在人轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中識別組織特異性功能模塊

胡躍兵　李彭平

摘要從人體的7個組織調(diào)控網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，通過MCODE算法獲得各個組織的調(diào)控模塊，再通過計算模塊間共有的節(jié)點(diǎn)數(shù)目獲得組織間相似的模塊或組織特異性模塊。結(jié)果表明，腎特異性模塊與腎癌密切相關(guān)；腦特異性模塊在室間隔的形成和心肌細(xì)胞功能的實(shí)現(xiàn)中起著重要作用。

關(guān)鍵詞共調(diào)控；轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；模塊

中圖分類號S03文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）16-039-04

Identification of Tissuespecific Moduels within Human Tissue Regulatory Networks

HU Yuebing1， LI Pengping2

（1. Jinling Hospital， Medical School of Nanjing University， Nanjing， Jiangsu 210002； 2. School of Life Science， Nanjing University， Nanjing， Jiangsu 210023）

AbstractStarting from seven tissue regulatory network， using MCODE method， the regulatory module of each tissue was obtained. Through calculating common node number among modules， kidneyspecific module is closely correlated with renal cancer. The results showed that heartspecifc module is important for formation of ventricular septum and it is crucial for functions of cardiac cells.

Key words Coregulation； Tanscriptional regulatory network； Module

作者簡介

胡躍兵（1983-），男，四川攀枝花人，碩士，從事神經(jīng)外科研究。

收稿日期20150430

基因表達(dá)是調(diào)控子共同作用使特定的mRNA維持在穩(wěn)定水平的過程。其中一類調(diào)控子是轉(zhuǎn)錄因子，它通過結(jié)合在其調(diào)控基因的啟動子區(qū)，促進(jìn)或抑制該基因的轉(zhuǎn)錄。它在調(diào)控細(xì)胞生長和凋亡中起到重要作用。很多轉(zhuǎn)錄因子還可作為疾病治療的靶標(biāo)[1]。而microRNA （miRNA）則是通過抑制mRNA表達(dá)或促進(jìn)mRNA降解，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)解基因的表達(dá)[2]。由此，轉(zhuǎn)錄因子和miRNA分別通過在轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)，從而在影響基因功能過程中發(fā)揮重要作用。而轉(zhuǎn)錄因子本身的表達(dá)在其轉(zhuǎn)錄后水平也受到miRNA的調(diào)控，而miRNA自身的轉(zhuǎn)錄也要接受轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。因此，細(xì)胞內(nèi)基因的表達(dá)系統(tǒng)實(shí)際上是由轉(zhuǎn)錄因子、miRNA以及它們靶基因之間組成的一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。許多研究表明，特定生物學(xué)功能的實(shí)現(xiàn)是由一個包含多種相似功能分子的功能模塊完成的。模塊內(nèi)部分子功能的相似度高于模塊之間分子功能的相似度，并且分子在模塊內(nèi)的連接度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模塊間分子之間的連接度[3]。轉(zhuǎn)錄調(diào)控模塊是由不同調(diào)控子調(diào)控特定靶基因集或同一類調(diào)控子調(diào)控不同靶基因集而形成的一個調(diào)控子網(wǎng)，是多個基因及其產(chǎn)物之間相互作用形成轉(zhuǎn)錄模塊的結(jié)果[4]。研究轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)有利于進(jìn)一步了解細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細(xì)胞分化及其功能。

組織特異性基因的表達(dá)在組織的發(fā)育、細(xì)胞類型、功能和轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起到重要作用[5]。在已經(jīng)識別的miRNA中，有很多表現(xiàn)出了組織特異性或發(fā)育階段特異性的表達(dá)模式，并維持組織的特點(diǎn)和功能[6]。并且由轉(zhuǎn)錄因子形成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)會控制組織特異性基因的表達(dá)。組織特異性的轉(zhuǎn)錄因子和miRNA對于組織特異性的調(diào)控和功能極其重要。基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)過程實(shí)際上是調(diào)控子和靶基因之間形成功能模塊作用的結(jié)果。由單個基因的組織特異性的表達(dá)調(diào)控的研究上升到模塊的組織特異性調(diào)控模式的挖掘，可以進(jìn)一步加深對基因組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)控和組織功能的理解。為此，筆者從人體的7個組織調(diào)控網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，通過MCODE算法獲得各個組織的調(diào)控模塊，再通過計算模塊間共有的節(jié)點(diǎn)數(shù)目獲得組織間相似的模塊或組織特異性模塊，從而獲得組織特異性的調(diào)控模式。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1各組織表達(dá)譜數(shù)據(jù)來源

從UniGene[7]和 CGAP[8]獲取人體的大腦、心臟、腎臟、肝臟、卵巢、脾和睪丸7個組織的蛋白質(zhì)編碼基因（包括TF和nonTF）的表達(dá)譜數(shù)據(jù)，而miRNA 的表達(dá)譜數(shù)據(jù)則取自Landgraf等[6]的研究。

1.2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

通過以下方式構(gòu)建包括人體大腦、心臟、腎臟、肝臟、卵巢、脾和睪丸7個組織的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò) （TRN）：首先在人基因組范圍內(nèi)預(yù)測TF、miRNA以及非蛋白質(zhì)編碼基因之間的調(diào)控關(guān)系，獲得人的參考網(wǎng)絡(luò)，然后通過對應(yīng)組織的表達(dá)譜數(shù)據(jù)得到在7個組織中表達(dá)的基因，并從參考網(wǎng)絡(luò)中獲取這些基因之間的調(diào)控關(guān)系從而構(gòu)建各個組織網(wǎng)絡(luò)。在參考網(wǎng)絡(luò)中，TF與靶基因之間的調(diào)控關(guān)系是先通過TRANSFAC數(shù)據(jù)庫[9]找到靶基因上游1 kb的序列，之后在該段序列內(nèi)尋找TF的靶點(diǎn)，該研究選取的是5個物種（人、狗、牛、小鼠和負(fù)鼠）保守的結(jié)果。而miRNA與靶基因之間的調(diào)控關(guān)系是通過取Targetscan[10]、Pictar[11]和Tarbase[12]3個預(yù)測結(jié)果的交集得到。

1.3組織模塊挖掘

生物網(wǎng)絡(luò)可以直觀地看成一個圖形，圖形節(jié)點(diǎn)和邊分別表示生物分子和分子之間的關(guān)系。對于轉(zhuǎn)錄調(diào)控，則可以理解為一個有向的信號傳遞流，用有向圖表示。一般從圖中尋找子簇或局部緊密連接區(qū)域主要是依賴于網(wǎng)絡(luò)流最小割理論或譜聚類。MCODE[13]是用節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)大小作為節(jié)點(diǎn)權(quán)重的衡量，從網(wǎng)絡(luò)中獲取分子復(fù)合體的模塊挖掘方法。該算法主要分為節(jié)點(diǎn)權(quán)重計算、復(fù)合體預(yù)測、通過一定規(guī)則對復(fù)合體增加或減少節(jié)點(diǎn)3個階段。MCODE在挖掘模塊時會給每個模塊計算一個得分并按照該得分對模塊進(jìn)行排序。模塊得分越高，則排位越靠前，該模塊內(nèi)部連接也更加緊密。

1.4模塊相似性得分

用公式（1）計算模塊相似性，式中N1、N2分別表示模塊1和模塊2的節(jié)點(diǎn)數(shù)，C表示2個模塊共有節(jié)點(diǎn)個數(shù)。當(dāng)2個模塊節(jié)點(diǎn)大小和類型完全相同時，R等于1，表示2個模塊完全相同。當(dāng)2個模塊之間的節(jié)點(diǎn)都不同時，共有節(jié)點(diǎn)數(shù)目C為0，此時R等于0。當(dāng)R越接近1時，模塊越相似。

R=C2/N1×N2

（1）

得到模塊相似得分后，以該得分作為模塊間的距離，對模塊進(jìn)行系統(tǒng)聚類。聚類到一起的模塊就是組織間相似的模塊，而單個成簇的模塊就是組織特異性模塊。

2 結(jié)果與分析

2.1組織模塊

通過MCODE算法對人體7個組織的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行挖掘，得到大腦、心臟、腎臟、肝臟、卵巢、脾和睪丸的模塊數(shù)目分別是20、11、15、12、16、16和15（表1）。得到模塊后，統(tǒng)計模塊中調(diào)控子的組成情況，發(fā)現(xiàn)所有組織大部分模塊的調(diào)控子都包含轉(zhuǎn)錄因子和miRNA，只有少數(shù)模塊里面的調(diào)控子只是轉(zhuǎn)錄因子或miRNA（表2），說明模塊的作用模式主要是轉(zhuǎn)錄因子和miRNA協(xié)同調(diào)控，這與前人的研究結(jié)果“轉(zhuǎn)錄因子和miRNA在乳腺癌和前列腺癌中共同調(diào)控基因的表達(dá)”[14]是一致的。

表1網(wǎng)絡(luò)邊的大小和模塊數(shù)目

組織網(wǎng)絡(luò)邊數(shù)目網(wǎng)絡(luò)模塊數(shù)目

大腦63 07020

心臟17 65011

腎臟23 66015

肝臟16 54212

卵巢31 35916

脾28 57516

睪丸60 36215

表2模塊的作用模式

組織調(diào)控子只是轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控子只是miRNA調(diào)控子包含轉(zhuǎn)錄因子和miRNA

大腦3116

心臟1010

腎臟1014

肝臟0111

卵巢0016

脾0115

睪丸0114

計算每2個組織每2個模塊之間的相似性得分。例如，計算大腦和心臟模塊的相似性，則將大腦20個模塊分別和心臟的11個模塊一一進(jìn)行計算。之后將組織相似性得分作為距離，對模塊進(jìn)行系統(tǒng)聚類。105個模塊共聚為40類（圖1）。其中，卵巢的第14個模塊、腎臟的第14和第15個模塊、心臟的第10個模塊都各自聚類成一個簇，說明該4個模塊和其他模塊相似性很低，因此將其定義為組織特異性模塊。

注：黑色箭頭所指處為組織特異性模塊，分別為：卵巢的第14個模塊（o14）、腎臟的第15個模塊（k15）、腎臟的第14個模塊（k14）、心臟的第10個模塊（h10）。

圖1根據(jù)組織模塊相似性得分對模塊聚類

2.2腎臟組織特異性模塊

腎臟的第15個模塊（圖2）包含調(diào)控子MTF1、hsamiR651、hsamiR708以及靶基因RAP1B和MTMR3。在該模塊中，hsamiR651和 hsamiR708共同調(diào)控RAP1B和MTMR3的表達(dá)，同時hsamiR651又調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子MTF1的表達(dá)。RAP1B是RASlike小GTP結(jié)合蛋白超家族成員之一，其主要功能是調(diào)控細(xì)胞粘附、生長、分化、遷移增殖以及整合素介導(dǎo)的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[15]。有研究表明由RAP1B參與的cAMP/Rap1B/BRaf通路可以調(diào)控結(jié)節(jié)性硬化癥腎細(xì)胞癌p27的表達(dá)和 p27cyclin D1的細(xì)胞質(zhì)的錯誤定位，從而影響腎細(xì)胞癌的發(fā)生和癌癥的預(yù)后[16]。KEGG通路分析顯示，RAP1家族與腎細(xì)胞癌通路密切相關(guān)[17]。RAP1家族主要通過細(xì)胞粘附、增殖和遷移而參與到腎細(xì)胞癌通路中（圖3）。HsamiR708被發(fā)現(xiàn)在腎細(xì)胞癌中能夠誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡并抑制腫瘤生長，是腎細(xì)胞癌中非常重要的腫瘤抑制子[18]。MTF1是一種核質(zhì)穿梭作為轉(zhuǎn)錄因子，聚集在細(xì)胞核內(nèi)并結(jié)合到含有金屬反應(yīng)元件（MRE）啟動子上，主要是誘導(dǎo)金屬硫蛋白及其他維持金屬穩(wěn)態(tài)相關(guān)蛋白的表達(dá)。而金屬硫蛋白主要功能是抵抗重金屬、清除自由基，許多研究表明其表達(dá)異常與腫瘤密切相關(guān)，已經(jīng)作為結(jié)腸直腸癌和前列腺癌診斷的分子標(biāo)記物[19]。綜上所述，RAP1B和hasmiR708都與癌癥密切相關(guān)，根據(jù)模塊中分子功能相似性特點(diǎn)推測 hsamiR651可能是和hasmiR708協(xié)同調(diào)控RAP1B和MTMR3的表達(dá)。而hasmiR651又調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子MTF1的表達(dá)，該轉(zhuǎn)錄因子又進(jìn)一步作用于金屬硫蛋白等相關(guān)蛋白，這些轉(zhuǎn)錄因子和miRNA 形成的調(diào)控通路可能在腎細(xì)胞癌的形成發(fā)展中起重要作用。該模塊中的節(jié)點(diǎn)及其調(diào)控關(guān)系需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)。

注：紅色圓圈表示轉(zhuǎn)錄因子；綠色圓圈表示miRNA；黃色圓圈表示靶基因；箭頭表示調(diào)控子對靶基因的調(diào)控。

圖2腎臟特異性模塊——腎臟的第15個模塊

圖3Rap1家族參與到腎細(xì)胞癌通路中

2.3心臟組織特異性模塊

心臟的第10個模塊由GSK3B、CPEB3、hsamiR196b和轉(zhuǎn)錄因子HAND1組成（圖4），在系統(tǒng)聚類中獨(dú)自成簇，是心臟的一個組織特異性模塊。HAND1是心臟特異性轉(zhuǎn)錄因子，主要功能是參與血管生成、發(fā)育以及肌肉組織形成。并且在心室隔和心臟形態(tài)學(xué)形成中也起著重要作用。 HAND1和其另外一個家族成員以互補(bǔ)的方式工作，調(diào)節(jié)右心室和主動脈弓動脈的形成，提示HAND1和其家族成員可能會介導(dǎo)為先天性心臟病。Hatemi等研究表明HAND1序列的變異在心房異構(gòu)的發(fā)生和發(fā)展中可能起重要作用[20]。而在先天性心臟病中也發(fā)現(xiàn)HAND1等基因的拷貝數(shù)變異，這些變異可能與心臟功能缺陷緊密相關(guān)[21]。

GSK3B是一種絲氨酸蘇氨酸激酶，屬于糖原合酶激酶亞家族，是為數(shù)不多的信號分子，調(diào)節(jié)關(guān)鍵的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。在大鼠的胚胎發(fā)育過程中，GSK3B的缺失會導(dǎo)致胚胎干細(xì)胞中受損的心肌細(xì)胞的分化并促使心肌細(xì)胞顯著增生，從而使心室被心肌細(xì)胞填充[22]。研究表明，GSK3B是調(diào)節(jié)心肌纖維化的重要調(diào)控子，心臟成纖維細(xì)胞中GSK3β特異性缺失會導(dǎo)致心臟纖維化、左心室功能障礙和在缺血性心臟中產(chǎn)生過多的疤痕[23]。

HsamiR196b主要功能是參與粒細(xì)胞生成、脂質(zhì)代謝和造血功能[24]。而粒細(xì)胞升高會導(dǎo)致心內(nèi)膜炎和心肌病。CPEB3、hsamiR196b可能也與心室隔形成、心肌細(xì)胞功能相關(guān)。具體作用機(jī)制可能是hsamiR196b作用于轉(zhuǎn)錄因子HAND1，HAND1再作用于GSK3B，該調(diào)控通路在心室隔的形成、維持心肌細(xì)胞正常功能中發(fā)揮重要作用，需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)。

43卷16期

胡躍兵等在人轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中識別組織特異性功能模塊

注：紅色圓圈表示轉(zhuǎn)錄因子；綠色圓圈表示miRNA；黃色圓圈表示靶基因；箭頭表示調(diào)控子對靶基因的調(diào)控。

圖4心臟特異性模塊

3結(jié)論

通過構(gòu)建人體7個組織的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并對各調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模塊挖掘與比較分析，得到了與腎癌密切相關(guān)的腎臟特異性功能模塊，以及和室間隔的形成有關(guān)并參與心肌細(xì)胞功能的心臟特異性模塊。這些模塊中的基因以及基因之間的調(diào)控關(guān)系對于相應(yīng)組織疾病的治療可能有重要作用。

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