基于生物信息學分析阿米巴痢疾基因表達譜的潛在生物靶標

劉鑒，張文飛

（貴州醫(yī)科大學 寄生蟲學教研室，貴州貴陽 550001）

阿米巴痢疾是一種常見的寄生蟲腸道感染疾病，它是由內(nèi)阿米巴組的任何變形蟲引起的[1]。2015—2019年，中國共報告阿米巴痢疾4 366例，在部分邊遠落后地區(qū)病例數(shù)較多[2]，所以預防仍然具有挑戰(zhàn)性。本文通過生物信息學的方法預測了阿米巴痢疾的生物標志物，獲得核心基因5個，對揭示阿米巴痢疾發(fā)病機制及預防非常重要，也為臨床診療提供新依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

從美國國家生物信息中心（National Center for Biotechnology Information ，NCBI）的基因表達綜合數(shù)據(jù)庫（Gene Expression Omnibus，GEO）中下載數(shù)據(jù)集GSE23750，該數(shù)據(jù)采用Affymetrix Human Gene 1.0 ST Array基因表達芯片平臺的GPL6422檢測獲得。數(shù)據(jù)集中結(jié)腸活檢樣本來自8名急性患者在溶組織內(nèi)阿米巴感染后第1天和第60天進行腸道活檢而獲得。

1.2 差異基因的篩選

差異基因篩選數(shù)據(jù)標準化后，通過R軟件的limma包（Version 4.0.2）進行差異基因的分析，以P＜0.05和|log2 fold change|＞1為截斷標準的基因為差異基因（Differentially Expressed Genes，DEPs）；使用Hiplot （https://hiplot.com.cn/online）在線分析工具繪制DEPs火山圖。

1.3 差異蛋白的功能富集分析

利用Hiplot對DGEs進行富集分析并再次進行可視化分析，以P＜0.05為具有統(tǒng)計學意義。

1.4 核心基因的篩選

將DGEs的基因符號輸入STRING（https://stringdb.org/，Version 11.0），選擇最小要求的交互得分且中等置信度大于0.4的為顯著性，并利用Cytoscape中的插件分子復合物檢測（CytoNCA）挖掘出樞紐基因。

2 結(jié)果與分析

2.1 差異基因的篩選

通過R軟件的limma包進行差異基因的分析后，最終得到207個差異基因，其中上調(diào)的差異基因有125個、下調(diào)的差異基因有82個。篩選出的差異基因用于后續(xù)的功能富集及網(wǎng)絡(luò)分析。

2.2 GO功能和KEGG富集分析

為了了解差異基因的功能富集，以P值排名前5的上調(diào)DEPs富集分析結(jié)果（如圖1），發(fā)現(xiàn)neutrophil degranulation、neutrophil activation involved inimmune response、humoral immune response、IL-17 signaling pathway等基因顯著富集。

圖1 基因富集分析結(jié)果

2.3 PPI網(wǎng)絡(luò)分析

獲得5個核心基因，共18個節(jié)點，29條邊。核心基因分別為 PTGS2、MMP1、MMP3、MMP10和SERPINE1（圖2）。

圖2 網(wǎng)絡(luò)模塊、分析和中心基因選擇

3 結(jié)論與討論

阿米巴痢疾是由阿米巴原蟲所導致的一種常見寄生蟲腸道感染，是發(fā)展中國家兒童嚴重腹瀉的十大原因之一[3-4]。嚴重的并發(fā)癥包括炎癥和穿孔，導致腹膜炎，甚至導致阿米巴肝膿腫。

本研究利用溶組織內(nèi)阿米巴感染后的基因表達譜進行生物信息學的分析，篩選出差異基因207個，其功能主要富集于免疫反應的中性粒細胞活化，體液免疫應答，對細菌來源分子的反應等。獲得5個核心基因（PTGS2、MMP1、MMP3、MMP10和SERPINE1），提示在阿米巴痢疾的病人中其疾病的發(fā)生發(fā)展受到以上基因組的調(diào)控。

MMP1、MMP3和MMP10參與正常生理過程以及疾病過程中細胞外基質(zhì)的分解，與傷口修復、動脈粥樣硬化進展和腫瘤發(fā)生有關(guān)，可作為多種疾病的潛在生物標志物[5-6]。本研究中，作為差異基因參與膠原蛋白的分解，說明阿米巴痢疾的發(fā)生發(fā)展被該家族成員所調(diào)控，參與了阿米巴感染后結(jié)腸的炎癥反應。

PTGS2是前列腺素內(nèi)過氧化物合酶的同工酶，參與炎癥反應。在多種疾病中均發(fā)揮重要作用。在結(jié)直腸癌（CRC）患者中，PTGS2表達與CRC患者的生存期較差有關(guān)，抑制PTGS2活性可發(fā)揮其抗炎和抗腫瘤作用[7]。通常，宿主會對腸阿米巴做出免疫反應以清除病原體[4]，巨噬細胞在宿主對抗腸阿米巴病的反應中也起著至關(guān)重要的作用。用IFN-γ或TNF-α刺激巨噬細胞后具有殺滅阿米巴的作用[8]，雖然TNF-α會刺激中性粒細胞和巨噬細胞釋放ROS和NO來對抗寄生蟲，但過量的TNF-α會導致對宿主組織的直接損傷[9]。

綜上所述，使用生物信息學方法篩選了阿米巴痢疾發(fā)病過程中的差異基因，并篩選出核心基因作為潛在的生物標記物，分析了其生物學功能，為阿米巴痢疾的發(fā)病機制及預防提供了新的參考。