動脈粥樣硬化易感基因挖掘與生物信息學分析

王文棟 常曉彤 杜華陽 (河北北方學院醫學檢驗學院生物化學教研室，河北 張家口 075000)

動脈粥樣硬化易感基因挖掘與生物信息學分析

王文棟 常曉彤 杜華陽1(河北北方學院醫學檢驗學院生物化學教研室，河北 張家口 075000)

目的挖掘動脈粥樣硬化(AS)易感基因，為尋找AS正確的診斷和治療方法提供線索和數據支撐。方法從PubMed、OMIM和GEO數據庫檢索AS相關數據，利用SMD在線工具對AS易感基因進行染色體定位，并通過DAVID和STRING10.0軟件進行基因功能注釋和蛋白互作分析。結果共獲得AS易感基因454個，其染色體定位分布不均勻，以1、11、2和4號分布較多，Y染色體多于X染色體上的分布；AS易感基因富集在24個生物學功能注釋單元中，其中44個編碼蛋白存在互作關系，涉及多種生物學過程和分子功能。結論AS易感基因的控掘與生物信息分析為AS的分子水平機制研究提供了數據平臺，為多基因復雜疾病的基因挖掘提供了有效方法。

動脈粥樣硬化；易感基因；染色體定位；富集分析；蛋白質互作網絡

動脈粥樣硬化(AS)也被稱為動脈硬化性血管病(ASVD)，包括脂質代謝紊亂、血管內皮細胞受損、炎性細胞浸潤、斑塊破裂和血栓形成等慢性病理過程，是眾多心腦血管疾病共同的病理基礎〔1～5〕。AS患病早期無明顯癥狀，患者察覺時多因發現其他心腦血管并發癥，例如，腦卒中、心臟病等〔4〕。誘發AS的風險因素較多〔5〕，如糖尿病、血脂異常、吸煙、肥胖、維生素B缺乏、PM2.5空氣污染等〔6～8〕。研究表明男性AS發病率明顯高于女性，且男性發病年齡集中在40～50歲，女性發病年齡則集中在50～70歲〔9〕。AS是由遺傳與環境因素共同作用的多基因病，其病理過程復雜，分子水平機制尚不明確。近30年來，人類基因組計劃的完成、高通量芯片技術的誕生、生命科學和生物信息學領域的不斷更新與完善使人們在分子水平積累了大量的實驗數據和研究成果。2000年7月，美國國立生物技術信息中心NCBI首次發布了GEO數據庫，它儲存了大量的基因表達、分子豐度信息，可上傳和儲存高通量生物芯片實驗數據，是目前最重要的對基因表達數據進行瀏覽、查詢和檢索的在線資源〔10〕。目前權威的人類孟德爾遺傳在線數據庫是持續更新的關于人類基因和遺傳紊亂疾病的數據庫，為多基因復雜疾病的研究提供了數據支持〔11〕。miRNA水平的基因治療是探索治療AS的新途徑，但目前主要處于動物試驗階段〔12〕。本研究擬挖掘AS易感基因、在系統和生物組學水平研究其功能及在疾病發生中的作用。

1 材料與方法

1.1數據來源 AS易感基因主要從PubMed、OMIM、GEO數據庫中進行檢索和挖掘。以“Atherosclerosis AND human”為檢索詞在PubMed數據庫進行檢索，獲得與AS相關的文獻共計86 364條，其中涉及AS相關基因共計209個；利用OMIM數據庫進行檢索與挖掘，共獲得212條AS相關記錄，挖掘到189個AS相關基因，并根據OMIM號在NCBI上檢索到AS相關基因的Gene ID；在GEO DataSets中以“Atherosclerosis AND human〔organism〕”檢索人類有關的AS微陣列實驗數據，從GDS5083數據集中下載研究項目編號為GSE43292的芯片數據作為研究對象，利用NCBI提供的“up/down gene”篩選工具，獲得與AS相關的差異表達基因69個。

1.2方法 根據AS易感基因一一對應的Gene ID，利用在線分析工具Stanford Microarray Database〔13〕，對AS易感基因進行染色體定位，并作圖統計分析。利用DAVID數據庫〔14〕采用全新的模糊聚類算法，將AS易感基因列表關聯到生物學注釋上，進而從統計層面，在數千個關聯注釋中，找出最顯著富集的生物學功能注釋，功能相關的基因聚到一個單元，在生物學網絡水平研究這些基因群。由于功能相似的基因其編碼的蛋白通常存在互作關系，所以利用STRING10.0在線分析工具〔15〕將AS易感基因富集結果所得基因編碼蛋白進行互作網絡分析。

2 結 果

2.1AS易感基因的挖掘 從PubMed、OMIM、GEO數據庫對AS易感基因進行挖掘，經過篩選、統計和匯總，共得到AS易感基因454個。見表1。

2.2AS易感基因的染色體定位 454個AS易感基因染色體定位結果顯示見圖1，AS易感基因在染色體上的分布較廣，但不均勻，其中1號染色體上分布最多，其次為11、2、4號染色體，除此之外，AS易感基因在性染色體上也有分布，在Y染色體上分布的易感基因有RPS4Y1、UTY、KDM5D、USP9Y、DDX3Y、EIF1AY和TXLNGY，而X染色體上分布的易感基因有IL13RA2、TMEM255A和RPS26P11。

表1 AS易感基因

續表1 AS易感基因

2.3AS易感基因的富集分析 利用DAVID在線分析工具將AS易感基因關聯到24個注釋單元中，Cluster#1 26個包括LPL、GALNT2、HNF1A、LDLR、FADS1、APOC1、FADS3、FADS2、ABCA1、APOA4、ABCG8、APOB、GCKR、APOA1、APOE、LCAT、APOC3、APOA5、LIPG、PCSK9、SORT1、CETP、LIPC、ANGPTL3、PLTP、ANGPTL4；Cluster#2 17個：GALNT2、LPL、LDLR、APOC1、ABCA1、APOA4、APOB、GCKR、APOA1、APOE、LCAT、APOA5、APOC3、LIPG、SORT1、PCSK9、CETP；Cluster#3 18個：GALNT2、LPL、LDLR、APOC1、DOCK7、ABCA1、APOA4、APOB、GCKR、APOA1、APOE、APOA5、APOC3、LIPG、PCSK9、SORT1、CETP、ANGPTL3；Cluster#4 19個：LPL、LDLR、FADS3、FADS2、DOCK7、ABCA1、APOA4、APOB、GCKR、ABCG5、APOA1、APOE、APOC3、APOA5、LIPG、CETP、LIPC、ANGPTL3、LIPC；Cluster#5 14個：LPL、LDLR、FADS1、CRP、FADS2、G6PC2、APOB、GCKR、LCAT、MTNR1B、SORT1、CETP、LIPC、NR1H3；Cluster#6 5個：SLC2A9、GCKR、APOA1、APOA5、APOC3；Cluster#7 4個：ATHS、ESR1、ALOX5、SELE；Cluster#8 4個：NUMB、ABI2、LRRC18、DNAH5；Cluster#9 4個：LPA、KL、PON1、IRS1；Cluster#10 4個：APOA4、APOA1、APOA5、APOC3；Cluster#11 4個：GCKR、HNF1A、APOE、CRP；Cluster#12 3個：ICAM1、CD36、TNF；Cluster#13 3個：LPL、GCKR、CETP；Cluster#14 3個：WDFY4、TNFAIP3、ITGAM；Cluster#15 4個：ACE、TNFSF4、OLR1、ESR1；Cluster#16 4個：HLA-DRB1、HLA-DRB4、CD40、TNFAIP3；Cluster#17 4個：PPARG、CDKN2B、VEGFA、CDKN2A；Cluster#18 2個：LMNA、PPARG；Cluster#19 2個：ABCG8、ABCG5；Cluster#20 2個：TNFRSF11B、LRP5；Cluster#21 2個：CDKN2A、CDKN2B；Cluster#22 2個：ICAM1、ABO；Cluster#23 3個：HMOX1、SERPINA1、FGB；Cluster#24 2個FGB、FGA。主要涉及血脂異常位點、冠狀動脈疾病風險位點、心血管疾病標記基因位點和主動脈粥樣硬化易感基因位點等。此外，發現有少數AS易感基因是一些非心腦血管疾病的關聯基因，例如：WDFY4、TNFAIP3、ITGAM與紅斑狼瘡有關；HLA-DRB1、HLA-DRB4、CD40、TNFAIP3與風濕性關節炎有關；TNFRSF11B、LRP5與骨質疏松有關；HMOX1、SERPINA1、FGB與慢性肺炎相關。

圖1 AS易感基因的染色體定位

2.4AS富集基因編碼蛋白的互作關系 利用STRING10.0在線分析工具發現AS富集基因中有44個基因編碼的蛋白存在互作關系見圖2，其中APOC1、ABCG5、ABCG8、APOA4、APOC3、APOE、PCSK9、APOA1、CETP、LDLR、LPL、APOB、LPA、LCAT、ANGPTL3、LIPG、ABCA1、APOA5、NR1H3、PON1和PLTP蛋白與其他≥5個蛋白存在相互關系，為此蛋白互作網絡的中心節點，刪除這些節點蛋白后，網絡結構渙散。其中APOC1、APOC3；APOA1、APOA4、APOA5；APOB、APOE屬于載脂蛋白家族，與脂代謝疾病、高血壓、慢性心臟病等密切相關，且APOC1、APOC3、APOE與老年癡呆認知能力下降有關；ABCG5、ABCG8和ABC屬于跨膜轉運蛋白G家族；ABCA1基因與膽固醇逆轉運和高密度脂蛋白生成有關，具有抗AS的作用；PCSK9、CETP、LDLR、LIPG、LPA和LPL調節血漿膽固醇的代謝；ANGPTL3屬于血管生成素樣蛋白家族，能抑制脂蛋白酶活性從而調節脂蛋白代謝；PON1可以保護低密度脂蛋白，對抗AS形成；PLTP 為磷脂轉運蛋白參與高密度脂蛋白的轉運與修飾，調控脂蛋白代謝；NR1H3為核受體基因，但功能尚不明確。

圖2 富集基因的蛋白-蛋白相互作用

3 討 論

AS病理過程復雜，常伴有其他心腦血管并發癥，受遺傳和環境的共同影響，但其涉及致病基因較多，分子水平機制尚不明確，通過生物信息學方法盡可能全面地挖掘到AS易感基因共計454個，為AS發病機制的研究提供了數據平臺，富集分析獲得的基因可以找到44個互作蛋白，將成為后續研究的重要突破。染色體定位顯示，Y上的易感基因明顯多于X染色體上的易感基因，鎖定這些易感基因有助于解釋男女AS發病率及發病年齡的差別。了解AS易感基因在染色體上的定位，有助于進一步進行連鎖分析，尋找更多相關基因，確定分子水平作用機制。另外，這種生物信息學方法可用于其他多基因復雜疾病易感基因的挖掘工作中，為復雜疾病的診斷和治療提供線索和數據支撐。

1Ross R.Atherosclerosis-an inflammatory disease〔J〕.New Engl J Med,1999;340(2):115-26.

2王 蕾.動脈粥樣硬化治療研究新進展〔J〕.現代醫藥衛生,2013;29(20):3085-8.

3Wang-michelitsch J,Michelitsch T.Misrepair mechanism in the development of atherosclerotic plaques〔J〕.Bibcode,2015;8:49-59.

4Ross R.The pathogenesis of atherosclerosis:a perspective for the 1990s〔J〕.Nature,1993;362(6423):801-9.

5Blankenhorn DH,Hodis HN.Atherosclerosis--reversal with therapy〔J〕.Western J Med,1993;159(2):172-9.

6Mitchel RS,Kumar V,Abbas AK,etal.Robbins basic pathology:with student consult online access〔M〕.8th ed.Philadelphia:Saunders,2007:156-245.

7Gruberg ER,Raymond SA.Beyond cholesterol:vitamin B6,arteriosclerosis and your heart〔M〕.New York:St.Martin's Press,1981:200-65.

8Provost EB,Madhloum N,Int PL,etal.Carotid intima-media thickness,a marker of subclinical atherosclerosis,and particulate air pollution exposure:the meta-analytical evidence〔J〕.PLoS One,2015;10(5):e0127014.

9Flora G,Baker AB,Loewenson RB,etal.A comparative study of cerebral atherosclerosis in males and females〔J〕.Circulation,1968;38:859-69.

10Barrett T,Wilhite SE,Ledoux P,etal.NCBI GEO:archive for functional genomics data sets-update 〔J〕.Nucleic Acids Res,2013;41:D991-5.

11Mckusick VA.Mendelian inheritance in man:a catalog of human genes and genetic disorders baltimore〔M〕.12th ed.Baltimore,Maryland:Johns Hopkins University Press,1998：201-305.

12Rayner KJ,Sheedy FJ,Esau CC,etal.Antagonism of miR-33 in mice promotes reverse cholesterol transport and regression of atherosclerosis〔J〕.J Clin Invest,2011;121:2921-31.

13Demeter J,Beauheim C,Gollub J,etal.The stanford microarray database:implementation of new analysis tools and open source release of software〔J〕.Nucleic Acids Res,2007;35:D766-70.

14Jiao X,Sherman BT,Stephens R,etal.DAVID-WS:a stateful web service to facilitate gene/protein list analysis〔J〕.Bioinformatics,2012;28(13):1805-6.

15Szklarczyk D,Franceschini A.STRING v10:protein-protein interaction networks,integrated over the tree of life〔J〕.Nucleic Acids Res,2015;43:D447-52.

R34

A

1005-9202(2017)24-6071-05；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.24.028

1 河北北方學院基礎醫學院醫學影像學系

常曉彤(1968-)，女，教授，碩士，碩士生導師，主要從事脂代謝相關疾病的分子機制及臨床應用的研究。

王文棟(1985-)，女，講師，碩士，主要從事動脈粥樣硬化易感基因的功能研究。

〔2016-11-17修回〕

(編輯 苑云杰/杜 娟)