有氧运动对伴随衰老代谢综合征基因表达的调控.pdf

第44卷总第131期2023年9 月西北民族大学学报（自然科学版）Journal of Northwest Minzu University(Natural Science Edition)Vol.44,No.3Sep,2023有氧运动对伴随衰老代谢综合征基因表达的调控宋?雷1.2,蒋文杰1（1.西北民族大学医学部西北民族地区环境生态与人群健康国家民委重点实验室，甘肃兰州7 30 0 30；2.西北民族大学生物医学研究中心生物技术与生物工程国家民委重点实验室，甘肃兰州7 30 0 30)摘要目的：探索有氧运动对代谢综合征患者血液基因表达的影响，分析运动前后血液转录表达谱的差异，研究差异表达基因涉及的功能与内在联系.方法：从美国国立生物技术信息中心（NCBI)公共基因芯片数据平台（GEO)下载GSE10540数据集mRNA芯片数据，对5名代谢综合征患者运动前后的mRNA表达谱数据进行基因集富集分析（G SEA），应用metascape软件进行功能富集（GO)和信号通路（KEGG）富集分析，用STRING数据库构建蛋白质相互作用网络.结果：运动后血样比较运动前共筛选出152 个差异表达基因（differentiallyexpressedgenes，D EG s），其中有54个基因上调，9 8 个显著下调.GESA分析发现12 个基因或通路在运动后表达谱中显著富集负相关，蛋白质相互作用网络筛选出9 个关键蛋白.结论：代谢综合征患者运动前后血样相关DEGs揭示了代谢综合征的分子特征，这些基因可能与癌症发生之间呈负相关，这为进一步探讨有氧运动对代谢综合征患者健康改善的作用机制及关键调控分子提供了研究思路.关键词生物信息学；有氧运动；代谢综合征；蛋白质相互作用网络中图分类号R544.1文献标识码 A文章编号10 0 9-2 10 2（2 0 2 3)0 3-0 0 45-0 9代谢综合征(metabolic syndrome MS)被定义为一组易患心血管疾病(Cardiovascular Disease CVD)的因素,包括高血压、血脂异常、血糖控制受损和腹型肥胖 1.由于过多的能量摄取、运动量减少以及久坐等不良生活习惯，代谢综合征逐渐成为世界范围内不断升级的公共卫生问题 2.在我国6 0 岁及以上老年个体患病率上升至58.1%，且男性增长幅度大于女性，北方人群高于南方人群 3.长期得不到控制或纠正的代谢综合征是诸如糖尿病、冠心病和脑卒中的高危风险因素，也是导致癌症发生的易感因素.研究报道包括与性激素有关的乳腺癌、子宫内膜癌、前列腺癌以及消化系统的胰腺癌、肝胆癌、结肠癌等的发生都与代谢异常有关联 4.越来越多的研究表明，有规律的体力活动对代谢综合征有长久的益处 5-7。有研究表明有氧运动除了改善内皮功能外，还部分或完全逆转了构成代谢综合征的大部分因素，如高血压、胰岛素敏感性、糖耐量减退和血脂异常 8.有氧间歇训练是代谢综合征患者的有效辅助性治疗策略之一.但是，运动诱导改善代谢综合征患者的具体分子机制尚未阐述清楚.本研究采用生物信息学方法分析患者运动前和运动后的血液转录组分子表达，寻找可能调节改善身体状态的分子相互作用网络，阐收稿日期2 0 2 3-0 2-0 2基金项目中央高校基本科研业务费项目（3192 0 2 2 0 113)；甘肃省自然科学基金项目（2 1JR11RA016)；西北民族大学2 0 2 2 年校级大学生创新创业训练计划项目（X202210742321）通信作者蒋文杰，男，主要研究方向为生殖医学.作者简介宋雷，男，副教授，博士，主要从事药理学方面的研究。45一明其涉及的分子功能和作用途径，旨在发现有氧运动训练对代谢综合征患者基因表达调控的影响和内在分子作用机制，以期发现新的诊断或干预靶点。1材料与方法1.1数据来源本研究数据系从美国国立生物技术信息中心公共基因数据库（gene expression omnibus GEO,ht-tps：/w w w.n c b i.n l m.n i h.g o v/g e o/）9采用R语言GEOquery包下载GSE10540数据集，该数据集为人类全基因组基因芯片数据集 1o1，所用平台（Platforms）为ABI公司人基因组筛查芯片，型号GPL2986.用该芯片对包含5例代谢综合征患者经48 次高强度间歇运动前和运动后的血液细胞样本进行测定，对提取的10 份RNA配对样本进行测定后分析.搜索关键词“aerobic exercise”、“c a r d i o v a s c u-lar“blood;筛选条件,Homo sapiens；Ex p r e s s i o n p r o f i l i n g b y a r r a y.1.2检测样本质量将下载得到的样本数据标准化处理，去除一个探针对应多个分子的情况，当遇到对应同一个分子的不同探针时，仅保留信号值最大的探针，通过箱式图查看样本标准化的情况，通过PCA图查看样本分组间聚类情况。1.3差异表达基因（differentially expressed genes DEGs)筛选用R语言limma包对运动前组和运动后组表达谱数据进行差异分析，获取DEGs.筛选标准为：log2基因表达差异倍数（foldchangeFC)绝对值1.50 校正后P0.05.用ggplot2包绘制火山图，用ComplexHeatmap包绘制热图 1.1.4?基因集富集分析(GSEA)用R语言clusterProfiler包org.Hs.eg.db包（用于ID转换）；GOplot包（用于计算zscore）对差异表达基因进行基因本体（gene ontology GO)功能富集分析以及 KEGG(kyoto encyclopedia of genesandge-nomes)信号通路富集分析.分析结果P0.05有统计学意义 12-13.为了将GO和KEGG中得到的差异表达基因在MSigDBCollections数据库中运用R语言clusterProfilter包进行富集分析，绘制GSEA图 14.参考基因集合c4.cgn.v7.2.symbols.gmt由以38 0 个癌症相关基因为中心的表达邻域定义的基因集，满足FDR(qvalue)0.25且p.adjust0.05.1.5功能富集分析Metascape(http：/me t a s c a p e.o r g）是一个免费的、维护良好、用户友好的基因列表分析工具，用于基因注释和分析 15.本研究Metascape用于对代谢综合征运动后改变显著相关的邻近基因进行通路和功能富集分析.基于Metascape在线工具丰富了生物过程，细胞成分和分子功能类别的基因本体学(GO)术语，以及京都基因和基因组百科全书(KEGG)途径.只有P 1.5的条目才被认为是显著富集.选择一个类别中最具显著意义的条目作为该类别的代表.选择富集项的子集并将其呈现为网络图，以进一步确定各条目之间的关系，条目相似度0.3的由边缘连接.使用以下数据库执行蛋白质-蛋白质相互作用富集分析：BioGrid,InWeb_IM和OmniPath.此外，分子复合物检测（MCODE)算法用于识别密集连接的网络组件.1.6DEGs 的蛋白质相互作用网络（protein-protein interaction network)构建和关键基因筛选STRING(https：/s t r i n g-d b.o r g/）是一款在线分析工具（当前版本11.5），用来呈现与评估构建PPI网络.先对DEGs进行筛选，将|logFCI设置为1,P 1和P0.05的基因有152 个，在运动后组(Post exercise)中表达上调的基因有54个，表达下调的基因有98 个，其中上调和下调最显著的2 0 个基因在聚类分析中表现出明显的组间分布差别（图2)。A3GroupPre exercise申Post exercise图1两个样本集的数据表达差异B(%sL)zod-100-200-300-200-100PC1(42.9%)GroupOPreexercise0Postexcercise1+01002003002GroupPostexercise603P240Preexcercise2-19A3-2V0A4-31-Log 10(Pvalue)图2 代谢综合征患者运动前和运动后血液差异表达基因注：（A）差异表达基因火山图（蓝色点代表下调基因，红色点代表上调基因，筛选标准|foldchangel1及校正P0.05)；(B)代谢综合征患者运动前后血液中前2 0 个上调和下调的差异表达基因热图，表达下调的基因标注为蓝色，表达上调的基因标注为红色。2.2GSEA分析结果c4.cgn.v7.2.symbols.gmt 由定义38 0 个癌症基因领域的基因集（CGN：c a n c e r g e n e n e i g h b o r-hoods)组成,运动后体内基因满足FDR(qvalue)0.25，且P0.05条件并显著富集的基因一共有1247一-22358608个.如图3和表1所示，包括：DDX11、SPT A、A NK 1、M A P2 K 3、SPT B、T A L 1、BNI P3L、CD C2 7、G PX4、RAD23A、PR D X2、PCA F.以上12 个基因与癌症发生发展有关，而运动后基因表达与这些癌相关基因的显著富集负相关，反映了运动在一定程度上阻止代谢综合征向癌症发展的调控方向.MORF_DDX110.0-0.1-0.20.3NES=-1.7210.4p.adj=0.049FDR=0.046GNF2_SPTA10.0-0.2-0.4NES=-2.210p.adj=0.049-0.6FDR=0.046GNF2_ANK10.0-0.2-0.4NES=-2.233p.adj=0.049-0.6FDR=0.0461-113000RankinOrderedDatasetGNF2_MAP2K30.00.20.4NES=-2.083p.adj=0.0490.6FDR=0.046600090003000RankinOrderedDatasetGNF2_ SPTB0.0-0.2-0.4NES=-2.233p.adj=0.049-0.6FDR=0.046600090003000RankinOrderedDatasetGNF2_TAL10.0-0.2-0.4NNES=-2.133p.adj=0.049-0.6FDR=0.04660009000113000Rank inOrderedDatasetGNF2_BNIP3L0.0-0.2-0.41NES=-2.115p.adj=0.0490.6FDR=0.046600090003000RankinOrderedDatasetGNF2_CDC270.00.2-0.41NES=-2.063p.adj=0.049-0.6十FDR=0.046600090003000RankinOrderedDatasetMORF_GPX40.0-0.2-0.4NES=-1.800p.adj=0.049FDR=0.04660009000一-13000RankinOrderedDatasetGNF2_RAD23A0.0-0.2-0.41NES=-2.209p.adj=0.049-0.61FDR=0.046600090003000Rank inOrderedDatasetGNF2_PRDX20.0-0.20.4NES=-1.884p.adj=0.049-0.6FDR=0.046600090003000RankinOrderedDatasetGNF2_PCAF0.0-0.2-0.41NES=-1.923p.adj=0.049-0.6FDR=0.046600090003000RankinOrderedDataset48600090003000Rank inOrderedDataset图3代谢综合征患者基因表达谱富集分析注：运动后与基因表达富集负相关的基因600090003000RankinOrderedDataset60009000表1基因集富集分析(GSEA）运动后Vs运动前最显著基因基因集P值GNF2_ANK1-2.23GNF2_SPTB-2.23GNF2_SPTA1-2.21GNF2_RAD23A-2.21GNF2_TAL1-2.13GNF2_BNIP3L-2.11GNF2_MAP2K3-2.08GNF2_CDC27-2.06GNF2_PCAF-1.92GNF2_PRDX2-1.88MORF_GPX4-1.80MORF_DDX11-1.722.3功能富集分析对差异基因进行基因本体论(GO)分析,在DEGs 的上调基因中,主要体现于细胞核蛋白定位、调控细胞分裂、细胞运动的正调控、醇类结合、造血祖细胞的分化、跨膜转运蛋白活性、DNA-蛋白质复合体、组蛋白、调控肌动蛋白丝等方面生物功能.在DEGs的下调基因中，主要体现于性分化、Rac蛋白信号转导的调控、树突的形成、皮层细胞骨架组织、细胞形态发生、学习或记忆功能、细胞黏附的负向调控、横纹肌收缩、骨骼系统的发育、对维甲酸的反应、对有毒物质的反应、突触膜、磷脂酰肌醇生物合成的过程、组蛋白结合、细胞外基质、跨膜受体蛋白酪氨酸激酶信号通路等生物学功能（图4）.A0.0B02.41DEGs的PPI网络分析结果将得到的DEGs导人STRING11.5平台得到一个含45个节点和47 条边的PPI模型（图5），边代表共同基因之间的关联度，关联度随与边的粗细成正比，节点为具体的共同基因富集分数GO:0034504:proteinlocalizationtonucleusGO:0051302:regulationofcelldivisionGO:2000147:positiveregulationofcellmotilityGO:0043178:alcoholbindingGO:0002244:hematopoieticprogenitorcelldifferentiationGO:0007389:patternspecificationprocessGO:0022804:activetransmembranetransporteractivityGO:0065004:protein-DNAcomplexassemblyGO:0042393:histonebindingGO:0110053:regulationofactinfilamentorganization0.51.01注：（A)上调DEGs的GO条目；(B)下调DEGs的GO条目.1.33E-031.33E-031.31E-031.35E-031.33E-031.33E-031.33E-031.34E-031.38E-031.37E-031.34E-031.23E-031.52.0-log10(P)2F3-1og10(P)图4差异表达基因(DEGs)的KEGG分析2.543.03.5GO:0007548:sexdifferentiationGO:0035020:regulation of Rac protein signal transductionGO:0030425:dendriteGO:0030865:cortical cytoskeletonorganizationGO:0000902:cellmorphogenesisGO:000761l:learning ornemoryG0:0007162:negative regulationof cell adhesionGO:0015267:channelactivityGO:1903076:regulation of protein localization to plasma membraneGO:0006941:striatedmusclecontractionGO:0001501:skeletal system developmentGO:0032526:responseto retinoieacidGo:0009636:responseto toxic substanceGO:0097060:synapticmembraneGO:00661:phosphatidylinositol biosynthetie processGO:0042393:histonebindingGO:0031012:extrucellularmatrixGO:0007169:transmembrane receptor protein tyrosine kinase signaling pathway49FALAHA2FGF8KDRRASGRF1CAMK2BPLXNA2CCOBTB2BCANCTNNA-ORIASignupdown图5PPI网络分析注：红色代表表达上调的蛋白，蓝色代表表达下调的蛋白.3讨论有氧运动能增强肌肉力量、肺活量等.坚持有氧运动不仅对机体健康有益，还可以改善血管内皮功能、降低病人血压等症状8。对于代谢综合征患者来讲,有氧运动对控制疾病发展有显著的影响和作用，例如9名代谢综合征患者经过48 次间歇性高强度训练后其最大摄氧量VOzma，血压和血脂显著改善，降低了罹患心血管疾病的风险.本研究表明运动诱导血浆mRNA和精氨酸酶I和vWf的蛋白质水平下调，这可能解释了代谢综合征患者的风险状况和内皮功能的改善 1。目前，国外已有研究为代谢综合征的病因提供了分子方面的见解，通过了解其机制有助于代谢综合征发病率降低以及健康功能的改善 16，但是在有氧运动对代谢综合征患者基因表达的影响方面没有更深层次的探讨.因此本研究应用生物信息学方法分别对5位代谢综合征患者运动前和运动后的血液样本的基因表达谱进行分析，得到了DEGS，并得出GO和KEGG富集分析结果.本文还进行了GESA分析和PPI网络分析关键基因，通过得到的影响机体细胞功能的信息，我们认为其有利于更好的阐述代谢综合征分子特征、与其他并发症包括肿瘤发生相关的分子机制.以38 0 个癌症相关基因为中心的表达邻域定义的基因集 17，通过关联基因集（具有共同的生物学功能,染色体位置或调节的基因组），显示了对包括白血病和肺癌在内的几个相关数据集的观察.通过GESA分析我们发现运动后基因富集与12 个癌相关基因负相关.后者参与癌细胞的生物过程并对肿瘤发展起着重要作用,如 SPTA编码细胞骨架蛋白，ANK1、SPT B编码锚定蛋白将完整的膜蛋白连接到细胞骨架上，确定细胞形状、跨膜蛋白的排列等，研究表明ANK1基因的表达会诱导骨肉瘤患者启动子甲基化 18-19，与骨肉瘤的发生有关.并且根据KAREN E.HOFFMAN等人研究显示，对儿童骨肉瘤幸存者进行平均17 年的随访，发现此类人群代谢综合征患病率增加，幸存者表现出更高的高血压、高甘油三酯血症和男性内脏腹型肥胖患病率 19.MAP2K3编码丝裂原活化蛋白激酶3,该激酶可被胰岛素激活，是葡萄糖转运体表达所必需的蛋白，此蛋白激酶的积累与RAS致癌基因的表达有关，从而导致MAPK14的激活，并赋予原代细胞向癌转化的能力.有研究表明，MAP2K3与结肠癌、宫颈癌和胶质母细胞瘤等发生有关.MAP2K3是突变型P53功能获得基因在不同肿瘤模型中上调的靶基因.下调MAP2K3基因表达，则可以抑制上述癌症的发生 2 0-2 2 1.TAL1编码与红细胞的分化和发育有关蛋白，其过度表达会导致前体 T细胞急性淋巴细胞白血病和儿童T细胞急性淋巴细胞白血病 2 31.BNIP3L通过造成线粒体损伤，参与线粒体蛋白分解代谢过程，导致线粒体内受损蛋白的降解从而诱导细胞调亡，BNIP3L还参与细胞有丝分裂并介导癌细胞繁殖 2 4.与BNIP3L类似,CDC27编码APC复合物有关的蛋白,而该蛋白与有丝分裂检查点蛋白Mad2、p 55C D C 和BUBR1相互作用，参与控制细胞有丝分裂.研究表明，绝大多数癌症显示CDC27蛋白中度至重度表达，包括结直肠癌、睾丸癌、甲状腺癌、胃癌和肺一50一腺癌等 2 5-2 7.CDC27 活性降低可能会改善嗜酸性粒细胞增多症。嗜酸性细胞增多可能导致癌细胞存活率增加、放射敏感性降低和化疗耐受性增加.CDC27活性升高可能会降低肿瘤的黏附和EMT(上皮间充质转化），从而增加肿瘤的发生和转移 2 8.GPX4编码与线粒体抗氧化保护相关的硒蛋白 2 9，保护细胞免受脂质过氧化毒性.然而根据MARIALUISAOJEDA等人研究，GPX4的高抗氧化活性会通过阻止H,O2的产生而对器官功能造成损害.因为低水平的H2O2对于肝脏中胰岛素信号的正确传导过程是必须的 30-32 1.RAD23A编码核苷酸切除修复蛋白通过同源定向修复DNA损伤从而控制细胞周期，RAD23A与其类似基因RAD23B均与胃癌、结肠癌发生有关33-341.PRDX2 编码硫醇特异性过氧化物酶，该酶通过调节细胞内H2O2的浓度从而参与生长因子和肿瘤坏死因子的信号级联反应.研究显示PRDX2 表达与几种恶性肿瘤的发展有关，包括结肠癌、宫颈癌、肺癌、前列腺癌、肝癌和食道癌 35-10。PCAF又称KAT2B,KAT2B的表达辅助Hh-Gli信号通路的激活，而Hh-Gli通路的失调有助于包括胶质母细胞瘤和髓母细胞瘤等几种类型肿瘤的发展和维持 41。趋化因子和趋化因子受体表达随着KAT2B表达水平的增加而显著上调,因此高KAT2B表达有助于免疫细胞在肿瘤微环境中的迁移 42.通过GESA分析发现运动后基因表达水平与上述十二个癌相关基因或通路富集负相关，说明在一定程度上运动可以帮助代谢综合征患者预防多种肿瘤的发生.本研究选择PPI网络分析关键的节点进行探讨，分析combined_score值在O.8以上基因之间的联系，可以发现KDR、FL T 1、FG F2 2、FG F9、SEM A 6 A、PL XNA 2、A R G 1、PO U 5F1、PR D M 14等基因是明显的关键节点.其中 KDR与内皮细胞的增殖、存活、迁移和分化有关,还可以促进肌动蛋白细胞骨架的重组 43;FLT1 在胚胎脉管系统的发育、血管生成的调节、细胞存活、细胞迁移、巨噬细胞功能、趋化性以及癌细胞的人侵中起重要作用 4;FGF22在禁食反应、葡萄糖稳态、脂肪分解和脂肪生成中发挥作用,可刺激体外细胞增殖 45;FGF9 在胚胎发育、细胞增殖、细胞分化和细胞迁移的调控中发挥重要作用,也可能在发育过程中参与胶质细胞的生长和分化,在脑组织损伤后修复和再生过程中参与胶质细胞的分化和存活，以及参与神经胶质肿瘤的生长刺激 46.SEMA6A编码的蛋白质在其相关途径包括发育生物学和信号素相互作用 47;PLXNA2在轴突引导，侵袭性生长和细胞迁移中发挥作用 48;ARG1在新陈代谢、尿素循环和氨基代谢方面起重要作用 49;POU5F1在胚胎和诱导多能干细胞和谱系特异性标记物以及心脏祖细胞分化方面起重要作用 50 1;PRDM14 在中胚层定型途径和多能干细胞转录调控中起重要作用 514结论上述基因都不同程度地参与了运动对代谢综合征患者症状的调节作用以及抑制细胞癌变的潜在功能，而本研究获得的结论仍然需要更多的研究来进行验证.通过本次数据挖掘，探究了有氧运动对代谢综合征患者作用的靶基因，不仅为患者可以通过运动来改善症状提供了一定的理论依据，还为下一步机制的研究提供了参考.参考文献：1J BYE A,TJONNA A E,STOLEN T O,et al.Transcriptional changes in blood after aerobic interval training in patients withthe metabolic syndromeJJ.Eur J Cardiovasc Prev Rehabil,2009,16(1):47-52.2 李宾，姜晓峰.代谢综合征的研究进展J.国际检验医学杂志，2 0 18，39（2 4）：2 9 9 6-30 0 1.3J LIU M,WANG J,JIANG B,et al.Increasing Prevalence of Metabolic Syndrome in a Chinese Elderly Population:2001-2010J.PLoS One,2013,8(6):e66233.4彭玲，魏兆莲.多囊卵巢综合征患者抗苗勒氏管激素水平与代谢综合征的相关性探讨.现代妇产科进展，2 0 18,2 7(9)：6 8 9-6 92.5J MORRIS P,PACKIANATHAN C,VAN BLERK C,et al.Moderate exercise and fibrinolytic potential in obese sedentarymen with metabolic syndromeJ.Obesity research,2003,11(11):1333-8.6J KATZMARZYK P,LEON A,WILMORE J,et al.Targeting the metabolic syndrome with exercise:evidence 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