曲艷平 賀文廷 王旭 董浩 范智東

基金項(xiàng)目：云南省科技廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：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(xué)本科，主任醫(yī)師，研究方向：臨床麻醉學(xué)。E-mail：fanzhidong68@163.com

【摘要】目的 基于高通量基因表達(dá)（GEO）數(shù)據(jù)庫及生物信息學(xué)篩選坐骨神經(jīng)痛相關(guān)差異表達(dá)基因（DEGs），分析其生物學(xué)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(xué)術(shù)軟件異質(zhì)性分析獲取坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs，對(duì)坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs進(jìn)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(shí)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(gè)坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs經(jīng)PPI分析共獲取15個(gè)關(guān)鍵基因，經(jīng)TRRUST確定共12個(gè)TF協(xié)同參與檢查點(diǎn)激酶1（CHEK1）、含桿狀病毒IAP重復(fù)序列蛋白5（BIRC5）、細(xì)胞周期蛋白B2（CCNB2）、胸苷酸合成酶（TYMS）、細(xì)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(diǎn)和預(yù)防標(biāo)志物。

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

【中圖分類號(hào)】R614 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】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(huì)持續(xù)12個(gè)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(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。坐骨神經(jīng)痛的發(fā)病機(jī)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(xì)胞因子的高表達(dá)有關(guān)。本研究基于高通量基因表達(dá)（gene expression omnibus，GEO）數(shù)據(jù)庫及生物信息學(xué)，對(duì)8例坐骨神經(jīng)痛患者和8例健康人的基因數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，旨在了解坐骨神經(jīng)痛的發(fā)病機(jī)制，現(xiàn)報(bào)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(diǎn)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(duì)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(dá)基因 運(yùn)用仙桃學(xué)術(shù)軟件對(duì)GSE124272數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，獲得16例研究對(duì)象的基因數(shù)據(jù)的表達(dá)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(dá)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(xué)途徑和細(xì)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(chǔ)不同物種的基因路徑信息，分析DEGs所涉及信號(hào)通路[3]。運(yùn)用仙桃學(xué)術(shù)軟件對(duì)坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs進(jìn)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(yùn)用仙桃學(xué)術(shù)軟件對(duì)坐骨神經(jīng)痛DEGs進(jìn)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(yùn)用CytoHubba插件中度數(shù)關(guān)聯(lián)度算法獲取節(jié)點(diǎn)最高的15個(gè)基因，選取較高連通度的基因?yàn)樵摷膊〉年P(guān)鍵基因。

1.5 轉(zhuǎn)錄因子（TF）的預(yù)測(cè)與驗(yàn)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(gè)用于預(yù)測(cè)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(gè)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(dá)基因標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理結(jié)果 GSE124272數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理結(jié)果顯示：共415個(gè)坐骨神經(jīng)痛相關(guān)DEGs，見圖1。8個(gè)坐骨神經(jīng)痛患者樣本及8個(gè)健康人群的樣本標(biāo)準(zhǔn)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(dá)基因火山圖

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

圖2 差異表達(dá)基因箱式圖

注：紅色為坐骨神經(jīng)痛組，藍(lán)色為健康對(duì)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(jí)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(fù)調(diào)控、中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性、嗜中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的共生體細(xì)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(hào)通路有關(guān)，PPAR信號(hào)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(xì)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(jì)算出15個(gè)節(jié)點(diǎn)，這15個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)激酶1（CHEK1）、細(xì)胞周期蛋白B2（CCNB2）、胸苷酸合成酶（TYMS）、細(xì)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(diǎn)絲氨酸/蘇氨酸激酶 B（BUB1B）、細(xì)胞分裂周期相關(guān) 2（CDCA2）、驅(qū)動(dòng)蛋白家族成員 C1（KIFC1）、Holliday交叉識(shí)別蛋白（HJURP）、驅(qū)動(dòng)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(dǎo)的運(yùn)動(dòng)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(yàn)證結(jié)果 基于TRRUST數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)12個(gè)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(gè)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(duì)精準(zhǔn)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(diǎn)，但多關(guān)于癌癥方面，對(duì)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(jī)體活動(dòng)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(huì)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(huì)使患者心情煩躁，增加心理疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[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(jìn)行對(duì)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(shí)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(diǎn)和預(yù)防標(biāo)志物對(duì)臨床治療具有重要意義。

本研究選取8個(gè)坐骨神經(jīng)痛患者樣本和8個(gè)健康人為研究對(duì)象，共篩選出了415個(gè)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(gè)關(guān)鍵基因?；赥RRUST數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)12個(gè)調(diào)控關(guān)鍵基因的TF協(xié)同參與CHEK1、BIRC5、CCNB2、TYMS、CCNB1這5個(gè)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(xì)胞DNA損傷時(shí)或未完全復(fù)制的DNA中表達(dá)，主要功能為參與調(diào)節(jié)細(xì)胞周期修復(fù)DNA的損傷[9]。有研究指出，CHEK1參與調(diào)節(jié)細(xì)胞周期及DNA的損傷修復(fù)[10]。同時(shí)，CHEK1的異常表達(dá)還可使細(xì)胞減數(shù)分裂進(jìn)展緩慢[11]。高表達(dá)的BIRC5與趨化因子活性和免疫細(xì)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(xì)胞周期蛋白（Cyclin）家族成員是細(xì)胞周期進(jìn)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(xì)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(dòng)[15]。以上5個(gè)關(guān)鍵基因在細(xì)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(gè)關(guān)鍵基因有可能成為坐骨神經(jīng)痛的新治療靶點(diǎn)和預(yù)防標(biāo)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?yàn)镃HEK1、BIRC5、CCNB2、TYMS、CCNB1，可作為坐骨神經(jīng)痛的新治療靶點(diǎn)和預(yù)防標(biāo)志物。

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