基于蛋白质互作网络挖掘自闭症谱系障碍的功能模块与核心基因

自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD)是一种具有高遗传性、临床异质性和生物复杂性的神经行为障碍类疾病。为挖掘ASD发生发展过程中的功能模块与核心基因,本文从自闭症谱系障碍疾病数据库获取ASD相关基因;利用STRING数据库构建ASD相关基因的蛋白质互作网络;通过MCODE算法对蛋白质互作网络进行模块分析并筛选核心基因;最后对各功能模块进行KEGG通路分析,根据富集到的通路类别评估功能模块之间的相互作用。结果显示, 3个疾病基因数据库筛选出182个共有基因,构建的蛋白质互作网络包含171个节点和1 041条边,其中NRXN1、GRIN2B、GRIN2A、DLG4、NLGN3、MECP2、CNTNAP2、BDNF、NLGN4X、FMR1等23个基因具有较高的连通度(degree)。从蛋白质互作网络中分析得到5个功能模块,包括68个核心基因。KEGG富集分析发现功能模块参与多个生物学通路,包括细胞黏附分子、钙离子通路、神经活性的配体-受体相互作用、多巴胺能神经突触等。分析结果提示,挖掘的ASD功能模块和核心基因大多集中在神经元活动、信号分子和信号传导等,且各模块相互作用共同影响ASD的发生发展。     

基于生物分子网络分析的精神分裂症功能模块挖掘

精神分裂症(schizophrenia, SCZ)是一种影响人类生命健康和生存质量的复杂性精神疾病,其遗传机制涉及多个生物分子的相互作用。本研究从分子水平挖掘与SCZ相关的功能模块,可为SCZ的基础研究提供新思路。首先,通过蛋白质-蛋白质互作知识引导扩展SCZ风险基因,构建SCZ特异性基因网络;随后,利用Newman分解算法挖掘功能模块,并通过拓扑学分析及泊松分布检验确定每个功能模块的拓扑属性和核心基因;最后,对功能模块进行功能学分析,根据富集到的通路类别评估功能模块之间的相互作用。结果显示,共提取了14个功能模块,均具备无标度网络性质。对所得功能模块进行拓扑学分析,共挖掘出102个核心基因,包括已知与精神分裂症相关的基因(例如EGFR、HAX1、IL1R1、RALGDS等)和尚未有相关报道的基因(例如SVIL、DNAJA1、RABAC1、STX6等)。通过富集分析发现这些功能模块参与多条生物学通路,包括细胞凋亡、ErbB信号通路、细胞周期、磷脂酶D信号通路、PI3K-Akt信号通路等。功能模块分析显示,大部分功能模块不是单独发挥作用的,它们共同影响SCZ的发生发展,具有共享的发病机制。     

基于蛋白互作网络识别非小细胞肺癌相关基因功能模块

本研究对非小细胞肺癌(non-small cell lung carcinoma,NSCLC)基因表达数据进行差异表达分析,并与蛋白质相互作用网络(PPIN)数据进行整合,进一步利用Heinz搜索算法识别NSCLC相关的基因功能模块,并对模块中的基因进行功能(GO term)和通路(KEGG)富集分析,旨在探究肺癌发病分子机制。蛋白互作网络分析得到一个包含96个基因和117个相互作用的功能模块,以及8个对NSCLC的发生和发展起到关键作用候选基因标志物。富集分析结果表明,这些基因主要富集于基因转录催化及染色质调控等生物学过程,并在基础转录因子、黏着连接、细胞周期、Wnt信号通路及HTLV-Ⅰ感染等生物学通路中发挥重要作用。本研究对非小细胞肺癌相关的基因和生物学通路进行预测,可用于肺癌的早期诊断和早期治疗,以降低肺癌死亡率。     

细胞黏附分子互作网络的构建与分析

借助网络分析可对基因调控、蛋白质互作和信号转导等细胞活动进行全局和局部性质分析.以细胞黏附的蛋白质相互作用为对象,通过数据挖掘和可视化软件构建了整合蛋白介导的黏附分子互作网络,该分子互作网络由156种蛋白质通过690种相互作用相连,其平均节点度为8.66、平均聚集系数为0.24,平均路径长度为2.6.黏附分子互作网络中包含数个功能模块,这些模块涉及网络内部多种分子相互作用的启动与停止,并进一步影响细胞的黏附、迁移和骨架组织.对黏附分子网络进行模体筛选和比较,发现一些数量相对较少、以三元复合物为主要结构的关键模体,同时对各网络模块和模体对细胞黏附的调控作用进行了探讨.     

基于转录组的肝豆状核变性调控网络的构建和分析

本研究旨在利用生物信息学方法构建经铜诱导的ATP7B基因敲除HepG2细胞系的转录调控网络。探讨关键转录因子在肝豆状核变性发生、发展中的潜在作用机制。收集公共基因表达数据库（gene expression omnibus,GEO）中包含野生型、ATP7B基因敲除型、铜诱导的野生型和铜诱导的ATP7B基因敲除型HepG2细胞系数据。筛选由铜诱导产生的差异表达基因（differentially expressed genes,DEGs）后进行基因本体论（gene ontology,GO）、京都基因和基因组百科全书（Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG）富集分析。基于蛋白相互作用网络,识别疾病关键基因和功能模块,并对关键功能模块中的基因进行富集分析。最后,构建转录调控网络,筛选核心转录因子。共筛选出1 034个差异表达基因,其中上调525个,下调509个。上、下调关键功能模块分别包括了3 785个和3 931个基因。关键功能模块中的基因主要定位于细胞-基质连接、染色体、剪接复合体、核糖体等区域,共同参与了mRNA加工、组蛋白修饰、RNA剪切、DNA代谢调节、蛋白磷酸化等生物学过程,且与转录共调控活性、DNA转录因子结合、泛素样蛋白连接酶结合等分子功能相关。KEGG分析表明功能模块中的基因显著富集的通路包括乙型肝炎、有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK）信号通路、细胞衰老和凋亡、神经营养信号通路和神经变性途径等。肝豆状核变性转录调控网络包括11个差异表达转录因子和96个差异表达基因,其中U2AF1、NFRKB、FUS、MAX、SRSF1、CEBPA和RXRA为核心差异表达转录因子。该研究为肝豆状核变性转录调控相关分子的生物学功能研究提供了重要的参考依据。     

基于双聚类挖掘癌症共享的基因功能模块

基因多效性是癌症遗传机制中的普遍现象, 但罕见系统性的分析。文章提出采用双聚类挖掘基因功能模块的新思路探索癌症的共享分子机制和不同癌症间的关系。获取20种癌症的基因表达数据, 应用改良t检验和倍数法筛选出至少在两种癌症中差异表达的基因, 得到10417×20的数据矩阵; 采用双聚类方法获得22个癌症共享的基因簇; 进一步富集分析得到17个基因功能模块(Bonferroni校正后P<0.05), 主要参与有丝分裂染色单体分离的调控、细胞分化、免疫和炎症反应、胶原纤维组织等生物过程; 主要执行ATP结合和微管活动、MHCⅡ类受体活性、肽链内切酶抑制活性等分子功能; 活动区域主要在细胞骨架、染色体、MHCⅡ蛋白质复合体、中间丝蛋白、胶原纤维等。基于模块构建癌症相关网络, 显示胃癌、卵巢腺癌、宫颈鳞癌和间皮瘤等之间相关程度较高, 而两种血液系统癌症(急性髓细胞性白血病与多发性骨髓瘤)分子机制与其他癌症存在较大差异。可见癌症共享的基因功能模块与多种生物机制有关, 癌症之间相似性可能与组织起源、共同的致癌机制等有关。文章提出的基因多效性分析方法有助于解释人类复杂性疾病的共享分子机制。     

基于蛋白质互作网络的COVID-19对肺动脉高压的影响机制

通过构建肺动脉高压差异基因和冠状病毒侵入人体后免疫反应相关基因的互作网络,探索COVID-19对肺动脉高压的影响机制。首先通过Meta分析挖掘肺动脉高压相关差异表达基因;其次通过SARS-CoV侵染人体后的基因表达数据,挖掘主要功能通路;最后构建肺动脉高压差异表达基因和冠状病毒主要功能通路基因的互作网络,挖掘网络的显著功能模块。发现肺动脉高压与血管平滑肌细胞、成纤细胞、T/B细胞免疫过程、转录调节因子通路、Toll样信号通路等密切相关,互作网络发现ITGAM、HBB、VCAM1、IL1R2等基因是COVID-19感染肺动脉高压患者的重要调节基因。通过肺动脉高压与冠状病毒感染机体后蛋白质互作网络探索了COVID-19对肺动脉高压的影响机制,为肺动脉高压感染COVID-19的研究及治疗提供了新思路。     

进食障碍数据库的建立及其在识别与进食障碍相关的扩展脂肪细胞因子信号通路中的应用

进食障碍是一种生理和心理上的进食失调,影响了世界范围近1%的女性人群.尽管已广泛开展了针对此疾病遗传角度的流行病学研究,但其分子机制仍需进一步阐释.近期,高通量技术被广泛应用于发现复杂疾病中可能的致病基因以及其潜在的致病机理.本研究首次收集了大量文献报道的与进食障碍有关的基因,建立了进食障碍相关的数据库,以期对进食障碍的分子机制进行初步了解.EDdb数据库包括了从发表的文献中收集的有实验验证的与进食障碍有关的59个基因,并将这些基因作为核心数据集.根据核心数据集,利用蛋白-蛋白相互作用信息、基因共享的染色体条带信息及疾病相关信息扩展出其他4个数据集,这4个数据集包括了2824个潜在的进食障碍相关基因,这些基因分布在601个基因组区间.根据人的蛋白-蛋白相互作用数据,重建了可能的与进食障碍相关的分子相互作用网络.进一步,利用代谢通路富集性分析方法,识别出EDdb中的3个基因ADIPO,TNF和NR3C1可以将KEGG中的＂脂肪细胞因子信号通路＂和BioCarta中的＂内脏脂肪沉着和代谢综合征＂2个通路结合在一起,得到一个与进食障碍相关的扩展的脂肪细胞因子信号通路.在这个扩展通路中共包括43个基因,其中39个基因与进食障碍有关.本研究构建了第一个进食障碍相关的基因数据库,其中的各种数据信息将有助于对进食障碍的研究,揭示其中的基因和疾病关系.通过初步的统计分析,发现进食障碍引起的体重失调和肥胖可能与本研究发现的扩展通路的调节障碍有关,并且这个扩展通路也可能与不健康的生活习惯引起的体重失调等复杂疾病有关.     

根据基因功能表达谱研究抑郁症模型及安佳欣胶囊的抗抑郁症机制

由基因芯片检测正常大鼠、模型大鼠和服用安佳欣胶囊进行治疗后的大鼠各8例的基因表达谱,在正常组和模型组之间,筛选得到207个差异表达基因和25个差异表达基因功能模块,在模型组和给药组之间,筛选得到860个差异表达基因和24个差异表达基因功能模块。比较两次结果,得到信号传导通路、蛋白质转运等价相同的功能模块,预测此功能模块可能为安佳欣胶囊发挥抗抑郁作用的一部分靶点。在这9个模块中寻找在模型组出现差异表达而在给药组表达趋于正常水平的基因,从基因水平分析药物的治疗机制。     

利用基因共表达网络分析蛋白质的相互作用

基于Hom in的基因共表达网络的比较分析,发现人类基因共表达网络和蛋白质相互作用数据之间存在一定的相关性。采用基因本体论对这两个网络重叠区域进行基因分类后发现,这些编码的蛋白质主要集中在对刺激物的应答途径之中。通过对该途径中的蛋白质相互作用网络作图,获得了两个独立的功能模块。通过对模块中的基因分类和关键基因分析得出两者分别对应于内外源刺激物的应答功能。本研究对于利用不断丰富的核酸公共数据信息挖掘蛋白质相互作用的研究具有积极的促进作用。     

两种药物协同效应对酵母细胞转录组的影响

寻找抗衰老活性分子并研究其作用机制是衰老药物学的研究重点和热点。前期研究发现活性分子多球壳菌素和雷帕霉素可通过分子间协同效应延缓芽殖酵母细胞衰老。为了考察这两种小分子协同效应对细胞转录组的影响,利用DNA Microarray技术及生物信息学手段系统分析了这两种小分子药物协同处理对基因表达谱、基因本体聚类及相关信号通路的影响。研究结果显示,药物协同效应对细胞转录组产生了显著影响,共导致2 546个基因的差异表达(FDR0.05,Fold Change10%),其中1 157个基因显著上调,1 389个基因显著下调。进一步对基因本体聚类及信号通路分析显示,线粒体相关的分子功能、细胞组分、生物学过程和信号通路是此协同效应的一个主要靶点,其他可能的作用靶点还包括核糖体的生物发生、细胞骨架及过氧化物酶体代谢。     

结合亲和质谱与生物信息学分析构建TP53BP1的蛋白相互作用网络

蛋白质与蛋白质相互作用(PPIs)是两个或更多蛋白质分子之间通过静电作用、范德华力等建立的高度特异性的物理接触.细胞内的各种蛋白分子通过PPIs进行彼此之间的功能调节、信号通路的交互作用等,从而实现各种生物进程,而异常的PPIs也将导致疾病的发生、发展,其中就包括肿瘤.因此围绕某些和疾病密切相关的关键蛋白构建其相互作用生物网络(interactome)将有助于更好地分析该关键蛋白在疾病中的作用和可能的分子机制.本研究针对抑癌基因p53结合蛋白1(TP53BP1),利用亲和质谱分析鉴定了15个潜在的TP53BP1相互作用蛋白.同时,结合PPI数据库检索构建了与TP53BP1相互作用的蛋白质网络,并对该网络中的蛋白进行了功能富集分析、通路分析,结果显示,TP53BP1相互作用蛋白主要富集在细胞周期、同源重组、错配修复等重要通路,该研究为深入解析TP53BP1的生物学功能及其在肿瘤中的作用奠定了基础.     

基于网络药理学和分子对接探索桑白皮治疗糖尿病周围神经病变的潜在机制

本研究运用网络药理学和分子对接方法对中药桑白皮治疗糖尿病周围神经病变(DPN)的活性成分、潜在作用靶点和信号通路进行研究,探索桑白皮治疗DPN的可能作用机制。首先从中药系统药理学数据库(TCMSP)筛选出桑白皮的活性成分及靶点基因。通过GeneCards数据库及OMIM数据库筛选出DPN的疾病靶点基因,并用Cytoscape软件构建“药物-有效成分-靶基因-疾病”中药调控网络图。将有效成分靶标与疾病靶标上传到STRING数据库,构建蛋白互作网络图(PPI),并使用R语言对得到的PPI进行核心基因的筛选。运用R语言对关键靶点进行GO富集分析和KEGG通路富集分析。其次从活性成分及靶点基因中根据degree值筛选出前3个关键成分,并将该网络中的基因靶点以degree值高低进行排序,选择前3个核心靶点,然后从RCSB数据库下载相关蛋白的结构,使用Pymol软件去除溶剂分子与配体,使用AutoDock软件进行分子对接。最后通过酶联免疫吸附实验和荧光光谱实验验证网络药理学富集分析的结果。最终预测到31个桑白皮活性成分,312个活性成分相关靶点,120个桑白皮-糖尿病周围神经病变共同有效靶点。活性成分中度值最高的为槲皮素,其次为山柰酚。PPI网络核心基因为转录因子AP-1(JUN)、丝裂原活化蛋白激酶1(MAPK1)、转录因子p65(RELA)、丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶1(AKT1)、白介素6(IL-6)等;GO富集分析显示会影响基因的转录、细胞因子表达和蛋白激酶活性等;KEGG通路富集分析显示AGE-RAGE信号通路、流体剪切力和动脉粥样硬化为显著性最高的通路,其次为卡波西肉瘤相关疱疹病毒感染、MAPK信号通路、人巨细胞病毒感染、TNF信号通路。分子对接结果显示关键成分中槲皮素与对应靶点具有较好的结合活性。酶联免疫吸附实验提示桑白皮能够降低IL-6和TNF-α的表达,荧光光谱实验证实桑白皮能够减少AGEs。可见中药桑白皮治疗糖尿病周围神经病变具有多成分、多靶点、多功能、多通路的作用特点,其潜在的作用机制可能与AGE-RAGE信号通路、肿瘤坏死因子信号通路等有关。     

去泛素化酶USP10通过稳定Smurf1抑制TGF-β/BMP信号通路

目的 探究生理条件下去泛素化酶USP10调控的关键信号通路及分子机制。方法 利用GEO2R和Metascape对Usp10^+/+和Usp10^-/-新生小鼠肾组织基因芯片(GSE198574)差异表达基因和通路富集分析，使用免疫印迹实验和免疫组化技术检验核心转录因子的表达情况；进一步利用免疫印迹检测该信号通路，并通过基因芯片和免疫组化分析候选分子的表达情况；使用免疫共沉淀(Co-IP)和GST-pull down实验验证USP10与候选分子的相互作用，通过泛素化实验明确USP10对底物分子的调控机制；利用免疫印迹检测细胞增殖、凋亡相关蛋白p21、Cleaved-caspase 3的表达情况，使用CCK-8和克隆形成实验分析USP10对细胞增殖的影响。结果 Usp10^-/-新生小鼠肾组织中TGF-β/BMP通路激活，USP10在小鼠体内缺失后导致Smad泛素相关因子1 (Smurf1)蛋白质水平降低，Smad1/5蛋白质水平上调，却不影响它们的转录水平；机制上，USP10与Smurf1存在相互作用，并依赖其去泛素化酶活性去除...     

基于网络药理学及分子对接探讨雷公藤干预结缔组织相关间质性肺病的分子机制

为探究雷公藤干预结缔组织相关间质性肺疾病(CTD-ILD)的分子机制。运用网络药理学的方法,通过TCMSP数据库挖掘雷公藤的主要化学成分及作用靶点,利用Genecards、OMIM、DrugBank数据库获取CTD-ILD相关靶点,利用String平台进行蛋白质相互作用分析,构建PPI网络并挖掘网络中潜在的蛋白质功能模块,然后采用Metascape进行GO及KEGG富集分析,利用Cytoscape3.8.0软件构建"雷公藤成分-CTD-ILD-信号通路"网络,最后通过AutoDock Vina进行分子对接。通过分析得到雷公藤干预CTD-ILD的靶点共80个,核心成分为山奈酚、雷公藤内酯醇、川陈皮素、β-谷甾醇等,核心靶点有PTGS2、JUN、MAPK8、RELA、SCN5A、TNF等。GO和KEGG富集分析显示,IL17信号通路、Toll样受体信号通路、TNF信号通路、HIF-1信号通路、FoxO信号通路、Cancer信号通路等为雷公藤干预CTD-ILD的主要通路,涉及炎症,氧化应激,细胞凋亡及癌症等多个生物过程。分子对接结果亦显示,分子亲和力小于-7 kcal/mol占总数的62.5%,其中5次化合物的预测值超过原配体。综上,本研究初步揭示了雷公藤通过多成分、多靶点、多通路作用机制干预CTD-ILD的分子机制,并经分子对接予以验证,为临床应用雷公藤治疗CTD-ILD提供了理论依据。     

基于GEO数据库对儿童哮喘急性发作靶基因的生物信息学分析

为了通过生物信息学技术筛选并分析关键基因以探究儿童哮喘急性发作的病理机制,从GEO数据库下载儿童哮喘急性发作相关基因芯片数据集(GSE103166),用R软件包工具筛选出哮喘急性发作患儿与健康儿童的差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs),用DAVID (version 6.8)在线工具获取DEGs列表的GO和KEGG注释结果,同时通过STRING (version 11.0)获取其蛋白质互作数据,应用Cytoscape及其插件MCODE构建蛋白质互作网络、鉴定关键基因。结果显示,共筛选出78个DEGs,其中上调基因共49个,下调基因共29个。这些DEGs主要富集于核质转运调控、免疫系统过程调节等生物过程;核小体、DNA包装复合物等细胞组分; Rho GTP酶结合、离子型谷氨酸受体结合等分子功能。KEGG通路分析结果提示其主要富集在系统性红斑狼疮和哮喘信号通路。在这些DEGs中,筛选得到一个基因模块, GO分析显示该模块主要富集在γ干扰素介导的信号通路、通过MHCⅡ类分子进行抗原加工和外源性抗原肽的呈递、通过MHCⅡ类分子进行抗原加工和抗原肽的呈递等生物过程; MHCⅡ类蛋白复合物、内质网膜腔侧、内质网膜腔侧组成部分等细胞组分;MHCⅡ类受体活性、抗原肽结合、跨膜信号受体活性等分子功能。KEGG通路分析提示该模块主要富集在哮喘、移植物抗宿主病、同种异体排斥反应等通路。该基因模块涵盖5个关键基因,分别为HLA-DPB1、HLADQB1、HLA-DQB2、MT2A和KIF11。上述分析结果表明,文中筛选的DEGs和关键基因有助于加深对儿童哮喘急性发作病理机制的理解,其中HLA-DPB1、HLA-DQB1、HLA-DQB2等关键基因已得到相关研究的验证,未经证实的MT2A、KIF11关键基因,可能是儿童哮喘急性发作研究的新靶点。