba—7—

2[2]伍满燕,梁文卿,陈江天,等.颈动脉粥样硬化性疾病的诊治进展[J].中华老年心脑血管病杂志,2019,21(11):1223-1226.[3]陈倩倩,李秀云,郑金珏,等.超声评价青老年颈动脉粥样硬化斑块临床价值[J].医学研究杂志,2020,49(1):118-121,127.[4]刘冬琦,窦涪琳,杨晓东.肺腺癌关键基因的生物信息学研究[J].中国实验诊断学,2020,24(4):580-586.[5]许桂媚.CD163对判断慢性阻塞性肺疾病急性加重的临床价值[J].中国现代医学杂志,2019,29(23):118-122.[6]BadaczR,PodolecJ,PrzewlockiT,eofche-mokineCCL5/RANTESandmetalloproteinase-9asinflamma-torymodulatorsinsymptomaticinternalcarot-idar-terystenosis[J].PhysiolPharmacol,2019,70(4):32-36.[7]LiuRJ,ChenBF,ChenJM,upregulatessmoothmusclecellexpressionofMMP-9topromoteplaquedestabilizationbyactivatingAP-1viatheleptinrecep-tor/MAPK/ERKsignalingpathways[J].ExpTherMed,2018,16(6):5327-5333.图6差异基因PPI网络图[8]MéreiÁ,NagyB,WothG,isonoftheperiop-erativetimecoursesofmatrixmetalloproteinase-9(MMP-9)anditsinhibitor(TIMP-1)duringcarotidar-terystenting(CAS)andcarotidendarterectomy(CEA)[J].BMCNeurol,2018(18):128.[9]Zielinska-TurekJ,DorobekM,TurekG,-9and/orTIMPaspredictorsofischaemicstrokeinpa-tientswithsymptomaticandasymptomaticatheroscle-roticstenosisofcarotidarterytreatedbystentingorendar-terectomy-Areview[J].NeurolNeurochirPol,2018,52(5):555-561.[10]肖硕,熊杏安.CXC趋化因子配体10与心血管疾病[J].新医学,2014(10):640-643.[11]ElmasE,HolzerL,LansS,edproinflammato-ryresponseofmononucleareelstoinvitroLPS-chal-lengeinpatientswithventricularfibrillationinthesettingofacutemyocardialinfarction[J].Cytokine,2008,43(2):138-142.[12]钱银芬,罗红阳,钱伟,等.红树莓提取物对ApoE基因敲除小鼠动脉粥样硬化及NF-κB/VCAM-1通路的影响[J].贵州医药,2019,43(12):1854-1858.[13]申童,喻青松,董飒英.GRB2基因沉默介导PI3K/AKT/NF-κB信号通路对动脉粥样硬化大鼠脂质沉积和炎性浸润的影响[J].东南大学学报,2019,38(5):792-799.[14]晏昆,蒙凌,陈玉芳.PPARα通路靶向基因DPP4及其基因多态性与脑动脉粥样硬化的相关性研究[J].当代医学,2019,25(24):47-50.[15]马红梅,张津华,赵春水,等.下调肌细胞增强因子2C基因对动脉粥样硬化血管内皮细胞增殖凋亡及核因子-κB信号通路的影响[J].中国老年学杂志,2019,39(5):1176-1180.[16]信盼,王新春,黄川生,等.香青兰总黄酮对ApoE基因敲除小鼠动脉粥样硬化及TGF-β1/Smad通路的影响[J].石河子大学学报,2018,36(4):492-497.[17]付鑫,卢杰,李潞,等.丹参酮ⅡA对Apoe基因敲除动脉粥样硬化小鼠主动脉TNF-α/p38MAPK/NF-κB/RBP4信号通路变化研究[J].辽宁中医药大学学报,2018,20(1):18-21.[18]田涌.缺血性脑血管病与颈动脉粥样硬化的关系[J].中西医结合心血管病电子杂志,2016,4(32):6PPInetwolkofDEGs插件中利用MCC法筛选MMP9、CXCL10、CD163和CCR1等5个枢纽基因，见图6。注：红色代表上调基因；蓝色代表下调基因3讨论本研究利用生物信息学分析技术对颈动脉斑块组织和斑块旁组织进行分析，共获得97个DEGs，其中上调基因46个，下调基因51个。DEGs可能与颈动脉斑块的发生和发展相关[5-6]。KEGG基因富集分析发现颈动脉粥样硬化的发生、发展可能与cAMP信号通路、色氨酸代谢、PPAR信号通路等有关[7]。PPI网络分析筛选出CD163、MMP9、CXCL10、CCR1为枢纽基因，可能在动脉粥样斑块进展中发挥重要的作用[8-9]。CD163为清道夫受体半胱氨酸富集结构域家族成员，其通常在单核巨噬细胞膜上表达，通过调控炎症因子的表达而发挥抗炎、抗氧化作用，与清道夫的功能相关[10-11]。而清道夫是与颈动脉斑块的危险因素。MMP9属于基质金属蛋白酶家族，是一种基质溶解素。大量研究表明，血清MMP-9与颈动脉粥样硬化性斑块形成及其稳定性密切相关[12-13]。动脉粥样硬化初期，激活的血管内皮细胞表达CXCL10粘附分子，发挥粘性趋化炎性细胞的渗入，随着血小板的转移，炎性细胞随之渗入血管壁和血管平滑肌细胞，所以在动脉粥样硬化中至关重要[14-15]。迄今为止，动脉粥样硬化的潜在机制未完全清楚，但其重要环节中均发现炎性细胞的局部浸润及CXCL10的表达量增加[16-17]。CCR1即趋化因子C-C基元受体1，该基因编码β趋化因子受体家族的成员，此受体有7个跨膜区，而其与正常T淋巴细胞的分泌、单核细胞趋化蛋白3（MCP3）以及骨髓祖细胞抑制因子-1（MPIF）均有关，影响巨噬细胞的功能[18]。综上所述，本研究通过生物信息学方法分析颈动脉粥样硬化斑块的相关通路变化，为颈动脉斑块发生机制研究奠定基础，本研究筛选的枢纽基因，可能成为颈动脉粥样硬化斑块的潜在治疗靶点。参考文献[1]关飞.阿托伐他汀对急性脑梗死患者血脂及颈动脉粥样硬化斑块的影响[J].中国社区医师,2020,36(13):80,82.—8—