基于生物信息学和CMap数据库分析肺癌相关基因及潜在治疗药物.pdf

基金项目:国家自然科学基金项目(.)山东省自然科学基金项目(.)作者简介:张虎男硕士研究方向:药理学:.通信作者:李羚女博士主管药师研究方向:药理学:.基于生物信息学和 数据库分析肺癌相关基因及潜在治疗药物张虎黄欣李妍韩毅李羚(山东第一医科大学第一附属医院临床药学山东省儿童药物临床评价与研发工程技术研究中心山东省医药卫生临床药学重点实验室山东 济南)摘要:目的 基于生物信息学和关联性图谱()数据库筛选肺癌相关基因及其潜在的治疗药物为肺癌的治疗提供新思路 方法 从基因表达数据库()中选择、和 采用 软件筛选差异表达基因()将 进行 和 富集分析并构建蛋白质蛋白质相互作用()网络使用基因表达谱交互分析()验证枢纽基因的表达以及预后价值采用 数据库筛选具有肺癌治疗作用的潜在候选药物 结果 我们共确定了 个 包括 个上调基因和 个下调基因 这些 主要富集在细胞外基质()受体相互作用、细胞黏附等方面 网络由 个节点 条连接线组成前十个枢纽基因分别为、通过 分析这些枢纽基因相关的总生存期()结果显示 对 具有显著影响 使用 数据库筛选出的对肺癌具有潜在治疗作用的 批准上市的候选药物包括腺苷脱氨酶抑制剂(克拉屈滨)、核糖苷还原酶抑制剂(氯法拉滨)、抗病毒药(阿糖腺苷)、拓扑异构酶抑制剂(替尼泊苷)、聚合酶抑制剂(放线菌素)、抗代谢药物(阿糖胞苷)结论借助生物信息学和 数据库挖掘发现克拉屈滨等药物对肺癌具有潜在的治疗作用 本研究为寻找肺癌的治疗方案提供了新的思路具有重要的临床意义关键词:肺癌差异表达基因生物信息学 数据库中图分类号:.文献标志码:文章编号:():./.():.()().()()()()().().().药学研究 .()()()()()().:肺癌是全球癌症死亡的首要原因同时也是中国高发癌症之一 近年来肺癌的治疗取得了较大的进展比如新的治疗药物免疫检查点抑制剂的疗效已经得到了证实但仍有患者面临着耐药、复发、转移和个体差异等问题限制了现有药物的使用 因此有效控制肺癌的发展及改善患者的总体生存期仍面临巨大的挑战寻找新的治疗靶点和新的治疗药物也变得尤为重要通过整合基因相关数据库可以更深入的研究肿瘤相关基因、分子机制在基因层面为肿瘤的治疗寻找新的生物标志物 开发一种新的药物需要大量资金时间和各种资源的投入并且伴有一定的风险而药物重定位是一种非常规的方法来识别已批准或 实 验 药 物 的 新 适 应 证 ()数据库是基于基因表达谱的药物研究平台该数据库通过大量细胞系实验将基因、药物和疾病联系起来 通过 数据库可筛选逆转肺癌的基因表达变化的药物 本研究通过生物信息学和 数据库分析筛选出肺癌的关键致病基因和候选治疗药物为肺癌的治疗提供了新的治疗策略 材料与方法.数据的下载和 的筛选 从()数据库(:/./)中获得基因表达谱数据集 采用 平台其包括 个肺癌组织样本和 个正常组织样本 采用 平台其包括 个浸润性肺腺癌组织样本和 个正常组织样本 采用 平台其包括 个肺癌组织样本和 个正常组织样本 采用 软件筛选 所筛选的条件为.将筛选出的差异基因通过 语言(.)可视化为火山图.和 的分析通过()进行()和()功能富集分析 将差异基因在 数据库进行细胞组分()、分子功能()、生物过程()三方面的富集分析在 数据库进行细胞相关通路的富集分析 使用 方法调整 值以控制错误发现率将调整后的.的富集设定为显著富集的临界标准并且通过 语言来可视化 的分析结果.蛋白质蛋白质相互作用分析和枢纽基因筛选 将 个数据集中的交集基因放入相互作用基因/蛋白质数据库()中高于.的相互作用评分设定为截止值 使用 软件(.)构建 编码蛋白的网络并将其可视化展现重叠 之间潜在的相互关系通过插件 基于度的拓扑算法来分析网络将具有高相互作用的前 个基因鉴定为枢纽基因(分子复合物检测)插件来可视化和鉴定来自 网络的重要模块参数设置设为默认值:.枢纽基因的生存分析使用基因表达谱交互分析()中的箱形图比较每个枢纽基因在肺癌组织和正常组织之间的差异表达谱 使用 分析枢纽基因上调或下调患者的总生存期().数据库筛选候选药物利用 计算差异基因中 得分前 的基因集合包括 个上调基因和 个下调基因 将这 个差异基因输入(:/./)数据库所得结果按照 大小进行排序筛选负相关的候选药物.统计学分析 的生存分析采用对数秩和检验.具有统计学差异 在线数据库分析应用系统默认的统计学方法 结果.差异表达基因的筛选在本研究中共有 个样本包括 个肺癌组织样本和 个正常肺部组织样本(:/:/:/)在基因表达测定及数据处理药学研究 .和标准化之后使用 包对每个数据集筛选筛选标准为:.且 值.最终我们从 数据集中筛选了 个包括 个上调和 个下调的基因(见图)在 中筛选了 个 包括 个上调和 个下调的基因(见图)在 中筛选了 个 包括 个上调和 个下调的基因(见图)接下来我们分别取 个基因数据集上调基因和下调基因中的重叠基因得到 个共有上调基因和 个共有下调基因共计 个(见图、).差异基因的功能富集分析我们将 个 进行 和 的富集分析 结果显示 通路富集主要是 受体相互作用这些相互作用导致细胞活动的直接或间接控制如黏附、迁移、分化、增殖和凋亡(见图)对于 富集分析它们在细胞黏附细胞外基质组织血管生成细胞分化等富集细胞黏附分子与肿瘤的侵袭转移密切相关起至关重要的作用 对于 分析它们富集在钙离子结合细胞外基质结构成分信号受体活性等分子功能方面 分析显示它们在细胞质膜的组成成分细胞表面转录因子复合物等部位富集(见图).的火山图.来自 个基因数据集的上调基因的 图.来自 个基因数据集的下调基因的 图图 的分析.富集分析.富集分析自上而下分别为生物过程()、细胞成分()、分于功能()图 差异基因富集分析药学研究 .网络模块分析 将 个 构建 网络由图 可知 网络由 个节点蛋白和 个相互作用组成 通过 的 插件将整个网络聚类为 个模块对模块得分前二进行富集分析 由图 可知模块 包含 个上调基因和 个下调基因主要富集于 信号通路该通路某些因素的突变导致的功能获得或功能缺失引起细胞转化同时可调节肿瘤细胞的增殖和存活并与肿瘤的侵袭转移行为密切相关 模块 包含 个上调基因和 个下调基因显著富集于癌症通路 聚合酶启动子 转录的正向调节转录因子复合物等与肿瘤密切相关通过 的 插件在重叠 中选择枢纽基因 筛选前 个基因作为枢纽基因包括 、和 个枢纽基因之间的 连接见图 .肺癌相关网络红色表示常见的上调基因蓝色表示常见的下调基因.差异基因中的前两个基因模块.肺癌相关差异基因的前 个枢纽基因模块图 蛋白质相互作用网络.枢纽基因的鉴定接下来我们使用 比较 个枢纽基因的差异表达(见图)在这 个枢纽基因中、和 在肺腺癌()和肺鳞状细胞癌()中均上调表达其余 个基因在 和 均下调表达与 组数据集中基因表达一致 为了检验这些基因的预后价值我们通过 分析这些枢纽基因相关的总生存期()结果显示 对 具有显著影响(见图)使用 中唯一的肿瘤数据对十个枢纽基因进行多基因比较分析 在十个基因中 和 具 有 较 高 的 表 达 水 平 其 次 是、(见图).数据库筛选候选药物 数据库包含广泛的小分子库药物的高阳性评分表明药物可以引起或加剧疾病状态而高阴性评分表明药物能够减轻甚至逆转该疾病状态 我们将 个上调基因和 个下调基因输入 数据库中筛选 批准上市的得分前 的药物具体见表 药学研究 .图 中枢纽基因的基因表达水平 注:红框:肿瘤样本灰框:正常样本图 的总生存期()曲线 注:蓝线表示 低表达样本红线表示 高表达样本表 筛选的抗肺癌候选药物排序药物名称评分主要作用机制克拉屈滨.氯法拉滨.阿糖腺苷.替尼泊苷.托泊替康.阿糖胞苷.吉西他滨.放线菌素.腺苷脱氨酶抑制剂核糖核苷还原酶抑制剂抗病毒药物拓扑异构酶抑制剂拓扑异构酶抑制剂核糖核苷酸还原酶抑制剂核糖核苷酸还原酶抑制剂 聚合酶抑制剂 讨论通过对肺癌细胞与正常细胞之间的基因测序对肺癌作用机制的分析和理解更加深入促进了分子诊断和靶向治疗研究的进展因此我们通过生物信息学分析来寻找肺癌组织样本中有明显差异的生图 个肺癌候选生物标志物的多基因比较分析药学研究 .物标志物为肺癌的治疗寻找新的思路与方案 在本研究中我们建立了差异基因的 网络筛选出基因之间相互作用得分前十的差异基因作为与肺癌发生发展显著关联的枢纽基因验证枢纽基因在肺腺癌与肺鳞癌样本组织中的表达情况发现除了 在肺腺癌样本中无显著差异外其他枢纽基因均与正常肺部组织样本基因表达量存在统计学差异 之后在基因的预后价值分析中 低表达患者的总生存期显著高于 高表达患者 另外有报道表明非小细胞肺癌中循环 水平或肿瘤细胞中 表达水平的升高与预后不良有关 等研究也发现 通过上调 的表达促进细胞迁移和侵袭将 作为肺腺癌转移和预后的潜在生物标志物并且在化疗治疗的晚期非小细胞肺癌患者中 编码的骨桥蛋白在血浆中低水平表达与临床预后的改善显著相关这与我们的研究一致药物治疗疗效的个体差异和耐药性的出现限制了现有药物的使用且现有化疗药物不良影响较大降低了癌症患者的生活质量因此这也增加了对新的候选药物的需求 然而研究和开发一种全新的药物需要大量的金钱和时间需要广泛的进行细胞和动物研究以及在人体进行各种安全性和有效性的临床试验而药物重新定位具有成本低、风险小、周期短等优势现已成为国内外各医药机构药物研发的重要策略 在本研究中我们将 中基因相互作用得分前 的基因输入到 数据库中筛选出 种经 批准上市的药物其中有 种为抗肿瘤药物分别为克拉屈滨、氯法拉滨、替尼泊苷、拓扑替康、阿糖胞苷、吉西他滨和放射菌素剩余一种非抗肿瘤药物为阿糖腺苷 拓扑替康和替尼泊苷为拓扑异构酶抑制剂前者适用于肺癌的治疗后者用于治疗恶性淋巴瘤、胶质母细胞瘤 种核糖核苷酸还原酶抑制剂分别为吉西他滨、氯法拉滨和阿糖胞苷吉西他滨是治疗非小细胞肺癌有效的一线药物氯法拉滨和阿糖胞苷共同适用于白血病的治疗克拉屈滨为腺苷脱氨酶抑制剂适用于治疗多发性硬化症也可以用于治疗白血病 聚合酶抑制剂放射菌素抗瘤谱较窄用于尤文氏肉瘤、睾丸癌和横纹肌肉瘤等 等研究发现放线菌素可以下调肺细胞中的 继而促进细胞凋亡可能有助于新的肺癌治疗策略总之通过整合 数据库中肺癌的 构建了一个关键枢纽基因网络来评估肺癌与正常组织样本的蛋白水平表达并发现与肺癌相关的 枢纽基因为以后肿瘤基因水平的靶向治疗提供了新的理论依据 与此同时我们筛选了 种具有潜在肺癌治疗作用的候选药物为下一步的体内外实验奠定了良好的基础也为寻找肺癌的治疗方案提供了新的思路参考文献:.:.():.():.():.()():.:.:.():.():.():.():.():.药学研究 .():.()():.():.():.:.():.:.()():.():.:.():.():.():.():.():.:.():.():.:.():.():.(收稿日期:)药学研究关于抵制学术不端行为的声明捏造与篡改数据、抄袭剽窃、重复发表、虚假署名、一稿多投等学术不端行为不仅违反学术规范和道德同时也有悖于国家相关法律法规在学术界乃至社会造成恶劣影响 为加强科技道德规范促进科研诚信本刊编辑部严格遵守中华人民共和国著作权法等相关法律法规坚决反对学术不端行为 编辑部将对所有来稿采用中国知网“科技期刊学术不端文献检测系统”进行检测来稿是否存在抄袭、一稿多投、伪造等学术不端行为如来稿与已经刊发的文章雷同率在 以上本刊即退稿对最终认定为属于学术不端的论文本刊会及时通知作者在做出最终处理决定前允许作者就此问题做出解释和申辩如果该论文是已经正式刊出的则以书面的形式通知论文作者取消论文的录用资格 重复发表者向相关期刊发通告函责成撤稿如给本刊造成声誉或是其他损失的本刊将保留继续追索赔偿的权利 对情节严重的作者就此事件向作者所在单位和该领域内的其他科技期刊进行通报对严重抄袭剽窃、一稿多投的论文作者作为第一作者所撰写的论文 年内本刊将一概不予录用药学研究 .