[摘要]目的對青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(adolescentidiopathicscoliosis,AIS)患者間質(zhì)干細胞的基因芯片數(shù)據(jù)進行生物信息學分析,探究AIS致病機制和治療靶點。方法從基因表達綜合數(shù)據(jù)庫(geneexpressionomnibus,GEO)下載基因芯片GSE110359,獲取AIS患者與非AIS患者間質(zhì)干細胞中的基因表達譜。利用加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析(weightedgeneco-expressionnetworkanalysis,WGCNA)識別AIS關(guān)鍵模塊,并對其進行基因本體(geneontology,GO)功能分析和京都基因與基因組百科全書(KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes,KEGG)富集分析;同時,對其28種不同類型免疫細胞進行免疫細胞浸潤分析和蛋白質(zhì)–蛋白質(zhì)相互作用(protein-proteininteraction,PPI)分析,并篩選出核心基因。結(jié)果確定8個基因共表達模塊,GO富集在對氧減少的反應水平、低氧反應、對氧水平的反應、核糖核蛋白復雜組裝、膠原蛋白?包含細胞外基質(zhì)、剪接體snRNP復合物、snRNA結(jié)合、細胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)組成,KEGG信號通路富集在低氧誘導因子-1信號通路、剪接體、細胞鐵死亡、脂肪酸降解等通路。此外,免疫浸潤結(jié)果發(fā)現(xiàn),AIS組單核細胞較非AIS組明顯減少(P<0.05);而AIS組的活化樹突狀細胞浸潤程度更高(P<0.05),通過PPI分析,篩選出血管生成素樣4(angiopoietin-like4,ANGPTL4)、CXC基序趨化因子配體8(C-X-Cmotifchemokineligand8,CXCL8)、溶質(zhì)載體家族2成員1(solutecarrierfamily2member1,SLC2A1)、己糖激酶2(hexokinase2,HK2)、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體蛋白(transferrinreceptorprotein,TFRC)在內(nèi)的5個核心基因。結(jié)論ANGPTL4、CXCL8、SLC2A1、HK2、TFRC是AIS患者的潛在生物標志物與治療靶點,而單核細胞和活化樹突狀細胞可能是AIS患者的重要免疫治療靶點。
[關(guān)鍵詞]青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸;加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析;生物信息學
[中圖分類號]R735.3[文獻標識碼]A[DOI]10.3969/j.issn.1673-9701.2024.18.001
Identificationofkeybiomarkersinadolescentidiopathicscoliosisbybioinformaticsanalysis
XUHaipeng,JIANGYaheng,WENYa,LIUChen,WANGKaiqi,DUHonggen
DepartmentofTuina,theFirstAffiliatedHospitalofZhejiangChineseMedicalUniversity,ZhejiangProvincialHospitalofTraditionalChineseMedicine,Hangzhou310006,Zhejiang,China
[Abstract]ObjectiveThisstudyaimstoinvestigatethepathogenesisandidentifypotentialtherapeutictargetsforadolescentidiopathicscoliosis(AIS)throughtheutilizationofbioinformaticsanalysisongenechipdataobtainedfrommesenchymalstemcells.MethodsThegenechipGSE110359wasacquiredfromthegeneexpressionomnibus(GEO)databasetoprocurethegeneexpressionprofilesofmesenchymalstemcellsderivedfromAISandnonAISpatients.Weightedgeneco-expressionnetworkanalysis(WGCNA)methodwasemployedtoidentifytheprincipalmodulesassociatedwithadolescentidiopathicscoliosis.Furthermore,geneontology(GO)andKyotoEncyclopediaofGenesandGenomes(KEGG)analyseswereconducted.Additionally,immunecellinfiltrationanalysisandprotein-proteininteraction(PPI)analysiswereperformedon28distinctimmunecelltypes,leadingtotheidentificationofcoregenes.ResultsAtotalofeightgeneco-expressionmodulesweresuccessfullyidentified.GOanalysisrevealedsignificantenrichmentinvariousbiologicalprocesses,includingresponsetodecreasedoxygenlevels,responsetooxygenlevels,ribonucleoproteincomplexsubunitorganization,collagen-containingextracellularmatrix,spliceosomesnRNPcomplex,snRNAbinding,andextracellularmatrixstructuralcomponents.KEGGanalysisdemonstratedenrichmentinseveralpathways,suchashypoxia-induciblefactor-1signalingpathway,spliceosome,ferroptosis,fattyaciddegradation,andotherpathways.Furthermore,thefindingspertainingtoimmuneinfiltrationrevealedanoteworthydecreaseinthequantityofmonocyteswithintheAISgroupcomparedtothenonAISgroup(P<0.05).TherewasaheightenedlevelofinfiltrationbyactivateddendriticcellsintheAISgroup(P<0.05).PPIanalysiswasconducted,resultingintheidentificationofangiopoietin-like4(ANGPTL4),C-X-Cmotifchemokineligand8(CXCL8),solutecarrierfamily2member1(SLC2A1),hexokinase2(HK2),andtransferrinreceptorprotein(TFRC).ConclusionANGPTL4,CXCL8,SLC2A1,HK2andTFRChavebeenidentifiedaspotentialbiomarkersandtherapeutictargetsofAISpatients.MonocytesandactivateddendriticcellshaveemergedassignificanttargetsforimmunotherapyinthecontextofAIS.
[Keywords]Adolescentidiopathicscoliosis;Weightedgeneco-expressionnetworkanalysis;Bioinformatics
青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(adolescentidiopathicscoliosis,AIS)是最常見的脊柱畸形之一,好發(fā)于10~16歲的青少年,約占AIS的80%[1]。流行病學顯示,中國青少年AIS的發(fā)病率為0.6%~2.0%[2]。AIS可引起胸廓、骨盆及下肢結(jié)構(gòu)異常改變、脊柱雙側(cè)肌力失衡、疼痛等癥狀,嚴重者可影響呼吸和運動功能,甚至累及脊髓,造成永久性癱瘓。AIS發(fā)生的確切機制仍不清楚。目前,關(guān)于AIS的發(fā)病機制主要集中在遺傳學、間充質(zhì)干細胞、脊柱生物力學、神經(jīng)學、激素、生物化學等方面,其發(fā)生可能是以上多種機制共同作用的結(jié)果[3]。因此,進一步研究AIS的發(fā)病機制對其預防、診斷和治療等均具有重要意義。
生物信息學是生物學與信息學的交叉科學,在生命科學的研究中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[4]。其中,加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析(weightedgeneco-expressionnetworkanalysis,WGCNA)已廣泛應用于多種疾病的研究中,該技術(shù)在評估基因模塊與不同臨床特征的相關(guān)性中發(fā)揮重要的作用[5-6]。本研究利用WGCNA分析基因表達綜合數(shù)據(jù)庫(geneexpressionomnibus,GEO)中AIS患者間質(zhì)干細胞基因表達芯片,鑒定AIS關(guān)鍵基因模塊,進一步探究AIS發(fā)生的分子機制,同時探究免疫細胞浸潤的組成特點及其在疾病發(fā)生、發(fā)展過程中扮演的角色,以期為AIS發(fā)病機制和臨床診治提供新的理論依據(jù)。
1資料與方法
1.1資料來源
登錄GEO選擇符合條件的基因數(shù)據(jù)矩陣文件GSE110359,該芯片由17個間質(zhì)干細胞樣本組成,分別取自12例AIS患者和5例非AIS患者。
1.2方法
1.2.1數(shù)據(jù)的處理使用Perl5.34語言對探針I(yè)D數(shù)據(jù)進行注釋;使用R4.2.1軟件對從GEO下載的探針表達矩陣文件進行歸一化及l(fā)og2轉(zhuǎn)換,將平臺注釋文件與每個探針表達矩陣進行篩選和匹配;最后,應用Bioconductor安裝的R4.2.1中的sva包消除不同實驗批次和平臺引起的異質(zhì)性。
1.2.2WGCNA構(gòu)建及重要模塊識別使用R4.2.1軟件中“WGCNA”包中的“goodSamplesGenes”函數(shù)構(gòu)建樣本樹,檢查并去除異常樣本后,使用WGCNA中的pickSoftThreshold函數(shù)找到合適的軟閾值,選擇最佳β值,使R2值趨于穩(wěn)定,說明此網(wǎng)絡(luò)符合無尺度條件。最后,通過Pearson相關(guān)系數(shù)計算基因顯著性和模塊成員資格以將模塊與臨床特征相關(guān)聯(lián),當P<0.05時,認為單個模塊與表型顯著相關(guān)。選擇與AIS相關(guān)系數(shù)最高的模塊作為關(guān)鍵模塊(綠色模塊),進行后續(xù)分析。
1.2.3功能與通路富集分析使用R4.2.1軟件中clusterProfiler包對關(guān)鍵模塊基因(綠色模塊)進行基因本體(geneontology,GO)和京都基因與基因組百科全書(KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes,KEGG)分析。
1.2.4蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用分析與核心基因篩選將關(guān)鍵模塊(綠色模塊)基因?qū)隨TRING11.0數(shù)據(jù)庫,探索不同基因編碼的蛋白質(zhì)之間的相互關(guān)系。使用Cytoscape3.7.2軟件用于網(wǎng)絡(luò)的可視化,進行網(wǎng)絡(luò)分析及可視化操作,建構(gòu)可視化的分子交互作用網(wǎng)絡(luò)。利用分子復合體檢測(molecularcomplexdetection,MCODE)插件提取關(guān)鍵子網(wǎng),根據(jù)節(jié)點得分從大到小的順序提取出表達較為聚集的子集,將其定義為核心基因[7]。
1.2.5獲取免疫細胞矩陣及免疫細胞浸潤分析采用R4.2.1軟件BioManager中的“l(fā)imma”包對AIS患者和非AIS患者的間質(zhì)干細胞中的mRNA表達譜矩陣進行校正。隨后,利用CIBERSORT法對人類免疫細胞亞型的表達矩陣進行去卷積分析,計算28種免疫細胞的相對比例,且每個樣本獲得一個P值;根據(jù)P<0.05篩選樣本,獲得免疫細胞組成矩陣。
1.3統(tǒng)計學方法
差異基因的統(tǒng)計學分析通過R4.2.1軟件進行,采用vioplot包繪制小提琴圖,采用pheatmap包分析和繪制免疫細胞表達熱圖。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。
2結(jié)果
2.1WGCNA網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及顯著性模塊確認
通過R4.2.1軟件對GSE110359數(shù)據(jù)集中所有基因進行WGCNA網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。通過計算樣本間相關(guān)性,繪制樣本分層聚類圖(圖1A),樣本聚類樹共包括17個樣本,無異常樣本的剔除;同時,根據(jù)無尺度網(wǎng)絡(luò)擬合指數(shù)和平均連接度的要求,計算并確定選取β=6為本數(shù)據(jù)集的合適軟閾值,構(gòu)建無標度網(wǎng)絡(luò)(圖1B、圖1C)。確定軟閾值后,采用動態(tài)剪切法,獲得包含藍色、粉色、紅色、棕色、綠色、黑色、黃色、灰色在內(nèi)的8個模塊(圖2A)。通過計算各個基因模塊與臨床表型之間的關(guān)系,繪制共表達模塊與臨床表型的相關(guān)性熱圖和綠色模塊的基因散點圖。結(jié)果表明,綠色模塊(包含120個基因)與ASI的相關(guān)性最高(r=0.610,P=0.009),用于后續(xù)的分析(圖2B)。綠色模塊的基因散點圖見圖2C和圖2D。
2.2關(guān)鍵基因模塊功能性富集分析
GO富集分析結(jié)果表明,綠色模塊在生物學過程中主要富集在對氧減少的反應水平、低氧反應、對氧水平的反應、核糖核蛋白復雜組裝等方面;在細胞組分中主要富集膠原蛋白-包含細胞外基質(zhì)、剪接體snRNP復合物、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔等方面;在分子功能中主要富集在snRNA結(jié)合、細胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、受體配體活性、信號受體激活劑的活性等方面(圖3A)。KEGG通路富集分析結(jié)果表明,綠色模塊基因主要富集在低氧誘導因子-1(hypoxia-induciblefactor-1,HIF-1)信號通路、剪接體、細胞鐵死亡、脂肪酸降解信號通路(圖3B)。
2.3免疫細胞浸潤結(jié)果
直方圖顯示每個樣本中28種免疫細胞的總體分布,不同的顏色代表不同類型的免疫細胞。每種顏色的高度代表樣本中此類細胞的百分比,各種免疫細胞的百分比之和為1(圖4A)。通過小提琴圖對AIS組與非AIS組間免疫細胞浸潤進行差異分析,與非AIS組比較,AIS組單核細胞浸潤程度顯著降低(P=0.048),而AIS組的活化樹突狀細胞浸潤程度顯著提高(P=0.006)(圖4B)。
2.4蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及核心基因的識別
利用STRING11.0數(shù)據(jù)庫進行蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(protein-proteininteraction,PPI)分析,將所得PPI網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)導入Cytoscape3.7.2軟件,對其進行可視化構(gòu)建出綠色模塊基因的PPI(圖5A),利用CytoHubba插件的MCC算法篩選出PPI前5個核心基因(圖5B):ANGPTL4、CXCL8、SLC2A1、HK2和TFRC。
3討論
AIS是引起青少年脊柱畸形最常見的原因,對其一生的健康具有潛在影響,并給家庭帶來沉重的負擔,引起的并發(fā)癥尚無有效的治療手段[8-10]。AIS是由多基因疾病、遺傳、神經(jīng)系統(tǒng)、激素/代謝、生化、肌肉骨骼、環(huán)境和可能的生活方式因素共同引起[11]。目前,AIS的主要治療方法包括全程支具和椎弓根螺釘矯正手術(shù),全程支具可能導致患者背痛和心理障礙,而手術(shù)不可避免地導致重大手術(shù)創(chuàng)傷,甚至永久性、災難性神經(jīng)或血管損傷[10]。新的治療方法來自于對AIS分子基礎(chǔ)的進一步探索[12]。了解AIS發(fā)病機制對該病的治療和預后具有重要的意義。
既往研究發(fā)現(xiàn),AIS患者間質(zhì)干細胞的異常成骨分化與AIS的發(fā)病機制有關(guān)[13]。本研究采用WGCNA法對GSE110359基因芯片進行分析,構(gòu)建8個基因共表達模塊,鑒定出與AIS密切相關(guān)的基因模塊(綠色模塊)。通過GO功能富集分析發(fā)現(xiàn)綠色模塊在生物學過程中主要富集對氧減少的反應水平、低氧反應、對氧水平的反應、核糖核蛋白復雜組裝等方面;在細胞組分中,該模塊基因主要富集膠原蛋白-包含細胞外基質(zhì)、剪接體snRNP復合物、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔等方面;在分子功能中與snRNA結(jié)合、細胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、受體配體活性、信號受體激活劑的活性等方面密切相關(guān)。KEGG通路富集分析發(fā)現(xiàn),綠色模塊基因與HIF-1信號通路、剪接體、細胞鐵死亡、脂肪酸降解信號通路相關(guān)。此外,AIS患者存在免疫-肌肉串擾的驅(qū)動機制,免疫系統(tǒng)可調(diào)節(jié)參與AIS的肌肉組織重塑過程的炎癥反應,從而維持AIS患者的肌肉力量,減輕疼痛并延緩脊柱側(cè)凸的發(fā)展[9]。而單核細胞和活化樹突狀細胞是參與免疫反應的重要細胞[14]。本研究在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上,進一步發(fā)現(xiàn)單核細胞和活化樹突狀細胞可能是治療AIS的重要免疫靶點。
ANGPTL4是一種功能障礙的蛋白質(zhì),參與細胞分化、脂質(zhì)代謝、腫瘤發(fā)生、能量穩(wěn)態(tài)、氧化還原調(diào)節(jié)、傷口愈合和炎癥在內(nèi)的多種情況的發(fā)生與發(fā)展[15]。研究發(fā)現(xiàn)ANGPTL4在協(xié)調(diào)破骨細胞和成骨細胞中發(fā)揮重要的作用,是溶骨性肌肉骨骼疾病的新治療靶點[16]。值得注意的是AIS患者的間質(zhì)干細胞在成骨細胞、軟骨細胞和脂肪細胞的發(fā)育過程中發(fā)生異常分化可能是AIS脊柱畸形的主要原因。然而,目前的研究尚未明確ANGPTL4在AIS中的作用。本研究進一步證實了ANGPTL4可能是調(diào)控AIS的重要生物標志物。
CXCL8作為重要的趨化因子之一,在感染和組織損傷的反應中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[17]。本研究的免疫細胞浸潤的結(jié)果發(fā)現(xiàn),AIS患者單核細胞減少而活化樹突狀細胞增加,CXCL8在介導的單核細胞和活化樹突狀細胞遷移過程中發(fā)揮協(xié)同作用[18]。此外,背痛患者椎間盤組織中CXCL8蛋白表達是脊柱側(cè)凸患者的1.81倍[19];盡管目前仍缺乏相關(guān)研究明確CXCL8在AIS中的作用機制,但本研究構(gòu)建的PPI網(wǎng)絡(luò)中CXCL8是AIS的核心基因;結(jié)合本研究免疫浸潤結(jié)果,提示CXCL8可能通過調(diào)節(jié)單核細胞和活化樹突狀細胞遷移參與AIS的發(fā)生與發(fā)展。
SLC2A1是一類促進性葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白,負責葡萄糖攝取[20]。Chen等[21]研究表明成骨細胞中,SLC2A1的缺失可阻斷體內(nèi)Wnt7b的骨合成代謝功能,并損害體外成骨細胞的分化。研究發(fā)現(xiàn),SLC2A1是已知的髓核標志物,在人類椎間盤退變的情況下,SLC2A1的表達升高[22]。目前尚無研究報道SLC2A1在AIS中的作用,考慮AIS與椎間盤的退化密切相關(guān);本研究結(jié)果提示,SLC2A1可能是參與AIS發(fā)病機制的關(guān)鍵基因。
本研究PPI結(jié)果表明,HK2和TFRC均是AIS的核心基因,HK2作為外糖磷酸化酶家族中最活躍的成員,促進葡萄糖在細胞內(nèi)的利用[23]。HK2的過表達導致骨關(guān)節(jié)炎的滑膜組織中促炎細胞因子水平增加,是骨關(guān)節(jié)炎的重要治療靶點[24]。此外,HK2不僅通過參與退變椎間盤中髓核細胞的再生,延緩椎間盤退變,并且在調(diào)節(jié)急性期神經(jīng)性疼痛相關(guān)免疫細胞反應中發(fā)揮重要作用[25-26]。TFRC是一種跨膜蛋白,參與并維持細胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)[27]。本研究發(fā)現(xiàn),AIS的發(fā)病機制的過程中,細胞鐵死亡通路占據(jù)重要地位;此外,在既往的研究基礎(chǔ)上,筆者發(fā)現(xiàn)HK2和TFRC可能是AIS潛在的干預靶點,值得進一步的關(guān)注。
綜上,本研究首次通過WGCNA和免疫細胞浸潤分析AIS的生物學過程,發(fā)現(xiàn)ANGPTL4、CXCL8、SLC2A1、HK2、TFRC在內(nèi)的5個基因均可能是AIS潛在的診斷生物標志物和重要的治療靶點。此外,單核細胞和活化樹突狀細胞可能參與AIS的免疫調(diào)節(jié)的過程,值得進一步探索。然而,目前的研究仍有局限性,研究結(jié)果雖然為AIS的發(fā)病機制提供了理論依據(jù),但仍需進一步探究。
利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。
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