阿爾茨海默病病因的基因表達譜數(shù)據(jù)分析.pdf

1、阿爾茨海默病是一種常見的慢性、進行性中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其臨床主要表現(xiàn)為進行性的記憶衰退和認(rèn)知功能的下降、行為異常和社交障礙，通常病情呈進行性加重，病程緩慢不可逆。隨著社會人口的老齡化，阿爾茨海默病的發(fā)病率呈上升趨勢。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，老年人阿爾茨海默病(Alzheimer'sDisease，AD)的患病率僅次于心血管病和癌癥居第三位，全世界有近3600萬人正在遭受著AD的折磨。目前阿爾茨海默病還是絕癥，沒有任何治療方法可以使患者痊愈

2、。阿爾茨海默病給社會和家庭帶來沉重的負擔(dān)，給患者本人也帶來精神上和身體上的極大痛苦。
　　阿爾茨海默病可發(fā)生在成年人的任何年齡，發(fā)病率隨年齡的增長而成指數(shù)型增長。女性的發(fā)病率較男性高，農(nóng)村人發(fā)病率較城市人高，受教育程度高的人群發(fā)病率相對較低。AD的致病危險因素還包括受教育程度低、頭部外傷、性激素水平降低、家族遺傳史、吸煙、抑郁癥狀、心理壓力、血管因素、體溫較低、社會活動較少、輕度認(rèn)知損傷以及病毒感染等。阿爾茨海默病病灶一般先出現(xiàn)在

3、大腦邊緣系統(tǒng)的海馬區(qū)、內(nèi)嗅皮層等部位，隨后蔓延到顳葉、扣帶回、頂葉、額葉等大腦皮層區(qū)，一般波及不到枕葉、小腦、運動和感覺皮層區(qū)域。阿爾茨海默病人大腦的病理病變有:神經(jīng)炎性老年斑（senile plaques，SPs），神經(jīng)原纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangles，NFTs），神經(jīng)細胞和突觸的消失，腦淀粉樣血管病以及顆粒空泡變形等，整體表現(xiàn)為彌漫性大腦皮質(zhì)的萎縮和腦室的擴大。
　　阿爾茨海默病的發(fā)病機制仍然不清楚。

4、目前有分子遺傳和基因?qū)W說、炎癥學(xué)說、自由基學(xué)說、膽堿能學(xué)說、金屬離子假說、病毒學(xué)說、氧化應(yīng)激學(xué)說、雌激素水平降低學(xué)說等。大多數(shù)研究猶如盲人摸象，分不清哪些機制是病因哪些是造成的結(jié)果。因此很多研究所和大學(xué)機構(gòu)也投入了相當(dāng)多的人力物力來研究AD的發(fā)病機制，但效果很不理想。目前需要從整體宏觀上來認(rèn)識這個疾病，而且不能受到各個機制的單獨片面影響。需要從基因表達上入手，以基因表達差異的客觀現(xiàn)象來了解和研究AD的發(fā)病機制、治療手段以及早期檢測方法。

5、
　　由于神經(jīng)細胞的復(fù)雜，而且取樣有限，從基因表達水平篩選出和年齡相關(guān)的基因，成為阿爾茨海默病分子發(fā)病機理研究的最佳途徑。近年發(fā)展起來的基因芯片技術(shù)，顯示了其在功能相關(guān)差異基因篩選方面的優(yōu)越性，少量取樣就能獲得海量的基因表達數(shù)據(jù)，這將增強對阿爾茨海默病了解，而且得到的數(shù)據(jù)更為客觀，具有較高的整體性。
　　目前，由于高通量基因芯片技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各個研究所和實驗室產(chǎn)生出了大量的實驗數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)的信息只用到了小部分，全部信

6、息往往沒有被完全挖掘出來。美國國立生物技術(shù)信息中心(National Center for BiotechnologyInformation，NCBI)建立的GEO(Gene Expression Omnibus)數(shù)據(jù)庫是當(dāng)前規(guī)模最大、收錄最全、免費開放的公共基因表達數(shù)據(jù)庫，包含大量的、各種各樣的復(fù)雜生物數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)從表面上看起來是雜亂無章，無可下手，但是海量的生物學(xué)數(shù)據(jù)中必然蘊含著重要的生物學(xué)規(guī)律，這些規(guī)律將是解釋阿爾茨海默病病因的

7、關(guān)鍵。
　　基因表達譜數(shù)據(jù)龐大復(fù)雜，變量數(shù)以萬計。為此，通過使用Qlucore OmicsExplorer(QOE)3.0生物信息學(xué)軟件，把數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計計算，快速轉(zhuǎn)換為3D可視化圖，再經(jīng)過主成分分析(Principle Component Analysis，PCA)和聚類分析，識別出數(shù)據(jù)中隱藏的結(jié)構(gòu)和模式，以標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計學(xué)方法得到樣本與樣本之間、組與組之間以及數(shù)據(jù)集與數(shù)據(jù)集之間的差異與聯(lián)系。篩選出共同或差異的基因，再通過Databas

8、e for Annotation, Visualization and Integrated Discovery(DAVID)6.7在線基因注釋系統(tǒng)，對基因列表進行Gene Ontology(GO)功能富集分析，從Cellular Component(CC),Biological Process(BP),Molecular Function(MF)三個方面對基因涉及的功能進行注釋、富集、聚類。得出AD患者生物學(xué)過程、細胞組成以及分子功能

9、方面上的差異和變化。
　　因此，本人根據(jù)目前現(xiàn)有的人類阿爾茨海默病基因表達譜數(shù)據(jù)集，從整體的基因表達差異、隨年齡增長的基因表達差異、各個腦區(qū)的基因表達差異、不同發(fā)病階段的基因表達差異、性別相關(guān)的基因表達差異入手，對阿爾茨海默病的發(fā)病機制進行探究。
　　首先，使用數(shù)據(jù)集GSE36980，通過兩組比較，篩選出阿爾茨海默病患者和正常人的大腦的差異基因196個。對差異基因進行表達和功能的聚類分析，結(jié)果分為42個注釋集群，涉及的GO主

10、要有蛋白質(zhì)定位、離子轉(zhuǎn)運、細胞信號、學(xué)習(xí)記憶、披網(wǎng)格蛋白小泡、突觸、細胞質(zhì)膜、細胞連接、線粒體、鈣離子綁定、離子通道、tau蛋白激酶以及脂肪酸轉(zhuǎn)運等。
　　這些差異功能都和阿爾茨海默病臨床表現(xiàn)以及病理有一定的聯(lián)系。這些結(jié)果證明并支持了阿爾茨海默病大腦內(nèi)神經(jīng)元的蛋白體破壞補償機制，神經(jīng)元突觸大量減少而且其功能受到嚴(yán)重影響，同時又發(fā)現(xiàn)了高爾基體在阿爾茨海默病患者的大腦中都會形成碎片的原因和相關(guān)差異基因。阿爾茨海默病的神經(jīng)元細胞膜遭到了

11、破壞，線粒體功能的異常使細胞能量供應(yīng)受損，并產(chǎn)生過量的自由基。陰離子通道和金屬陽離子通道異常，致使細胞信息傳遞和信號通路的錯誤發(fā)生。阿爾茨海默病人的學(xué)習(xí)記憶相關(guān)基因及生物學(xué)進程發(fā)生變化，造成了記憶和認(rèn)知功能的下降。細胞骨架及微管也發(fā)生異常并導(dǎo)致神經(jīng)元的立體空間結(jié)構(gòu)和連接遭到破壞，其中磷酸化過程也出現(xiàn)異常，這將使tau蛋白過度磷酸化，并形成神經(jīng)元纖維纏結(jié)。
　　為了篩選出和年齡因素相關(guān)的阿爾茨海默病易感基因，本人同時使用GSE369

12、80和GSE53890數(shù)據(jù)集，通過線性回歸和兩組比較結(jié)合，篩選出來20個在阿爾茨海默病和正常人中有差異又在年齡上有線性趨勢的基因。差異基因涉及的GO生物學(xué)過程主要有蛋白質(zhì)代謝、細胞周期、神經(jīng)代謝正調(diào)控、軸突、質(zhì)膜、突觸、細胞骨架、和金屬離子綁定。這些功能隨著年齡增長而減弱是阿爾茨海默病發(fā)病率和年齡有正相關(guān)性的原因，這也說明了正常人年齡的增加會導(dǎo)致大腦萎縮，大腦相關(guān)功能減弱，并出現(xiàn)類阿爾茨海默的相關(guān)癥狀。
　　不同大腦區(qū)域的阿爾茨海

13、默病發(fā)病率也不一樣。此部分使用GSE36980和GSE9770這兩個數(shù)據(jù)集，通過兩組比較和多組比較，篩選出11個在各個腦區(qū)差異表達的阿爾茨海默病易感基因。這些基因的功能主要涉及細胞極性的建立或維護、離子綁定、質(zhì)膜功能、鈣離子綁定，這些功能都和信號傳導(dǎo)和信息傳遞功能有關(guān)。邊緣系統(tǒng)的這些功能較其他區(qū)域活性較高，這是邊緣系統(tǒng)易受疾病的影響重要原因，也是阿爾茨海默發(fā)病后先出現(xiàn)學(xué)習(xí)、情緒和記憶障礙的原因。其中有兩個基因CBLN4和LRRTM1也是

14、年齡相關(guān)的阿爾茨海默差異表達基因。
　　通過秩回歸分析GSE1297數(shù)據(jù)集，篩選出了隨病程加劇而變化的基因，該數(shù)據(jù)集是不同病程的海馬區(qū)神經(jīng)元的基因表達譜數(shù)據(jù)。結(jié)果中有65個基因被篩選出來，其中32個隨疾病加重不斷上調(diào)表達，33個基因隨疾病加重下調(diào)表達。其中上調(diào)的基因涉及的GO功能包括轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、質(zhì)膜組分等。下調(diào)的基因涉及GO功能有線粒體功能、蛋白質(zhì)定位和運輸、核苷酸綁定等。因此，對于不同發(fā)病程度的AD患者，應(yīng)根據(jù)其生物學(xué)相關(guān)功能的改

15、變采取個性化的治療方法以及精準(zhǔn)的藥物劑量。
　　男性女性的大腦基因表達有一定的差異，為探究阿爾茨海默病女性發(fā)病率男性高的基因表達層面上原因，研究采用了GSE36980數(shù)據(jù)集，并選用數(shù)據(jù)集中的阿爾茨海默病組，在組內(nèi)進行性別的兩組比較，在滿足統(tǒng)計學(xué)意義的前提下篩選出了26個男女大腦表達差異基因。這些基因涉及的GO生物學(xué)功能包含細胞骨架、離子傳遞、蛋白質(zhì)運輸與定位、核苷綁定以及膜功能等。這些功能的相關(guān)基因表達女性比男性較低，是女性較男性