肺结核肉芽肿相关差异基因的生物信息学分析

肺结核肉芽肿相关差异基因的生物信息学分析〔〕:

摘要：目的讨论肺结核〔Tuberculosis,TB〕肉芽肿的基因表达和生物学过程的改变，为肺结核肉芽肿形成与开展的分子机制研究提供生物信息学根据。方法从基因表达综合数据库〔GeneExpressionOmnibus,GEO〕下载肺结核肉芽肿的基因芯片数据集，应用生物信息学方法挑选差异表达基因，利用R语言clusterProfiler包进展基因本体论〔Geneontology,GO〕及通路富集分析。结果共获得4762个差异表达基因，包括4359个上调基因和223个下调基因。差异表达基因主要涉及嗜中性粒细胞活化、嗜中性粒细胞脱颗粒等生物反响过程，介导抗原肽结合、肽结合等分子功能，富集于溶酶体腔、FCN1颗粒等。通过STRING数据库分析蛋白互作网络的中心节点蛋白，寻找关键〔hub〕基因。结论ITGAM、PLAU、SERPINE、MAPK1、CXCR4、STAT1、CXCL9、IL8、MMP9、MMP1是肺结核肉芽肿的最相关特征基因，吞噬体、溶酶体、抗原提呈等信号通路与肉芽肿形成与开展亲密相关，为我们下一步研究提供重要线索。

关键词：肺结核肉芽肿；分子机制；差异表达基因；生物信息学

本文引用格式：张娜娜,曹华,解琪琪,等.肺癌合并肺栓塞临床特点回忆性分析[J].世界最新医学信息文摘,2022,18(72):39-41.

BioinformaticsAnalysisofRelevantGeneArraysinPulmonaryTuberculosisGranuloma

ZHAGNNa-na1,CAOHua1,XIEQi-qi2,WANYi-xin2*

(1.DepartmentofRespiratory,SecondHospitalofLanzhouUniversity,LanzhouGansu;

2.DepartmentofOrthopaedics,SecondHospitalofLanzhouUniversity,LanzhouGansu)

ABSTRACT:ObjectiveToinvestigatethegeneexpressionandbiologicalprocessoftuberculosis(TB)granuloma,providebioinformaticsbasisforthemolecularmechanismoftuberculosisgranulomaformationanddevelopment.MethodsDownloadedthegenechipdatasetoftuberculosisgranulomafromGeneExpressionOmnibus(GEO),themethodofbioinformaticswasusedtoscreendifferentiallyexpressedgenes,andRlanguageclusterProfilerpackagewasusedforgeneontology(GO)andpathEnrichmentanalysis.ResultsAtotalof4762differentiallyexpressedgeneswereobtained,including4359up-regulatedgenesand223down-regulatedgenes.Differentiallyexpressedgenesaremainlyinvolvedinneutrophilactivation,neutrophildegranulationandotherbiologicalprocesses,mediatingpeptidebinding,serine-typebindingandothermolecularfunctions,enrichmentinlysosomalcavity,FCN1particlesandsoon.ThecentralnodeproteinoftheproteininteractionnetworkwasanalyzedbytheSTRINGdatabasetofindthekeygene.ConclusionITGAM,PLAU,SERPINE,MAPK1,CXCR4,STAT1,CXCL9,IL8,MMP9andMMP1arethemostrelevantgenesofpulmonarytuberculosisgranuloma.Thesignalingpathwayssuchasphagosome,vidingimportantcluesforournextstudy.

KEYWORDS:Tuberculosisgranuloma;Molecularmechanism;Differentiallyexpressedgenes;Bioinformatics

0引言

肺结核〔Tuberculosis,TB〕是一种由结核分枝杆菌感染肺脏所引起的具有传染性的慢性疾病，在全世界广泛流传，据2022年统计，全球每年约有170万人死于肺结核【1】，为全球10大死因之一。结核杆菌〔Mycobact，eriumtuberculosis,Mtb〕感染不久之后，感染部位会形成肉芽肿，其构造包括核心的干酪样坏死组织，坏死灶周围的上皮样细胞、朗汉斯巨细胞，以及外层的淋巴细胞【2】。此时，感染机体处于埋伏状态，无明显疾病征兆。而5%-10%埋伏感染者会在2-3年内进展为活动性肺结核，引起Mtb的播散与传播【3】，其传染性强，死亡率高。目前大量研究集中在免疫角度解释肺结核肉芽肿的发生的机理[4-6]，而对其分子机制研究甚少。生物信息学作为一门新的学科领域，从核酸及蛋白序列层面解释疾病形成的可能分子机制，为实验研究提供可行的思路【7】。本文通过生物信息学相关方法对KimM等构建的肺结核肉芽肿芯片数据进展重新分析，以讨论基因对肺结核肉芽肿的调节，从分子程度提醒其发生开展机制。

1材料与方法

1.1材料

从NCBI的GEO数据库下载数据集GSE20220，基于GPL1352平台[U133_X3P]AffymetrixHumanX3PArray，表达数据为Expressionprofilingbyarray，种属Homosapiens。该芯片数据包括5例干酪样肉芽肿及2例正常肺组织提取总RNA进展基因芯片分析；本研究通过生物信息学分析其肺结核肉芽肿干酪样坏死组织及正常肺组织的基因芯片数据。

1.2数据处理及差异表达基因的挑选

原始数据用R语言软件包分析将原始文件通过RMA算法对原始数据进展背景校正、bootstrap校正、质量控制和标准化处理，并转化为探针表达矩阵，后根据GPL1352平台文件所对应的R语言软件包将探针名转化为基因名；通过R语言limma包挑选出差异表达基因，差异表达基因同时满足|log2foldchange(log2FC)|>2且P

2.2GO和KEGG通路富集分析

GO包括以下3个生物学局部：生物过程〔biologicalprocess,BP〕，细胞组成〔cellcularponent,CC〕和分子功能〔molecularfunction,MF〕。采用R语言clusterProfiler包对4762差异基因进展GO功能富集分析，选取前16位的功能富集类别。如图3所示，差异基因主要涉及中性粒细胞活化、嗜中性粒细胞脱颗粒、嗜中性粒细胞相关免疫反响等生物过程，介导抗原肽结合以及肽结合等分子功能，富集于胞内区；通路富集分析结果显示差异基因主要涉及吞噬体、溶酶体、结核通路、抗原提呈等经典信号通路。

2.3差异表达编码蛋白质间互相网络分析

STRING是一个由和预测的蛋白质互相作用数据组成的数据库，本研究将显著差异基因前100〔以|logFC|数值大小为标准〕输入STRING工具，然后将所得数据导入Cytoscape中，利用插件CytoHubba找出ITGAM、PLAU、SERPINE、MAPK1、CXCR4、STAT1、CXCL9、IL8、MMP9、MMP1为所得hub基因。

3讨论

近年来，关于肺结核肉芽肿组织样本的基因组学、转录组学和蛋白组学在分子机制研究中较热[10-12]。本研究的基因芯片数据集来源于GEO数据库，我们利用生物信息学方法比拟肺结核芽肿干酪样组织和正常肺组织样本的差异基因表达，共挑选出4726个差异基因，其中包括4539个上调基因和223个下调基因。

ITGAM、PLAU、SERPINE、MAPK1、CXCR4、STAT1、CXCL9、IL8、MMP9、MMP1，为所得的hub基因。目前关于ITGAM、MAPK1、CXCR4、STAT1、IL8、MMP9、MMP1基因在肺结核病中研究较多，且机制较明确。ITGAM主要表达于中性粒细胞和单核细胞，是一种主要的白细胞外表抗原家族。早在1998年，Ernst发现ITGAM是Mtb进入巨噬细胞的受体之一[13]。MAPK1为MAP激酶家族成员之一，参与多种细胞过程，如增殖、分化、转录调控和发育。肺结核患者通过MAPK1通路对Mtb产生强烈的免疫反响[14]。CXCR4是重要的趋化因子受体，调控各类细胞的转移和分化，且于血管生成相关，有研究[15]发现，肺结核肉芽肿相关促血管生成与CXCR4有亲密联络，CXCR4有望成为抗结核治疗的新靶点。STAT1是潜在的细胞质转录因子，介导各种生物反响，包括细胞的增值、存活、凋亡和分化。感染后期，非磷酸化STAT1抑制巨噬细胞凋亡，利于结核菌在细胞内存活和增值，造成结核杆菌的免疫逃逸[16]。MMP9、MMP1均为MMPS家族的成员，其与结核肉芽肿形成与播散有关[17,18]。CXCL9属CXC趋化因子家族，又被称作"干扰素伽玛诱导的单核细胞因子";，多项研究说明结核患者血浆中CXCL9显著高于安康者[19,20]，可作为结核诊断标识，但其高表达机制尚不明确，还有待进一步研究。目前对PLAU的研究主要集中在阿尔兹海默症[21]，SERPINE在妊娠方面研究较多[22]，而关于PLAU、SERPINE对肺结核肉芽肿的影响未见报道。

此外，KEGG通路富集分析显示，吞噬体、溶酶体、抗原提呈等信号通路在肺结核肉芽肿的形成与开展中起重要的作用。吞噬作用和吞噬溶酶体生物反响是机体消除外来微生物、抗原提呈等最根本的生物过程，Mtb通过抑制感染机体巨噬细胞的吞噬体成熟、抵抗吞噬细胞产生杀菌因子，影响巨噬细胞杀菌才能，进而使Mtb在体内长期存在[23]。抗原提呈细胞〔Antigen-presentingcells,APC〕与主要组织相容复合体II分子〔MajorhistopatibilityplexclassII,MHC-II〕结合促进CD4+产生，是抗Mtb的关键。而Mtb可以降低MCH-II的表达、降低抗原提呈、减少CD4+细胞识别被感染的巨噬细胞[23,24]，使Mtb免疫逃逸。抑制吞噬体成熟阻滞、阻碍Mtb对抗原提呈的影响可能是将来抗结核治疗的一个研究方向。

本研究通过生物信息学的方法分析肺结核肉芽肿相关基因之间的互相关系，讨论影响肺结核肉芽肿形成及进展的发活力制的遗传因素，为肺结核的预防、诊断和治疗提供遗传根底理论。虽然目前对于肺结核治疗的研究获得很大的进展，但仍存在各种问题与挑战。我们预测ITGAM、PLAU、SERPINE、MAPK1、CXCR4、STAT1、CXCL9、IL8、MMP9、MMP1是肺结核肉芽肿的最相关特征基因，吞噬体、溶酶体、结核通路、抗原提呈为肺结核肉芽肿的重要信号通路，可能与肉芽肿形成与开展亲密相关，值得进一步深化研究。

参考文献：

【1】OrganizationWH.Globaltuberculosisreport2022[J].AustralasianMedicalJournal,2022,6(2).

【2】RussellDG.Whoputsthetubercleintuberculosis?[J].NatureReviewsMicrobiology,2022,5(1):39-47.

【3】FlynnJL,ChanJ.Tuberculosis:LatencyandReactivation[J].InfectionandImmunity,2022,69(7):4195-4201.

【4】RhoadesER,GeiselRE,ButcherBA,etal.CellwalllipidsfromMycobacteriumbovisBCGareinflammatorywheninoculatedwithinagelmatrix:Characterizationofanewmodelofthegranulomatousresponsetomycobacterialponents[J].Tuberculosis,2022,85(3):159-176.

【5】PuissegurMP,BotanchC,DuteyratJL,etal.Aninvitrodualmodelofmycobacterialgranulomastoinvestigatethemolecularinteractionsbetweenmycobacteriaandhumanhostcells[J].CellularMicrobiology,2022,6(5):423-433.

【6】KarakousisPC,YoshimatsuT,LamichhaneG,etal.DormancyphenotypedisplayedbyextracellularMycobacteriumtuberculosiswithinartificialgranulomasinmice[J].JournalofExperimentalMedicine,2022,200(5):647-657.

【7】LuoYL,LiuYQ,Fang-YuAN,etal.BioinformaticAnalysisofRelatedKeyGenesinMalignantTransformationofMesenchymalStemCells[J].LifeScienceResearch,2022.

[8]LiuZ,PiaoL,ZhuangM,etal.SilencingofhistonemethyltransferaseNSD3reducescellviabilityinosteosarawithinductionofapoptosis[J].OncologyReports,2022,38(5):2796-2802.

[9]XuJF,WangYP,ZhangSJ,etal.ExosomescontainingdifferentialexpressionofmicroRNAandmRNAinosteosarathatcanpredictresponsetochemotherapy[J].Oncotarget,2022,8(44):75968-75978.

[10]SteinCM,SausvilleL,WejseC,etal.GenomicsofHumanPulmonaryTuberculosis:fromGenestoPathways[J].CurrentGeneticMedicineReports,2022,5(4):149-166.

[11]PappAC,AzadAK,PietrzakM,etal.AmpliSeqtranscriptomeanalysisofhumanalveolarandmonocyte-derivedmacrophagesovertimeinresponsetoMycobacteriumtuberculosisinfection[J].PLOSONE,2022,13(5):e198221.

[12]KumarG,ShankarH,SharmaD,etal.ProteomicsofCultureFiltrateofPrevalentMycobacteriumtuberculosisStrains:2DMapandMALDI-TOF/MSAnalysis[J].SLASDISCOVERY:AdvancingLifeSciencesRD,2022,22(9):1142-1149.

[13]ErnstJD.MacrophageReceptorsforMycobacteriumtuberculosis[J].InfectionImmunity,1998,66(4):1277-1281.

[14]TateosianNL,PellegriniJM,AmianoNO,etal.IL17AaugmentsautophagyinMycobacteriumtuberculosis-infectedmonocytesfrompatientswithactivetuberculosisinassociationwiththeseverityofthedisease[J].Autophagy,2022:1.

[15]TorracaV,TulottaC,Snaar-JagalskaBE,etal.ThechemokinereceptorCXCR4promotesgranulomaformationbysustainingamycobacteria-inducedangiogenesisprogramme[J].ScientificReports,2022,7:45061.

[16]YaoK,ChenQ,WuY,etal.UnphosphorylatedSTAT1repressesapoptosisinmacrophagesduringMycobacteriumtuberculosisinfection[J].JournalofCellScience,2022,130(10):1740-1751.

[17]SalgameP.MMPsintuberculosis:granulomacreatorsandtissuedestroyers[J].JournalofClinicalInvestigation,2022,121(5):1686.

[18]HrabecE,StrekM,ZiebaM,etal.Circulationlevelofmatrixmetalloproteinase-9iscorrelatedwithdiseaseseverityintuberculosispatients[J].IntJTubercLungDis,2022,6(8):713-719.

[19]WangX,JiangJ,CaoZ,etal.Diagnosticperformanceofmultiplexcytokineandchemokineassayfortuberculosis:2022科学研究与结核病防治顶峰论坛,2022[C].

[20]HasanZ,JamilB,KhanJ,etal.RelationshipbetweenCirculatingLeve