【摘要】：隨著后基因組時代的到來,高通量生物技術(shù)的不斷完善以及生物信息學(xué)的發(fā)展,傳統(tǒng)的生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究單個基因或蛋白的方法已經(jīng)不再適用,取而代之的是將整個系統(tǒng)作為研究對象的系統(tǒng)生物學(xué)方法。隨著基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、相互作用組學(xué)、疾病組學(xué)研究以及藥物組學(xué)的深入開展,產(chǎn)生了海量的生物學(xué)數(shù)據(jù)。豐富的數(shù)據(jù)信息為全面理解生物學(xué)本質(zhì)提供了機遇與挑戰(zhàn)。只有進行整合研究才能反映出生物系統(tǒng)的真實性。 具有相同遺傳信息的同一個體的體細(xì)胞其所利用的基因并不相同,有的基因是維持細(xì)胞基本代謝所必須的,而有的基因則在一些分化細(xì)胞中活動,這正是細(xì)胞分化、生物發(fā)育的基礎(chǔ)。而組織特異性基因是在不同的細(xì)胞類型中進行特異性表達(dá)的基因,其產(chǎn)物賦予各種類型細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及生理功能。這些基因的表達(dá)與否,決定了生命歷程中細(xì)胞的發(fā)育、分化、細(xì)胞周期的調(diào)控、體內(nèi)平衡、細(xì)胞衰老、甚至于程序化死亡。近期有研究報道,結(jié)合組織特異性、基因的關(guān)聯(lián)性以及疾病的相關(guān)性的分析結(jié)果顯示,疾病(非癌癥)相關(guān)的基因通常在疾病發(fā)生的組織中表現(xiàn)出組織特異性。此外,已有許多研究將組織特異性作為診斷標(biāo)記物以及藥物靶點的一個基本特征。在組織工程、基因工程、再生醫(yī)學(xué)等方面,組織特異性以及組織特異性基因的研究正深入開展。 目前對人類正常組織的組織特異性基因篩選工作已有許多的報道,并構(gòu)建了許多相關(guān)的數(shù)據(jù)庫,例如BioGPS, TiGER, COXPRESdb以及TiSGeD等。這些人類組織特異性基因數(shù)據(jù)庫收錄了許多種組織中特異性表達(dá)的基因。但是這些研究大都只關(guān)注組織特異性基因的表達(dá)分布,而忽略了包括生物學(xué)通路在內(nèi)的一系列生物學(xué)特性。如能將這些基因與其所屬功能,表達(dá)產(chǎn)物的亞細(xì)胞定位,相關(guān)的疾病,以及其靶向藥物信息結(jié)合起來,組合一個多因素網(wǎng)絡(luò)模型并構(gòu)建綜合性的數(shù)據(jù)集,從系統(tǒng)生物學(xué)角度進行分析,必將能充分挖掘其中有用的生物學(xué)價值,產(chǎn)生有價值的生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)假說,為實驗研究提供指導(dǎo)與幫助。 本研究通過對近130種人類正常組織表達(dá)譜芯片的分析,篩選得到組織特異性基因,同時系統(tǒng)整合包括亞細(xì)胞定位,Gene Ontology的細(xì)胞組分、分子功能、生物學(xué)過程注釋,生物學(xué)通路,哺乳動物(小鼠)表型,相關(guān)疾病以及靶向藥物在內(nèi)的生物學(xué)信息。這使得本研究構(gòu)建的數(shù)據(jù)集既可以作為一個組織特異性基因的查詢工具,又可以充當(dāng)一個分析平臺,對于一個未知的基因集進行分析,挖掘有價值的信息。 組織特異性基因的篩選涉及到一個多重比較問題,即要判定一個基因是否具有組織特異性,要對這個基因在多種組織中的表達(dá)值進行比較。對于組織特異性基因進行篩選的表達(dá)譜芯片數(shù)據(jù)盡管已有不少,但是因為這些芯片數(shù)據(jù)的組織種類較少,同時樣本量偏低,因此無法保證篩選得到的組織特異性基因的特異性。2004年Novartis研究中心的Andrew Su課題組對79種人類組織(其中正常組織73種)的mRNA表達(dá)的組織特異性進行了芯片分析。2006年Wyeth制藥集團生物信息研究中心的Shuang Liang等人利用Affymetrix表達(dá)譜芯片對97種人類正常組織進行了組織特異性基因的篩選。本研究整合了這兩組芯片數(shù)據(jù),使得總樣本量超過4000例,組織類型達(dá)130多種(去除冗余后),以期通過大樣本量以及全面的組織類型保證篩選得到基因的組織特異性。 使用自主開發(fā)的R語言腳本進行組織特異性基因的篩選分析。針對同一基因在不同組織中特異性的比較,以及不同基因在同一組織中特異性的比較這兩個問題,計算特異性指數(shù)τ。Affymetrix芯片的探針通過在線工具轉(zhuǎn)化為EntrezGene ID。組織名稱根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的解剖學(xué)定義進行統(tǒng)一,對于兩組芯片數(shù)據(jù)中冗余的記錄,取其τ值的平均值。結(jié)果顯示通過R語言程序篩選得到了3,960種組織特異性基因,共覆蓋127種人類正常組織與細(xì)胞類型。平均每一個組織特異性基因在2種組織中特異性表達(dá)。 對篩選得到的這3,960個組織特異性基因,通過可靠的數(shù)據(jù)源進行亞細(xì)胞定位、基因本體、生物學(xué)通路、哺乳動物表型、相關(guān)疾病以及靶向藥物等六個方面的注釋。 基因-疾病關(guān)系通過整合以下三部分?jǐn)?shù)據(jù)：通過自主開發(fā)的文獻挖掘程序?qū)CIBI的Gene2MeSH數(shù)據(jù)庫調(diào)取與整理的結(jié)果,Comparative Toxicogenomics Database中Gene-OMIM關(guān)聯(lián)信息,以及瑞典Swiss-Prot數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)-疾病關(guān)系數(shù)據(jù)集。組織特異性基因表達(dá)產(chǎn)物的亞細(xì)胞定位數(shù)據(jù)收集自LOCATE數(shù)據(jù)庫。同時以Gene Ontology注釋中的Cellular component為補充。另收集GO注解中的Molecular function與Biological process作為功能的注釋。生物學(xué)通路數(shù)據(jù)包括了KEGG的通路信息和Reactome的相互作用數(shù)據(jù)。哺乳動物表型數(shù)據(jù)選自Mouse Genome Informatics數(shù)據(jù)庫。靶向藥物信息來自于Drugbank數(shù)據(jù)庫的Drugcard數(shù)據(jù)集。 對注釋結(jié)果統(tǒng)計顯示,一共收集到基因-疾病關(guān)系記錄5,684條,基因-藥物關(guān)系2,148條,另有Gene Ontology注釋40,058條,亞細(xì)胞定位信息3,687條,生物學(xué)通路注釋6,359條以及哺乳動物表型注釋32,397條。結(jié)合其特異性表達(dá)組織信息,這3,960個組織特異性基因得到了全面詳實的功能注釋,亦為生物學(xué)關(guān)系的挖掘與假說的提出奠定了基礎(chǔ)。 本系統(tǒng)的基本查詢功能基于MySQL的query語句,界面為MySQL的phpMy Admin,輸出結(jié)果通過PHP以及javascript語言進行統(tǒng)計與整理。其中通過javascript來完成富集分析中Fisher Exact Test的p值計算以及多重比較中Benjamini-Hochberg correction的p值校正�？梢酝ㄟ^簡單的SQL語句分別查詢組織特異性基因的各方面注釋信息以及所收錄的組織/細(xì)胞中的各組織特異性基因。而利用SQL批量查詢功能,可以對一個基因集中組織特異性基因進行分選,并對其相關(guān)的組織特異性、亞細(xì)胞定位、生物學(xué)通路、哺乳動物表型、相關(guān)疾病、靶向藥物等生物學(xué)特性進行富集分析。通過本數(shù)據(jù)庫的MySQL Query批量分析基因集可揭示出其中的生物學(xué)聯(lián)系并得出一些有意義的假說。同時,根據(jù)不同需要整合不同限制性條件的查詢語句可以對同時滿足多個特性的組織特異性基因進行篩選。類似“在血液中特異性表達(dá)的,與急性髓細(xì)胞性白血病相關(guān)的,同細(xì)胞凋亡相關(guān)的膜蛋白”的查詢對于藥物靶點以及診斷標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)具有重要意義。 本研究通過對牙周炎(Periodontitis)進行疾病組織特異性基因的檢索,得到8個組織特異性基因。對這8個基因進行疾病類型富集分析,結(jié)果顯示其中有IL1B, IL1RN, IL6, FCGR2A, FCGR3B 5個與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(Arthritis, Rheumatoid)亦有關(guān)聯(lián)(p0.050)。對5個共同的組織特異性基因進行組織富集分析,結(jié)果顯示這5個基因主要富集在與免疫相關(guān)的組織中(p0.050),如Blood、Bone marrow、PB-CD56-positive NK cells、Thyroid gland等。這與牙周炎與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎都是與免疫相關(guān)疾病的事實相符。本研究對5個共同的組織特異性基因進行生物學(xué)通路富集分析,結(jié)果顯示這5個組織特異性基因富集在17條通路中(p0.050),其中包括Cytokine-cytokine receptor interaction、Toll-like receptor signaling pathway、Natural killer cell mediated cytotoxicity等通路,這與前人報道基本一致。另有研究顯示,接受牙周炎非手術(shù)治療患者的類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎癥狀有明顯的減輕,而接受anti-TNF-a therapy的類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者其牙周炎的癥狀亦有明顯的減輕。本研究對5個共同的組織特異性基因進行靶向藥物富集分析,結(jié)果顯示共有22種靶向藥物,包括TNF-抑制劑,如靶向FCGR2A和FCGR3B基因的Adalimumab、Etanercept等(p0.050)。綜上,本研究通過以組織特異性基因為橋梁,聯(lián)系疾病、藥物關(guān)系的方法,證實了Adalimumab與Etanercept這兩種藥物對于牙周炎與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的癥狀都有緩解作用。 子宮內(nèi)膜異位癥(Endometriosis)是臨床常見婦科疾病,而免疫系統(tǒng)的異常可能是引起并促使子宮內(nèi)膜異位癥發(fā)生發(fā)展的重要因素之一。對辛伐他汀靶向組織特異性基因的特異性組織分析結(jié)果顯示,這些基因主要富集在免疫相關(guān)的組織中。辛伐他汀靶向MMP9、IL6、CCL2這3個子宮內(nèi)膜異位癥相關(guān)組織特異性基因(p0.00001),其的GO Biological Process注釋富集分析顯示,這3個基因同humoral immune response、inflammatory response、cytokine-mediated signaling pathway等免疫過程密切相關(guān)(p0.050),與文獻報道基本一致。這顯示辛伐他汀通過對MMP9、IL6、CCL2的靶向作用可以干預(yù)到子宮內(nèi)膜異位癥相關(guān)免疫學(xué)過程。2009年Antoni J. Duleba等人的研究報道顯示,在裸鼠模型上辛伐他汀表現(xiàn)出了防止子宮內(nèi)膜異位癥發(fā)生的保護作用。這與本研究所作的預(yù)測相吻合。因此可以合理推斷,辛伐他汀可以作為防治子宮內(nèi)膜異位癥的候選藥物進行進一步的臨床試驗。 通過以上兩個例子說明本研究構(gòu)建的組織特異性基因數(shù)據(jù)庫為探索藥物新用途提供一定的指導(dǎo),具有很強的應(yīng)用價值。亦說明本數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建對于充分利用組織特異性基因的重要生物學(xué)特性并得到新的生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)具有重要意義。 同時,本研究通過蛋白-蛋白相互作用以及GO富集分析方法,預(yù)測了辛伐他汀對于一型短QT綜合癥的療效,初步推導(dǎo)出辛伐他汀可能通過間接影響離子轉(zhuǎn)運平衡來實現(xiàn)對一型短QT綜合癥治療的機制,為后續(xù)生物學(xué)實驗驗證提供了依據(jù)。 綜上,本研究通過整合多個可靠的數(shù)據(jù)集中關(guān)于組織特異性基因注釋信息,構(gòu)建了一個分析平臺。通過自組SQL語句,可從復(fù)雜的關(guān)系模型中利用基因與組織、亞細(xì)胞定位、藥物的關(guān)系篩選藥物靶點以及診斷標(biāo)記物,亦可以進行多個基因在某些生物學(xué)通路、疾病方面的富集分析。最重要的是,可以根據(jù)以組織特異性基因為媒介的生物學(xué)關(guān)系產(chǎn)生許多關(guān)于發(fā)病機理、診斷、預(yù)后以及治療研究的假說。 但是本系統(tǒng)仍需進一步完善。組織特異性基因的篩選算法將進行進一步優(yōu)化,在降低假陽性率的同時,減少組織特異性基因的遺漏。由于數(shù)據(jù)來源的限制,目前未能收錄疾病組織的信息。本研究下一步將會收錄并分析疾病組織的表達(dá)譜芯片數(shù)據(jù),以發(fā)現(xiàn)疾病組織特異性基因。今后也將重點關(guān)注組織特異性基因在發(fā)育、分化、應(yīng)激反應(yīng)與病理學(xué)中所起的作用以及組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)控。同時,開發(fā)并優(yōu)化更高效的SQL語句,使數(shù)據(jù)庫中有價值的信息在藥物副作用、診斷標(biāo)記物篩選、治療靶點選取等方面得到充分利用。
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【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：R346

【參考文獻】

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本文編號：2357925