基于生物網(wǎng)絡(luò)的大鼠再生肝細(xì)胞基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)分析.pdf

1、哺乳動物肝臟具有極強(qiáng)的再生能力,部分肝切除(partial hepatectomy,PH)后肝臟在一定時期內(nèi)恢復(fù)原來質(zhì)量和功能的過程,稱為肝再生(liver regeneration,LR)。肝功能異?？蓪?dǎo)致各種肝臟疾病,對患病肝臟進(jìn)行肝切除或活體肝移植后,患者的預(yù)后與肝再生能力密切相關(guān)。因此,揭示肝再生的分子調(diào)控機(jī)制是目前生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。
　　多種類型的肝臟細(xì)胞參與了肝再生,其中最主要的是肝細(xì)胞。肝細(xì)胞(hepa

2、tocyte)為終末分化細(xì)胞,正常生理條件下絕大多數(shù)處于靜息狀態(tài),人或嚙齒類動物在部分肝切除后,殘肝細(xì)胞立即啟動有絲分裂,進(jìn)行細(xì)胞增殖,在一定時期內(nèi)肝臟基本恢復(fù)到原來的質(zhì)量和機(jī)能。雖然對肝再生的研究已有近百年的歷史,但在肝再生中肝細(xì)胞增殖的啟動、進(jìn)展和終止的調(diào)控機(jī)理仍有不少熱點問題尚待解決。
　　本文從再生肝的肝細(xì)胞基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)出發(fā),運用生物網(wǎng)絡(luò)分析方法,在時間序列基因表達(dá)譜的聚類、基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析和蛋白互作網(wǎng)絡(luò)分析等方面進(jìn)行

3、系統(tǒng)研究,為挖掘肝再生的調(diào)控機(jī)理提供理論依據(jù)。
　　本文的主要貢獻(xiàn)包括:
　　(1)利用大鼠2/3部分肝切除模型,分離出大鼠肝再生過程中不同時間節(jié)點的肝細(xì)胞,用Rat Genome2302.0基因芯片檢測部分肝切除和假手術(shù)后0、2、6、12、24、30、36、72、120、168h共10個時間點的肝細(xì)胞基因表達(dá)變化,獲得了完整的再生肝的肝細(xì)胞基因表達(dá)譜數(shù)據(jù),NCBI GEO: GSE55434。
　　(2)針對再生肝的

4、肝細(xì)胞基因表達(dá)譜的時間序列特性蘊含的基因表達(dá)相關(guān)性、延遲性和反向性等多種調(diào)控關(guān)系,本文提出一種刻畫多種相關(guān)性的基因表達(dá)譜相似度度量模型,并將其應(yīng)用到近鄰傳播聚類算法對肝細(xì)胞基因表達(dá)譜進(jìn)行聚類分析,能將功能上相關(guān)但表達(dá)上不同步的基因聚為一類,更有助于挖掘基因聚類富集的生物通路。
　　(3)肝再生是一種條件特異性的生物學(xué)過程,為挖掘與肝再生密切相關(guān)的基因模塊,本文利用正常肝細(xì)胞和再生肝細(xì)胞的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù),分別構(gòu)建它們的基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)

5、,對兩種條件下的肝細(xì)胞基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模塊劃分,從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和生物信息兩方面進(jìn)行模塊比對分析,識別出12個與肝再生相關(guān)的基因模塊。通過生物通路富集分析,發(fā)現(xiàn)上調(diào)的MCM5可能促進(jìn)肝細(xì)胞增殖,BCL3通過激活/抑制NF-κB信號通路在肝再生中起重要作用,MAPK9在肝細(xì)胞增殖階段通過抑制p38 MAPK活性在DNA復(fù)制中扮演重要角色。另外,發(fā)現(xiàn)IL6R-＞STAT信號通路、Adipocytokine信號通路、Notch通路、FGFR1信號

6、通路在肝再生中都扮演關(guān)鍵角色。
　　(4)建立蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò),揭示關(guān)鍵蛋白之間的相互作用關(guān)系,是組學(xué)數(shù)據(jù)分析的一個有力工具。本文挑選在肝再生中發(fā)生顯著表達(dá)上調(diào)和表達(dá)下調(diào)的基因,搜索它們的編碼蛋白,利用Pathway Studio軟件構(gòu)建再生肝的肝細(xì)胞蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò),融合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的度中心性、介數(shù)中心性和最短路徑長度等統(tǒng)計屬性,識別影響網(wǎng)絡(luò)性能的hub節(jié)點作為候選的肝再生關(guān)鍵蛋白,精確地識別出TNF、TGFβ1、EGF、IL-

7、1β、IL-10、MYC、JUN、FOS等與肝再生密切相關(guān)的關(guān)鍵蛋白,證明了關(guān)鍵節(jié)點識別方法的有效性。同時還識別出APP、CD8A、CXCL12、CDH1、CD40等幾個可能與肝再生相關(guān)的新蛋白及其子網(wǎng)絡(luò),為肝再生的分子機(jī)制研究提供新的參考。
　　細(xì)胞或生物體的基因/蛋白之間的相互作用構(gòu)成了一個復(fù)雜的生物網(wǎng)絡(luò),單個基因或蛋白的異常表達(dá)往往不能影響整個生理活動的正常運行,生理活動往往受生物通路或基因模塊的協(xié)同調(diào)控。利用生物網(wǎng)絡(luò)分析基