[摘要]目的采用加權基因共表達網絡分析(weightedgeneco-expressionnetworkanalysis,WGCNA)方法篩選并鑒定阿爾茨海默?。ˋlzheimer’sdisease,AD)相關的衰老基因。方法從GEO數(shù)據庫中選擇GSE132903作為分析數(shù)據集,篩選AD差異表達基因(differentialexpressedgene,DEG),采用火山圖和熱圖進行差異基因可視化分析;從MsigDB、AgingAltas、CellAge三個數(shù)據庫中下載衰老和衰老相關基因(agingandsenescence-associatedgene,ASAG);WGCNA篩選與AD臨床特征相關性最高的基因模塊,并采用基因本體(geneontology,GO)、京都基因與基因組百科全書(KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes,KEGG)對模塊內基因進行富集分析;取DEG、WGCNA關鍵模塊基因及ASAG的交集基因得到AD衰老相關差異表達基因(ADage-relateddifferentialexpressedgene,ARDEG),使用STRING數(shù)據庫進行蛋白質-蛋白質相互作用(protein-proteininteraction,PPI)網絡分析尋找關鍵節(jié)點基因;使用GeneMANIA數(shù)據庫分析ARDEG的共表達網絡和相關功能;最后將篩選到的關鍵基因在已知AD患者數(shù)據庫Alzdata中進行驗證。結果共篩選出226個DEG,611個ASAG,8個ARDEG。PPI篩選出排名前5位的關鍵基因分別為SYP、STXBP1、VAMP2、CPLX1和STX1A。Alzdata數(shù)據庫驗證發(fā)現(xiàn)除海馬區(qū)VAMP2和額葉皮層STXBP1無明顯改變、額葉皮層CPLX1無表達外,5個關鍵基因在AD其余腦區(qū)中表達均下調,且VAMP2、STXBP1和STX1A已在AD早期出現(xiàn)差異表達,CPLX1與Tau病理過程有關,SYP、STXBP1與β-淀粉樣蛋白和Tau病理過程均有關。結論SYP、STXBP1、VAMP2、CPLX1和STX1A均為ARDEG,有望成為AD潛在的診斷和治療靶點。
[關鍵詞]阿爾茨海默??;加權基因共表達網絡分析;衰老基因;生物信息學
[中圖分類號]R749.16[文獻標識碼]A[DOI]10.3969/j.issn.1673-9701.2024.28.004
ScreeningofagingkeygenesinAlzheimer’sdiseasebasedonWGCNA
LIXiaolin1,SUIXin2,MANZiteng1,CHENGTiantian1,SONGJuan1,BAOYanan1,LINYu1,YANGHongyan1
1.SchoolofPharmacyofQiqiharMedicalUniversity,Qiqihar161006,Heilongjiang,China;2.DepartmentofNeurology,theThirdAffiliatedHospitalofQiqiharMedicalUniversity,Qiqihar161000,Heilongjiang,China
[Abstract]ObjectiveUsingtheweightedgeneco-expressionnetworkanalysis(WGCNA)toexplorethekeygenesofagingassociatedwithAlzheimer’sdisease(AD).MethodsGSE132903wasselectedfromGEOdatabaseastheanalysisdataset.Thedifferentialexpressedgenes(DEGs)ofADwerescreened,andvisualizedwithvolcanoandheatmap.Agingandsenescence-associatedgenes(ASAGs)weredownloadedfromMsigDB,AgingAltasandCellAgedatabases.WGCNAscreenedthegenemoduleswiththehighestcorrelationwithAD,andgenesofkeymodulessubsequentlyperformedwithgeneontology(GO),KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes(KEGG)enrichmentanalysis.ADage-relateddifferentialexpressedgenes(ARDEGs)wereobtainedbytakingintersectiongenesofDEGs,keymodulegenesofWGCNAandASAGs.Protein-proteininteraction(PPI)networkanalysiswasperformedusingtheSTRINGdatabasetofindkeynodegenes.Theco-expressionnetworksandassociatedfunctionsofkeygeneswereanalyzedusingtheGeneMANIAdatabase.ThekeygeneswerevalidatedinAlzdatadatabase.Results226DEGs,606ASAGsand8ARDEGswereobtained.Thetop5keygenesselectedbyPPIwereSYP,STXBP1,VAMP2,CPLX1andSTX1A.Alzdatadatabaseverifiedthattheexpressionsof5keygenesinotherbrainregionsofADweredown-regulated,exceptfornosignificantchangesofVAMP2inhippocampusandSTXBP1infrontalcortex,aswellasnoexpressionofCPLX1infrontalcortex.ThedifferentialexpressionofVAMP2,STXBP1andSTX1AappearedintheearlystageofAD,andCPLX1wasrelatedtothepathologicalprocessofTau.SYPandSTXBP1wererelatedtothepathologicalprocessesofamyloidβ-proteinandTau.ConclusionSYP,STXBP1,VAMP2,CPLX1andSTX1AareARDEGs,whichareexpectedtobepotentialdiagnosticandtherapeutictargetsforAD.
[Keywords]Alzheimer’sdisease;Weightedgeneco-expressionnetworkanalysis;Aginggene;Bioinformatics
阿爾茨海默?。ˋlzheimer’sdisease,AD)是一種起病隱匿且進行性發(fā)展的神經系統(tǒng)退行性疾病,臨床上以記憶減退、失語、失認為主要特征[1-2]。AD的發(fā)病機制迄今未明,且患者的病理生理改變早于臨床癥狀出現(xiàn),現(xiàn)有的治療手段只能延緩AD的進程[3]。隨著社會步入老齡化時代,AD的發(fā)病率呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢,嚴重影響老年人的身心健康和日常生活質量,加重患者及其家庭的經濟負擔,已成為嚴重的社會問題,深入研究AD的發(fā)病機制和治療策略迫在眉睫。衰老是AD的關鍵危險因素,衰老細胞在組織中積累,通過釋放炎癥因子,導致與年齡相關的病理改變。臨床證據表明,神經炎癥在AD患者出現(xiàn)輕度認知障礙前即已發(fā)生,說明早期神經炎癥可能由大腦中衰老細胞積累所驅動;而AD病理改變又促進衰老進程,進一步增加衰老細胞的負擔和衰老大腦中的炎癥。β-淀粉樣蛋白(amyloidβ-protein,Aβ)的積聚和Tau病理驅動的衰老也是導致AD進程加重的原因[4]。因此,抗衰老靶向藥物可預防或減輕AD的發(fā)生和發(fā)展。本研究采用加權基因共表達網絡分析(weightedgeneco-expressionnetworkanalysis,WGCNA)篩選與AD相關的衰老基因,并在AD患者中進行驗證,尋找AD衰老生物標志物,為AD的診斷和治療提供新的靶點。
1資料與方法
1.1數(shù)據收集和處理
從GEO公共數(shù)據庫(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)中以關鍵詞“Alzheimer’sdisease”搜索并篩選微列陣數(shù)據集,本研究選取來源于GPL10558平臺的GSE132903數(shù)據集進行分析,該數(shù)據集包含AD患者97例和非癡呆對照者98例。
1.2差異表達基因篩選
使用limmaR包對數(shù)據集進行標準化和規(guī)范化處理,輸出同時滿足|log2foldchange(log2FC)|>1且P<0.05的基因作為差異表達基因(differentialexpressiongene,DEG)。使用R軟件ggplot2繪制火山圖,ComplexHeatmap工具包繪制熱圖,進行可視化分析。
1.3衰老相關基因篩選
從MsigDB(https://www.gsea-msigdb.org/gsea/msigdb)、AgingAltas(https//ngdc.cncb.ac.cn/aging/index)、CellAge(https://genomics.senescence.info/cells/)3個衰老數(shù)據庫中,依次以“Senescencegene”為關鍵詞搜索、下載衰老相關基因集,對3個衰老數(shù)據庫得到的基因集取并集,重復的基因只計一次,最終得到衰老和衰老相關基因(agingandsenescence-associatedgene,ASAG)合集。
1.4WGCNA
利用WGCNA方法選擇適當?shù)能涢撝郸聵嫿o標度網絡,采用動態(tài)剪切樹法進行層次聚類;計算基因顯著性(genesignificance,GS)及模塊顯著性(modulesignificance,MS),選取相關系數(shù)最高的模塊為關鍵模塊,模塊中的基因作為候選基因。
1.5AD衰老相關差異表達基因的篩選
取DEG、ASAG及WGCNA關鍵模塊基因的交集基因作為AD衰老相關差異表達基因(ADage-relateddifferentialexpressedgene,ARDEG),即AD和衰老共同的差異表達基因,進行后續(xù)分析。
1.6差異基因功能富集分析
利用David數(shù)據庫(https://david.ncifcrf.gov)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)通路富集分析。GO分析包括生物過程(biologicalprocess,BP)、細胞組分(cellularcomponent,CC)和分子功能(molecularfunction,MF)三部分,KEGG主要分析基因相關的代謝通路。
1.7蛋白質-蛋白質相互作用網絡構建及關鍵基因篩選
通過STRING在線分析軟件(http://www.string-db.org)構建蛋白質-蛋白質相互作用(protein-proteininteraction,PPI)網絡。利用Cytoscapes軟件中的Cytohubba插件,綜合多種算法篩選出評分較高的ARDEG作為關鍵基因。GeneMANIA數(shù)據庫(http://genemania.org/)分析ARDEG關鍵基因的共表達網絡和相關功能。
1.8關鍵基因在已知AD患者數(shù)據庫中的驗證
為進一步驗證關鍵基因在AD中的表達情況,借助已有的AD患者數(shù)據庫(www.Alzdata.org)對篩選出的ARDEG關鍵基因進行驗證。關鍵基因表達改變以log2FC形式展示,P值為調整后的P值。同時采用趨同功能基因組(convergentfunctionalgenomics,CFG)方法對關鍵基因進行評估,以進一步篩選在AD中發(fā)揮關鍵作用的核心基因。CFG評分范圍0~5分,分值越高說明該基因與AD相關性越強。
2結果
2.1DEG篩選結果
共篩選出226個DEG,其中78個基因表達上調,148個基因表達下調。圖1為DEG的火山圖和熱圖。
2.2WGCNA分析結果
根據無尺度網絡擬合指數(shù)和平均連接度,計算并選取相關系數(shù)為0.87,軟閾值為12,構建無尺度網絡。動態(tài)剪切樹法進行基因聚類。通過計算分析各基因模塊與臨床表型之間的關系,繪制共表達模塊與臨床表型的相關性熱圖,共獲得16個基因共表達模塊。選擇與AD表型相關性最強的黑灰色模塊(cor=-0.45,P<0.01)對其進行散點圖分析,GS與MS在黑灰色模塊中呈正相關(r=0.39,P=5.3×10-11)。設置篩選條件為GS>0.1,MS>0.8,校正后P<0.01,進一步篩選黑灰色模塊中的關鍵樞紐基因。剔除非編碼基因后,共篩選出105個基因作為候選關鍵基因,見圖2。
A.軟閾值篩選;B.基因聚類;C.生物模塊與臨床表型相關性分析;D.關鍵生物模塊特征與模塊基因的相關性分析
2.3GO和KEGG富集分析結果
對DEG及WGCNA關鍵模塊內的基因進行GO功能注釋和KEGG信號通路富集分析,結果顯示DEG主要富集在化學突觸傳遞等生物學過程、神經元投射等細胞成分、可溶性N-乙基馬來酰亞胺敏感因子附著受體(solubleN-ethylmaleimidesensitivefactorattachmentreceptors,SNARE)綁定等分子功能及突觸囊泡周期等信號通路。WGCNA關鍵模塊基因主要參與突觸囊泡內吞等生物學過程、突觸囊泡膜等細胞成分、蛋白結合等分子功能及突觸囊泡周期等信號通路富集,見圖3。
2.4ARDEG的篩選及鑒定結果
從MsigDB、AgingAltas、CellAge三個衰老數(shù)據庫中檢索ASAG,取并集,共得到611個ASAG。對DEG、ASAG及WGCNA關鍵模塊基因取交集,得到8個ARDEG,分別為SYP、VAMP2、STXBP1、CPLX1、STX1A、PTPRN、NRGN和CKMT1A,見圖4。
A.DEG的GO富集分析;B.DEG的KEGG通路富集分析;
C.WGCNA關鍵模塊基因的GO富集分析;D.WGCNA關鍵模塊基因的KEGG通路富集分析
2.5PPI網絡構建及關鍵基因篩選結果
通過STRING在線分析軟件構建ARDEG的PPI網絡,見圖5A。除去一個孤立的節(jié)點(CKMT1A),采用Cytohubba插件,使用最大集團中心性、最大相鄰成分、節(jié)點連接度和邊緣滲濾分量等算法篩選出評分較高的前5位關鍵基因,分別為SYP、STXBP1、VAMP2、CPLX1和STX1A。通過GeneMANIA數(shù)據庫構建關鍵基因共表達網絡,篩選出與關鍵基因存在相互作用的基因20個,見圖5B。
2.6關鍵基因驗證
將篩選到的關鍵基因輸入Alzdata數(shù)據庫進行驗證,除VAMP2在海馬區(qū)、STXBP1在額葉皮層無明顯改變和CPLX1在額葉皮層無表達外,5個關鍵基因在AD其余腦區(qū)中表達均下調,見圖6。CFG評分由高到低分別為:STXBP1(4分)、VAMP2(3分)、CPLX1(3分)、SYP(1分)、STX1A(1分)。其中STXBP1、VAMP2、STX1A在AD早期已存在差異表達,CPLX1與Tau蛋白有關,STXBP1、SYP與Aβ和Tau形成均具有相關性,見表1。
3討論
本研究通過WGCNA對GSE132903數(shù)據集進行分析,篩選出與AD臨床特征高度相關的黑灰色模塊,進一步將該模塊內的基因與AD的DEG、ASAG取交集,得到8個ARDEG,構建PPI網絡,最終篩選出排名前5位的關鍵基因:SYP、STXBP1、VAMP2、CPLX1和STX1A。
SYP(synaptophysin,突觸生長蛋白)是一種鈣結合糖蛋白,廣泛分布于神經突觸前膜的囊泡膜,釋放Ca2+依賴性神經遞質,參與突觸小泡的進入和再循環(huán),是突觸前末梢的特異性標志蛋白[5]。SYP表達水平可反映突觸的密度、分布面積和功能狀態(tài),從而反映突觸的可塑性[6]。SYP被天冬酰胺內肽酶剪切后,可影響突觸囊泡的再循環(huán),導致突觸功能障礙和認知障礙,促進AD發(fā)病[7]。研究發(fā)現(xiàn)AD模型小鼠腦組織及AD患者腦海馬區(qū)域的SYP表達均下調[5,8];臨床尸檢已證實AD患者前額葉和海馬等腦區(qū)SYP表達下調,且其表達水平與臨床癥狀呈負相關[9]。突觸蛋白丟失是散發(fā)性AD的早期發(fā)病機制之一[10]。本研究發(fā)現(xiàn)SYP在AD患者各腦區(qū)表達顯著下調,與上述研究結果一致,提示SYP可能通過影響突觸可塑性參與AD的發(fā)生發(fā)展,可成為AD潛在的治療靶點。
STXBP1(syntaxin-bindingprotein1,突觸結合蛋白1)可與突觸素1的N端結合,促進整合膜蛋白受體復合物的形成和神經遞質的釋放[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)STXBP1缺失可導致轉錄和翻譯的廣泛失調,影響突觸的發(fā)育,進而使神經元細胞在突觸形成前的未成熟階段死亡[13]。STXBP1在大鼠大腦中形成淀粉樣原纖維聚集體,并在大鼠腦和細菌表達系統(tǒng)中表現(xiàn)出淀粉樣蛋白特性,參與淀粉樣蛋白聚集[14]。本研究發(fā)現(xiàn)STXBP1在AD早期已出現(xiàn)表達下調,且與Aβ及Tau形成密切相關,提示STXBP1可作為AD診斷和治療的靶點。
VAMP2(vesicle-associatedmembraneprotein2,囊泡相關膜蛋白2)是SNARE復合體的重要組成部分,分布于囊泡膜上,參與神經遞質釋放[15]。VAMP2可作為輕度認知障礙患者向AD轉變的標志物[16]。研究發(fā)現(xiàn)散發(fā)性AD患者早期腦脊液中VAMP2水平降低[17]。糖原合酶激酶3是一種在神經元的發(fā)育和成熟過程中非常重要的蛋白激酶。研究發(fā)現(xiàn)糖原合酶激酶3的激活可抑制VAMP2順向軸突轉運,導致VAMP2在胞體的聚集和軸突遠端含量的降低,進一步加劇軸突轉運障礙,影響突觸可塑性[18]。本研究發(fā)現(xiàn)VAMP2在AD患者各腦區(qū)表達下調,且在AD早期就已經出現(xiàn),提示VAMP2可作為AD認知功能下降的標志物,進行早期篩查。
CPLX1(complexin-1,復合素1)是突觸前結構中重要的神經遞質釋放調節(jié)蛋白,可與鈣感受器一起調控鈣依賴性神經遞質的快速釋放,加速突觸囊泡胞吐作用[19]。補益脾胃的方藥可提高SAMP8小鼠海馬CPLX1水平,調節(jié)突觸功能,促進神經遞質釋放,改善小鼠學習記憶能力[20]。逍遙散可通過上調CPLX1改善大鼠的焦慮抑郁癥狀,說明CPLX1可能是藥物發(fā)揮抗焦慮抑郁作用的關鍵靶點[21]。AD患者常伴焦慮、失眠、抑郁等癥狀;本研究發(fā)現(xiàn)CPLX1在AD患者腦區(qū)下調,提示可通過上調CPLX1水平緩解AD患者的失眠、抑郁等精神狀況。
STX1A(syntaxin-1A,突觸融合蛋白-1A)是突觸蛋白家族的一種突觸前質膜蛋白,與其他蛋白共同組成SNARE復合物,對調節(jié)神經遞質的突觸前釋放至關重要[22]。STX1A位于突觸前膜的囊泡里,是重要的離子通道調節(jié)蛋白,可調節(jié)神經遞質的釋放,影響大腦神經系統(tǒng)的發(fā)育[23]。研究發(fā)現(xiàn)STX1A基因敲除小鼠表現(xiàn)出異常行為,可能與破壞5-羥色胺能神經系統(tǒng)有關[24]。STX1A基因變異與兒童多動癥易感性有關[25]。STX1A與AD相關的研究較少,本研究發(fā)現(xiàn)STX1A在AD早期各腦區(qū)中的表達水平下調,提示STX1A可作為AD早期檢測的生物標志物。
綜上,本研究通過WGCNA分析得到5個AD與衰老共同的關鍵基因SYP、STXBP1、VAMP2、CPLX1和STX1A,均在突觸通路上富集,具有成為AD早期診斷和治療靶點的潛力,值得進一步深入研究。
利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。
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(收稿日期:2024–06–16)
(修回日期:2024–09–08)