基于組織特異性基因的藥物新用途研究

1、基于組織特異性基因的藥物新用途研究隨著后基因組時(shí)代的到來 , 高通量生物技術(shù)的不斷完善以及生物信息學(xué)的發(fā) 展,傳統(tǒng)的生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究單個(gè)基因或蛋白的方法已經(jīng)不再適用 , 取 而代之的是將整個(gè)系統(tǒng)作為研究對象的系統(tǒng)生物學(xué)方法。 隨著基因組學(xué)、 蛋白質(zhì) 組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、相互作用組學(xué)、疾病組學(xué)研究以及藥物組學(xué)的深入開展 , 產(chǎn)生 了海量的生物學(xué)數(shù)據(jù)。豐富的數(shù)據(jù)信息為全面理解生物學(xué)本質(zhì)提供了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。 只有進(jìn)行整合研 究才能反映出生物系統(tǒng)的真實(shí)性。具有相同遺傳信息的同一個(gè)體的體細(xì)胞其所利用的基因并不相同 , 有的基因 是維持細(xì)胞基本代謝所必須的 , 而有的基因則在一些分化細(xì)胞中活動(dòng) , 這正

2、是細(xì) 胞分化、生物發(fā)育的基礎(chǔ)。 而組織特異性基因是在不同的細(xì)胞類型中進(jìn)行特異性 表達(dá)的基因 , 其產(chǎn)物賦予各種類型細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及生理功能。這些基因的表達(dá)與否 , 決定了生命歷程中細(xì)胞的發(fā)育、分化、細(xì)胞周期的調(diào) 控、體內(nèi)平衡、細(xì)胞衰老、甚至于程序化死亡。近期有研究報(bào)道 , 結(jié)合組織特異 性、基因的關(guān)聯(lián)性以及疾病的相關(guān)性的分析結(jié)果顯示 , 疾?。ǚ前┌Y）相關(guān)的基因 通常在疾病發(fā)生的組織中表現(xiàn)出組織特異性。此外, 已有許多研究將組織特異性作為診斷標(biāo)記物以及藥物靶點(diǎn)的一個(gè)基本 特征。在組織工程、基因工程、再生醫(yī)學(xué)等方面 , 組織特異性以及組織特異性基 因的研究正深入開展。目前對人類正常組織的組

3、織特異性基因篩選工作已有許多的報(bào)道 , 并構(gòu)建了 許多相關(guān)的數(shù)據(jù)庫,例如BioGPS, TiGER, COXPRESd以及TiSGeD等。這些人類 組織特異性基因數(shù)據(jù)庫收錄了許多種組織中特異性表達(dá)的基因。但是這些研究大都只關(guān)注組織特異性基因的表達(dá)分布 , 而忽略了包括生物學(xué) 通路在內(nèi)的一系列生物學(xué)特性。如能將這些基因與其所屬功能 , 表達(dá)產(chǎn)物的亞細(xì) 胞定位,相關(guān)的疾病 ,以及其靶向藥物信息結(jié)合起來 ,組合一個(gè)多因素網(wǎng)絡(luò)模型并 構(gòu)建綜合性的數(shù)據(jù)集 , 從系統(tǒng)生物學(xué)角度進(jìn)行分析 ,必將能充分挖掘其中有用的 生物學(xué)價(jià)值 , 產(chǎn)生有價(jià)值的生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)假說 , 為實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)與幫助。本研究通過對近

4、 130 種人類正常組織表達(dá)譜芯片的分析 ,篩選得到組織特異 性基因 , 同時(shí)系統(tǒng)整合包括亞細(xì)胞定位 ,Gene Ontology 的細(xì)胞組分、分子功能、 生物學(xué)過程注釋 ,生物學(xué)通路 ,哺乳動(dòng)物 （小鼠）表型,相關(guān)疾病以及靶向藥物在內(nèi) 的生物學(xué)信息。這使得本研究構(gòu)建的數(shù)據(jù)集既可以作為一個(gè)組織特異性基因的查 詢工具,又可以充當(dāng)一個(gè)分析平臺(tái) ,對于一個(gè)未知的基因集進(jìn)行分析 , 挖掘有價(jià)值 的信息。組織特異性基因的篩選涉及到一個(gè)多重比較問題 , 即要判定一個(gè)基因是否具 有組織特異性 , 要對這個(gè)基因在多種組織中的表達(dá)值進(jìn)行比較。對于組織特異性 基因進(jìn)行篩選的表達(dá)譜芯片數(shù)據(jù)盡管已有不少 , 但是因?yàn)?/p>

5、這些芯片數(shù)據(jù)的組織種 類較少,同時(shí)樣本量偏低 , 因此無法保證篩選得到的組織特異性基因的特異性。2004年Novartis研究中心的Andrew Su課題組對79種人類組織（其中正常 組織73種）的mRN表達(dá)的組織特異性進(jìn)行了芯片分析。2006年Wyeth制藥集團(tuán) 生物信息研究中心的 Shuang Liang 等人利用 Affymetrix 表達(dá)譜芯片對 97 種人 類正常組織進(jìn)行了組織特異性基因的篩選。本研究整合了這兩組芯片數(shù)據(jù) ,使得總樣本量超過 4000例,組織類型達(dá) 130 多種（去除冗余后）, 以期通過大樣本量以及全面的組織類型保證篩選得到基因的 組織特異性。使用自主開發(fā)的 R語言腳

6、本進(jìn)行組織特異性基因的篩選分析。針對同一基因在不同組織中特異性的比較 , 以及不同基因在同一組織中特異 性的比較這兩個(gè)問題,計(jì)算特異性指數(shù)T。Affymetrix 芯片的探針通過在線工具 轉(zhuǎn)化為 EntrezGene ID 。組織名稱根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的解剖學(xué)定義進(jìn)行統(tǒng)一 ,對于兩組芯片數(shù)據(jù)中冗余的記錄 取其T值的平均值。結(jié)果顯示通過R語言程序篩選得到了 3,960種組織特異性基 因, 共覆蓋 127 種人類正常組織與細(xì)胞類型。平均每一個(gè)組織特異性基因在 2 種組織中特異性表達(dá)。對篩選得到的這3,960 個(gè)組織特異性基因 , 通過可靠的數(shù)據(jù)源進(jìn)行亞細(xì)胞定位、基因本體、生物 學(xué)通路、哺乳動(dòng)物表型、相關(guān)疾病

7、以及靶向藥物等六個(gè)方面的注釋?；?疾病關(guān)系通過整合以下三部分?jǐn)?shù)據(jù)：通過自主開發(fā)的文獻(xiàn)挖掘程序?qū)CIBI 的 Gene2MeS數(shù)據(jù)庫調(diào)取與整理的結(jié)果 Comparative Toxicogenomics Database中Gene-OMIM關(guān)聯(lián)信息，以及瑞典Swiss-Prot數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)-疾病關(guān)系 數(shù)據(jù)集。組織特異性基因表達(dá)產(chǎn)物的亞細(xì)胞定位數(shù)據(jù)收集自LOCAT數(shù)據(jù)庫。同時(shí)以 Gene Ontology 注釋中的 Cellular component 為補(bǔ)充。另收集 GO 注解中的 Molecular function 與 Biological process 作為功能的注釋。生物學(xué)通路數(shù)據(jù)

8、包括了 KEGG勺通路信息和Reactome的相互作用數(shù)據(jù)。哺乳 動(dòng)物表型數(shù)據(jù)選自 Mouse Genome Informatics 數(shù)據(jù)庫。靶向藥物信息來自于 Drugbank 數(shù)據(jù)庫的 Drugcard 數(shù)據(jù)集。對注釋結(jié)果統(tǒng)計(jì) 顯示, 一共收集到基因 -疾病關(guān)系記錄 5,684 條,基因-藥物關(guān)系 2,148 條, 另有 GeneOntology 注釋 40,058 條, 亞細(xì)胞定位信息 3,687 條, 生物學(xué)通路注釋 6,359 條以及哺乳動(dòng)物表型注釋 32,397 條。結(jié)合其特異性表達(dá)組織信息 , 這 3,960 個(gè)組織特異性基因得到了全面詳實(shí)的 功能注釋 , 亦為生物學(xué)關(guān)系的挖掘與

9、假說的提出奠定了基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的基本查詢 功能基于MySQ的query語句，界面為MySQ的phpMy Admin,輸出結(jié)果通過 PHP 以及 javascript 語言進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與整理。其中通過 javascript 來完成富集分析中 Fisher Exact Test 的 p 值計(jì)算以及多重比較中Benjamini-Hochberg correction 的p值校正?？梢酝ㄟ^簡單的 SQL語句分別查詢組織特異性基因的各方面注釋信息以及所收錄的組織/細(xì)胞中的各組織特異性基因。而利用SQL批量查詢功能，可以對一個(gè)基因集中組織特異性基因進(jìn)行分選， 并對其相關(guān)的組織特異性、 亞細(xì)胞定位、生物學(xué)通路、哺

10、乳動(dòng)物表型、相關(guān)疾病、 靶向藥物等生物學(xué)特性進(jìn)行富集分析。通過本數(shù)據(jù)庫的MySQQuery批量分析基 因集可揭示出其中的生物學(xué)聯(lián)系并得出一些有意義的假說。同時(shí), 根據(jù)不同需要整合不同限制性條件的查詢語句可以對同時(shí)滿足多個(gè)特性的組織特異性基因進(jìn)行篩選。類似“在血液中特異性表達(dá)的 ,與急性髓細(xì)胞性 白血病相關(guān)的 , 同細(xì)胞凋亡相關(guān)的膜蛋白”的查詢對于藥物靶點(diǎn)以及診斷標(biāo)記物 的發(fā)現(xiàn)具有重要意義。本研究通過對牙周炎 (Periodontitis) 進(jìn)行疾病組織特異性基因的檢索 , 得 到8個(gè)組織特異性基因。對這 8個(gè)基因進(jìn)行疾病類型富集分析 ,結(jié)果顯示其中有 IL1B, IL1RN, IL6, FCG

11、R2A, FCGR3B 5 個(gè)與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎 (Arthritis, Rheumatoid)亦有關(guān)聯(lián)(p<0.050)。對 5個(gè)共同的組織特異性基因進(jìn)行組織富集分析 , 結(jié)果顯示這 5個(gè)基因主要富集在與免疫相關(guān)的組織中(p<0.050),女口 Blood、Bone marrow、PB-CD56-positive NK cells 、 Thyroid gland 等。這與牙周炎與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié) 炎都是與免疫相關(guān)疾病的事實(shí)相符。本研究對 5 個(gè)共同的組織特異性基因進(jìn)行生物學(xué)通路富集分析 , 結(jié)果顯示這 5 個(gè)組織特異性基因富集在 17 條通路中 (p<0.050), 其中包括 C

12、ytokine-cytokine receptor interaction、 Toll-like receptor signalingpathway、 Natural killer cell mediated cytotoxicity等通路 , 這與前人報(bào)道基本一致。另有研究顯示 , 接受牙周炎非手術(shù)治療患者的類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎癥狀有 明顯的減輕 , 而接受 anti-TNF-a therapy 的類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者其牙周炎的癥狀 亦有明顯的減輕。本研究對 5 個(gè)共同的組織特異性基因進(jìn)行靶向藥物富集分析 , 結(jié)果顯示共有22種靶向藥物,包括TNF扌抑制劑,如靶向FCGR2和FCGR3基因的Adal

13、imumab、Etanercept等(p<0.050)。綜上,本研究通過以組織特異性基因?yàn)闃蛄?聯(lián)系 疾病、藥物關(guān)系的方法,證實(shí)了 Adalimumab與Etanercept這兩種藥物對于牙周 炎與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的癥狀都有緩解作用。子宮內(nèi)膜異位癥 (Endometriosis) 是臨床常見婦科疾病 , 而免疫系統(tǒng)的異常 可能是引起并促使子宮內(nèi)膜異位癥發(fā)生發(fā)展的重要因素之一。 對辛伐他汀靶向組 織特異性基因的特異性組織分析結(jié)果顯示 , 這些基因主要富集在免疫相關(guān)的組織 中。辛伐他汀靶向MMP9IL6、CCL2這3個(gè)子宮內(nèi)膜異位癥相關(guān)組織特異性基因(p<0.00001), 其的 GOB

14、iological Process 注釋富集分析顯示 , 這 3 個(gè)基因同 humoral immune response 、 inflammatory response 、 cytokine-mediated signaling pathway 等免疫過程密切相關(guān) (p<0.050), 與文獻(xiàn)報(bào)道基本一致。這顯示辛伐他汀通過對 MMP9IL6、CCL2的靶向作用可以干預(yù)到子宮內(nèi)膜異位癥 相關(guān)免疫學(xué)過程2009年 Antoni J. Duleba 等人的研究報(bào)道顯示 , 在裸鼠模型上辛伐他汀表 現(xiàn)出了防止子宮內(nèi)膜異位癥發(fā)生的保護(hù)作用。這與本研究所作的預(yù)測相吻合。因此可以合理推斷 , 辛伐

15、他汀可以作為防治子宮內(nèi)膜異位癥的候選藥物進(jìn)行 進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)。 通過以上兩個(gè)例子說明本研究構(gòu)建的組織特異性基因數(shù)據(jù)庫 為探索藥物新用途提供一定的指導(dǎo) , 具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。亦說明本數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建對于充分利用組織特異性基因的重要生物學(xué)特性并 得到新的生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)具有重要意義。 同時(shí), 本研究通過蛋白 -蛋白相互作用以及 GO富集分析方法,預(yù)測了辛伐他汀對于一型短 QT綜合癥的療效,初步推導(dǎo)出辛伐 他汀可能通過間接影響離子轉(zhuǎn)運(yùn)平衡來實(shí)現(xiàn)對一型短 QT綜合癥治療的機(jī)制，為 后續(xù)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了依據(jù)。綜上, 本研究通過整合多個(gè)可靠的數(shù)據(jù)集中關(guān)于組織特異性基因注釋信息 , 構(gòu)建了一個(gè)分析平臺(tái)。通過自組 SQL語句,可從復(fù)雜的關(guān)系模型中利用基因與組 織、亞細(xì)胞定位、藥物的關(guān)系篩選藥物靶點(diǎn)以及診斷標(biāo)記物 , 亦可以進(jìn)行多個(gè)基 因在某些生物學(xué)通路、疾病方面的富集分析。最重要的是,可以根據(jù)以組織特異性基因?yàn)槊浇榈纳飳W(xué)關(guān)系產(chǎn)生許多關(guān)于 發(fā)病機(jī)理、診斷、預(yù)后以及治療研究的假說