多发性硬化症和帕金森病共有差异基因的生物信息学分析

翰分校医学院神经系；通讯作者,E-maidyl-0H309@26.com)

摘要：目的运用生物信息学的方法筛选多发性硬化症和帕金森病的相关基因及其作用的分子机制,为自身免疫性疾病的 分子发病机制提供有益的探索和依据。 方法 从美国国立生物技术信息中心(NCB/的共享数据库GEO(Gexe Expressiou

Omnibus)下载多发性硬化症(multiple sclerosis,MS)的基因芯片数据GSE83970和帕金森病(Ppkirwu's disease,PD)的基因芯

片数据GSE22491，借助R软件和GEO2R筛选差异表达基因，通过DAVID在线分析网站和Cytuoye软件对差异基因进行生 物学功能富集分析和信号通路分析，筛选两类疾病中正常人和患者的差异基因，找岀共有的关键基因。 结果 通过分析,

分别从GSE83676和GSE22491中筛选岀767个和1 081个差异表达基因，其有的差异基因有36个,这些基因主要富集于 细胞膜，参与介导免疫应答等生物学过程，并在与免疫调节相关的补体和凝血级联信号通路富集。筛选岀C1QB,PROS1和

C10C3个与多发性硬化症和帕金森病相关的共有关键基因。结论多发性硬化症和帕金森病的发病机制可能是通过补体

与凝血级联反应信号通路实现的，该信号通路上的差异基因可能有望成为自身免疫性疾病的潜在治疗靶点。关键词：多发性硬化症；帕金森病；补体和凝血级联信号通路；生物信息学中图分类号： 的18.74 文献标志码：A 文章编号：1277 -6611 (2719)79 - 1276 -75 DOn：17.15755/j. dwe 277 - 6611.2719. 79. 7HBioinformatict analysit of cemmon differeetiai genet in multipie sherasit and Parkinson' diseaseWANG Xinya1 , WANG HuPeng14 , BI/N Yuping1 , YANG LuPoxg1 * (1Depahment O Genetias, Colleee eO Life Sciences, Shanxi Nor­mt Universito, Lrifen 041904, China1Departmece O Neerolony, Meiical Cofepe, Universito O Alabama, BirTmugham ； ^CorresponCing

autooe - E-mait ■yl'hl919300@ 126. com)Abstract: Objectiee Tv screen out the genes related to multiple sclerosis and Parkirsox ' disease and their modcu/r mechanisms ofachox by bioinformahes for providing beneficiai exploratiox and basis for the modcu/r pathoaenesis of aptoimmune diseases. MetoonsMicroarray data of multiple sclerosis ( MS) GSE83970 and ParUinsox's disease ( PD) GSE22491 were downloabed from Gene Expres-

siou Omnibus( GEO) shared dawbase of the Nadoxai Center for BioWchnology Cformadox's ( NCB/. The diderexUady expressed genes were screened by R software and GEO2R. Thyunh DAVID ox/ne analysis wedsite and Cytoscape software, the bioloaicai func-

Vox enychmext analysis and signal pathway analysis of diderexUady expressed genes were carried out to screen the diderexUady ex­pressed genes of normai subjects and padexts with the two diseases and find out the commox key genes. Resuhs A total of 767 and 1 081 diderexUady expressed genes were screened from GSE83676 and GSE22491 yspechve/, and 36 diderexhallp expressed genes were in common. These genes were mainly coxcex/awd in the celt membrane and payicipawd in the bioloaicai processes such as medi­

ating immune yspoxse, and they were enyched in the complement and coapu/dox cascabe signaling pathways related to immune recu- /Vox. Three commox key genes related to multiple sclerosis and Parkinsox ' disease were Cl QB , PROS1 and C1QC.

ConclusionThe pathoaenesis of multiple sclerosis and Parkinsox's disease may be realized thyunh the complement and coapu/dox cascade signa­ling pathway , and the genes in this signaling pathway may be potexUai therapecUo taryets of aptoimmune diseases.Key worht: multiple sclerosis; Parkinsox's disease； complement and coapu/dox cascabes signal pathways； bioinformadcs自身免疫性疾病(antoimmudc disease, AI/ -是

指机体免疫系统中的免疫应答反应对自身抗原发生 作用,造成组织细胞破坏或损害的一类疾病,其病因 及其致病机制目前尚不完全清楚且仍未找到有效治

官,而后者则引起机体多系统、多器官的免疫反 应⑶o近几年，自身免疫性疾病已经引起人们的广

泛关注，其中多发性硬化症(multiple sclerosis ,MS)

的特征是中枢神经系统的病变,已有研究表明，该疾 病是由免疫系统异常引起的一种自身免疫性疾 病⑷。同时，W/oelxr等［5］的研究表明帕金森病

疗药物［H4］o通常可分为两大类：器官特异性自身 免疫性疾病和全身性自身免疫性疾病,其主要区别

在于前者引起的机体病变主要发生于某些特定器(Parkinson's disecsa, PD )可能是一种自身免疫性疾

基金项目：山西省高等学校大学生创新创业训练计划项目(2018235)作者简介：王馨雅，女，298 - 03 生，在读学士，E-mail：wxyl 10739 295@173, com 收稿日期：2017 - 04 -17山西医科大学学报，2019年9月，第50卷第9期病，帕金森病和自身免疫性疾病的表型之间有着共 同的遗传途径［］。故本文就多发性硬化症和帕金

森病两种自身免疫性疾病进行研究,从基因表达方 面探寻二者发病机制的相同点。自ScUexv等⑷从事基因芯片的研究以后，基因

芯片技术已经广泛应用于生物科学的诸多领域，其

发展和应用为探究疾病的发病机制创造了条件［］。 基因芯片技术又称微阵列(mPmauay )技术,即在固 相支持物上紧密放置诸多的DNA样本或寡聚核苷 酸,与模板进行杂交并获取图像，用计算机处理后获 得样本信息［］。由于基因芯片所具有高效稳定的

特性,因此用多发性硬化症和帕金森病相关的基因 芯片探究自身免疫性疾病的致病机制具有十分重要

的意义，为其后续的治疗和药物研发提供了理论基 础\"训。本研究采用生物信息学的方法筛选多发性硬化

症和帕金森病患者和正常人的差异表达基因，对其

有的差异基因进行生物学功能(GO)和信号通 路富集分析，从中找出多发性硬化症和帕金森病共

有的关键基因,为进一步探索自身免疫性疾病发病

的分子机制提供参考。1材料与方法O 1 芯片来源本实验采用的两组基因芯片数据GSE83677和

GSE22441均来源于美国国立生物技术信息中心 (National Centar Sas Biotechnompy Infownadou, NCBS)

的共享数据库 GEO ( https：//2^ww^ ncbl. nlm. nih.

hev/2ee/)。多发性硬化症GSE83677的芯片数据由 Pant Ray Heath 上传，登录号 GSM2212224 -

GSM2212227为4个多发性硬化症患者的白质星形

胶质细胞转录组的基因表达谱样本数据，登录号

GSM2917229 - GSM2212234为6个神经正常的人体

白质星形胶质细胞转录组基因表达谱样本数据。帕

金森病GSE22441的芯片数据由frede/clepPtra上 传,登录号GSM555677 - GSM555686为8个健康老

年人(对照组)外周血单核细胞的基因表达模式数 据,登录号GSM555687 - GSM555699为17个帕金 森病患者外周血单核细胞的基因表达模式数据。

04 数据处理下载多发性硬化症组织芯片数据GSE83677的

CEL数据压缩包和探针文件后，通过RStuUia软件

的affyPLM对芯片数据进行质量分析，以P < 4. 04

-1277 •和I kgFC I >1为标准筛选多发性硬化症患者和正 常人的差异表达基因。打开帕金森病GSE22441的 芯片数据，将帕金森病患者样本和正常老年人样本 分为两组，通过GEO2R在线分析工具获取帕金森

病患者和正常老年人的差异表达基因。最后，通过

Venny 2. 9 4 在线分析网站(http ：//2minfogh. cnb.

csio. es/took/venny/index, html)找出二者共同的差

异基因。9 3 基因本体论(GO)分析和信号通路(Pathwoy) 富集分析DAVID 数据库(https ：//david. ncifcrf. gav/)是

一个在线生物信息学网站，用于分析基因组数据集

并将收集到的数据赋予生物学意义。本文利用DA­

VID 在线分析工具，对筛选出来的共有差异基因进

行GO分析和信号通路富集分析［1)］，利用Cytoscaya 软件对GO功能富集的结果进行可视化分析。2结果2. 1差异基因结果通过对多发性硬化症组织芯片GSE83974和帕

金森病组织芯片GSE22491数据分析，分别筛选出

737个多发性硬化症和1 481个帕金森病中表达差

异明显的基因(见图1),有36个基因在这两种病中

均存在有明显的差异(见表0图2),分别为：

CTAGE4、C\\4orfl9、ASB9、PROS1、CCDC96、PLAA、 GP1BA、AG、C2of8、GABRP、ZNF84、EPB42、

GCM2、RAB13、CAAP1、DyNC2A/l、SGCE、PCOACE2、 CCPG11 TRMT61B、C1QC、NLK、GPR8、UHRFl、

DCBAD 1 I C1 QB、IRX3、GUCY1B3、DMXL2、THAP9 - AS1 I ANGPT2、FAM1 2A0、TMEM1 7、CA2、CAV1 和

PARM1。2.0 GO富集分析将得到的36个差异基因输入到DAVID在线分

析网站，通过对差异基因的生物过程(bmmnPP

process)、细胞成分 1 cellulxv componeni-和分子功能 (momcular function)的分析，发现差异基因参与了白

细胞移行、肽酶活性的正、凝血调节、纤维蛋白

溶解等生物过程;细胞成分分析显示差异基因主要 参与了质膜和血液微粒的组成;分子功能与肽酶的 激活有关(见表2)o利用Cytoscapa软件对差异基因GO功能富集

进行的可视化分析结果表明，颜色越深富集到该功 能上的差异基因越多，主要与5个功能关系程度最-1280 •Vocano plotJ Shanxi Med Uba, Sep 209, Vol 50 No 9Vocano plot4.96 -J 10 -3.97」(9nIEAd)表1帕金森病和多发性硬化症共有的36个差异基因Table 1 Results of 36 differentially expressed genes in Parkinson's diseyse and multiply sclerosis基因名称CTAGE5—必

00|

-4.13 -2.63 -1.14 0.36 1.86 3.35 4.85-6.1 -4.34 -2.58 -0.82 0.93 2.69 4.45log2 (Fold Change)log2 (Fold Change)B.帕金森病的差异基因火山图A.多发性硬化症的差异基因火山图图1多发性硬化症和帕金森病的差异基因火山图Figure 1 Valcano plot of diPem/Ua/y expressed gexos in mRNA expmssiox omfiling hataset of MS anb PD帕金森病的kgFC-1.562 0-9 097 5-9 052 0多发性硬化症的kgFC-9 107 1-9 344 4-9 014 8-9 003 2-9 543 6-9 032 6-9 362 5-9 107 6基因名称CCPG1帕金森病的kgFC-1.090 9-9 102 5-9 024 4-9 016 2多发性硬化症的kgFC-9 521 0-9 506 9C14oW77TRMT61BASB9C1QC9 425 7-9 365 2-9 006 8PROS1

CCDC106-2. 097 2-9 032 4-9 99 1-9 005 3-9 016 5-9 382 8-9 534 5-9 000 4NLKGPR79UHRF1DCBLD1C QB9 739 49 69 0-9 205 8-9 346 4PLAAGP1BA9 382 8-9 308 2UCGrC2ot8GABRP9 047 99 3110-9 134 8-9 076 6-9 433 69 002 2-9 022 5-9 158 8-9 104 5-9 008 7IRX3GUCY B39 908 1-9 198-9 210 3-9 96 7ZNF85EPB42DMXL2-4. 510 9-9 002 9-9 362 2-9 002 0-9 049 8-9 384 9THAP9 - AS1GCM2RAB13ANGPT2FAM10A22 105 8-9 072 4-9 046 3-9 0 0-9 036 6-9 092 99 083 7-9 523 8-9 313 12. 2 5-9 333 3CAAP1TMEM17CA2DYNC2LI1-97193-9 486 79 432 39 007 6-9 198SGCEPCOLCE2CAV1PARM1-2. 209 59 596 1大，即免疫球蛋白介导的免疫应答、B细胞介导的免 疫、淋巴细胞介导的免疫、基于免疫球蛋白超家族域

构建的免疫受体体细胞重组的适应性免疫应答和适 应性免疫反应(见图3)o2.3信号通路富集分析多发性硬化症帕金森病图2两类疾病共有基因分析的Venny图Figure 2 Veony hiagram of commox gexo analysis for botU通过DAVIP在线分析网站对36个差异基因进

行信号通路富集分析。结果显示，符合P <0.05的 信号通路只有一条，即补体和凝血级联信号通路

hiseasos(has/4614 :补体和凝血级联)(P=0. 007),富集在山西医科大学学报，202年7月，第5。卷第7期表2差异基因的富集分析Table 2 Enrichment analysit of dinerent geret-281 -类型GO ID基因功能GO：0050900 白细胞迁移(dukocyte migradox)GO：00 2952 肽酶活性的正(positive regu/tiou of peptidase activity)GO：003023 凝血调节(yyudUox of blooU coapu/dox)GO：0042760 纤维蛋白溶解（fidyno/sis（GO ［。。。厶886 质膜(plasma membrane -数量3222

P0.0170. 0220. 029生物过程生物过程生物过程生物过程细胞成分细胞成分000360.0130. 027Io32

GO：0072562 血液微粒(b/od micygayicle-GO：002504 肽酶激活(peptidase activator activity)分子功能0.017免疫球蛋白介导的免疫应答B细胞介导的免疫基于免疫球蛋白超家族域构建的免疫 受体体细胞重组的适应性免疫应答淋巴细胞介导的免疫一免疫反应免疫效应的过程适应性免疫反应刺激反应白细胞介导的免疫免疫系统的过程 /生物过程图3 GO功能富集的可视化分析Figure 3 Visual analysis of GO functiouat enychmext这条通路上的差异基因包括CQB、PROS1和C1QC （见表3） o因主要参与了免疫球蛋白介导的体液免疫应答过

程。现有研究表明，免疫球蛋白、B细胞、淋巴细胞 介导的免疫调节机制是自身反应性细胞免疫的关键

表3差异表达基因所涉及的信号通路Table 3 DiPerentialla expresser genre involved in the sig

naling patiway序列号

机制之一，与固有免疫应答和适应性免疫应答的相 互作用有关，在炎症反应和自身免疫性疾病中发挥

名称 数量 P 基因重要作用：13-16ohsah4610 补体和凝血级联 3 0.007 C QB , PROS1 , C QCPathwp信号通路富集结果为补体和凝血级联

信号通路（hsaP462：补体和凝血级联）。补体系统

3讨论自身免疫性疾病的发病机制十分复杂,且发病

人数呈逐年上升趋势，之前已有对于遗传、环境和免 疫等方面的相关研究，但尚且没有特异性的生物标 记和筛查诊断方法口2] o在本次研究中，我们借助了

是先天免疫的主要系统，凝血系统在止血功能中起

到主要作用，补体和凝血级联信号通路与血液介导 的炎症反应具有一定的关系：17^12o分析富集于该 信号通路上的差异基因发现41QB和C1QC基因编 码的蛋白质均为补体C 1 q的亚成分,而补体C 1 q参

与自身免疫和炎症反应等过程,补体级联的第一步 就是补体Clq与抗体的结合[⑼，Clq在自身免疫性

生物信息学的手段分析筛选出帕金森病和多发性硬

化症共有的差异表达基因,得到了 39个差异表达显 著的基因。为了探讨这些差异基因潜在的作用机 制，我们通过DAVID在线生物学分析网站对这36 个基因进行了 GO和Pathway功能富集分析。疾病如红斑狼疮、类风湿性关节炎等发病机制的研 究上具有重要的临床价值：22-24o pros）基因通过

与酪氨酸激酶等受体相互作用共同TAM信号 通路,在炎症的消除过程中发挥着至关重要的作 用；PROS1基因突变导致S蛋白缺乏曲，而S蛋

GO富集分析和可视化结果显示，这些差异基

-(272 -白能够激活凝血级联通路「26],调节基因转录和炎症

细胞因子的表达卩5],其抗凝功能能够对类风湿关节

炎这种自身免疫性疾病的治疗产生积极作用。同 时,PROS(基因还是与甲状腺病变相关的7个关键

基因之」2] o综上所述，我们推测，自身免疫病的发病机制可

能通过补体和凝血级联反应信号通路实现，该信号 通路上的差异基因：Cl QB、C(QC和PROS)通过对 补体和凝血级联信号通路的影响,可能在帕金森病

和多发性硬化症等自身免疫性疾病中起到关键作

用,有望成为自身免疫性疾病的潜在治疗靶点。参考文献：[(]卓玛，李长山.自身免疫和自身免疫性疾病的研究进展[J]-

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