生信小課堂

影響因子：7.3

研究概述：

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ERS）是潰瘍性結(jié)腸炎（UC）發(fā)展的關(guān)鍵因素；然而矩父，潛在的分子機(jī)制仍不清楚锉桑。這項(xiàng)研究旨在確定UC發(fā)病機(jī)制中與ERS相關(guān)的關(guān)鍵分子機(jī)制，并為UC提供新的治療靶點(diǎn)窍株。作者從基因表達(dá)綜合（GEO）數(shù)據(jù)庫(kù)獲得UC患者和健康對(duì)照組的結(jié)腸組織基因表達(dá)概況和臨床信息民轴，用ERS相關(guān)基因集進(jìn)行分析。利用加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）和差分表達(dá)分析來(lái)識(shí)別與UC相關(guān)的關(guān)鍵模塊和基因球订，并對(duì)UC患者進(jìn)行分類后裸，評(píng)估免疫細(xì)胞的浸潤(rùn)，探索潛在的生物機(jī)制冒滩，驗(yàn)證和識(shí)別ERS相關(guān)基因與生物制劑的關(guān)系微驶，使用連接圖（CMap）數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)了小分子化合物，進(jìn)行了分子對(duì)接旦部，以模擬小分子化合物和關(guān)鍵靶點(diǎn)的結(jié)合構(gòu)象祈搜。作者確定了915個(gè)差異表達(dá)基因（DEGs）和11個(gè)ERS相關(guān)基因（ERSRGs）较店，這些基因具有良好的診斷價(jià)值士八，并且高度相關(guān)。確定了五種共享微管蛋白抑制劑的潛在小分子藥物梁呈，其中諾思卡平與目標(biāo)的高結(jié)合親和力表現(xiàn)出最高的相關(guān)性婚度。活性UC和10個(gè)ERSRG與大量免疫細(xì)胞有關(guān)官卡，ERS也與活性UC的結(jié)腸粘膜入侵有關(guān)释树。在ERS相關(guān)亞型中觀察到基因表達(dá)模式和免疫細(xì)胞浸潤(rùn)豐度的顯著差異澎剥。結(jié)果表明，ERS在UC發(fā)病機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用，而諾斯卡平可能是UC的有前途的治療劑捞蛋。

關(guān)于非腫瘤生信，我們也解讀過(guò)很多颅和，主要有以下類型
1 單個(gè)疾病WGCNA+PPI分析篩選hub基因胡控。
2 單個(gè)疾病結(jié)合免疫浸潤(rùn)阻课，熱點(diǎn)基因集，機(jī)器學(xué)習(xí)算法等艰匙。
3 兩種相關(guān)疾病聯(lián)合分析限煞，包括非腫瘤結(jié)合非腫瘤，非腫瘤結(jié)合腫瘤或者非腫瘤結(jié)合泛癌分析
4 基于分型的非腫瘤生信分析
5 單細(xì)胞結(jié)合普通轉(zhuǎn)錄組生信分析

目前最新的機(jī)器學(xué)習(xí)思路是使用100多種機(jī)器學(xué)習(xí)組合進(jìn)行建脑蹦或者篩選關(guān)鍵基因署驻，這種方法在腫瘤中已經(jīng)發(fā)表多篇1區(qū)文章，例如
[最新1區(qū)8+純生信健霹，結(jié)合10種機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建模型旺上，換個(gè)腫瘤可重復(fù)！]

如果這種思路在非腫瘤中使用糖埋，勢(shì)必會(huì)給文章提高檔次抚官！目前非腫瘤生信發(fā)文的門檻較低，有需要的朋友歡迎交流

研究結(jié)果：

一阶捆、DEG的識(shí)別和功能注釋以及DEG的路徑豐富

1.作者確定了915個(gè)DEG凌节，其中593個(gè)被上調(diào)，322個(gè)下調(diào)（圖1A）洒试。熱圖展示了DEG的表達(dá)模式和組內(nèi)的相對(duì)一致性（圖1B）倍奢。

2.對(duì)915個(gè)DEG的GO富集分析結(jié)果表明，這些基因顯著參與白細(xì)胞遷移垒棋、白細(xì)胞趨化性和中性粒細(xì)胞遷移等信號(hào)通路（圖1C）卒煞。KEGG富集分析結(jié)果顯示，多種炎癥反應(yīng)相關(guān)途徑被激活叼架，包括IL-17信號(hào)通路畔裕、腫瘤壞死因子（TNF）信號(hào)通路、B細(xì)胞受體信號(hào)通路乖订、核因子kappa B（NF-κB）信號(hào)通路扮饶、趨化因子信號(hào)通路、細(xì)胞因子-細(xì)胞因子受體相互作用乍构、Toll樣受體信號(hào)通路和NOD樣受體信號(hào)通路（圖1D）甜无。

二、ERSRG的識(shí)別

1.使用WGCNA進(jìn)行模塊分類哥遮，確定了六個(gè)模塊（圖2A岂丘，B），選擇了與UC作為關(guān)鍵模塊的相關(guān)性最高的藍(lán)色模塊（r=0.66眠饮，p=6e?15）（圖2C）并篩選了藍(lán)色模塊中的680個(gè)樞紐基因（圖2D）奥帘，以便進(jìn)行后續(xù)分析。

2.通過(guò)識(shí)別ERG仪召、DEG和樞紐基因的交集基因寨蹋，通過(guò)Venn圖獲得了28個(gè)基因（圖3A）牲距。為了識(shí)別它們的相互作用，作者構(gòu)建了一個(gè)PPI網(wǎng)絡(luò)钥庇，并識(shí)別了11個(gè)degree>10的基因牍鞠。（圖3B）隨后確定了兩個(gè)集群模塊，集群1的得分更高评姨，與cytoHubba-MCC分析結(jié)果一致（圖3C）难述。作者測(cè)試了11個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄因子（TF）結(jié)合模式，這表明所有基因都受到NFAT5的調(diào)節(jié)（圖3D）吐句。

3.圖3E顯示了UC組和健康對(duì)照組之間11個(gè)ERSRG的表達(dá)模式胁后。作者還分析了ERSRG之間的相關(guān)性，并發(fā)現(xiàn)了顯著的協(xié)同效應(yīng)（圖3F）嗦枢。隨后進(jìn)行了ROC分析攀芯，以驗(yàn)證ERSRG的診斷意義（圖3G）。

三文虏、UC患者潛在治療藥物的預(yù)測(cè)

用CMap數(shù)據(jù)庫(kù)篩選可用于UC管理的有前途的小分子化合物侣诺，確定了五種具有微管蛋白抑制作用的潛在小分子藥物：阿苯達(dá)唑、芬苯達(dá)唑氧秘、氟苯達(dá)唑年鸳、灰富爾芬和諾卡平（圖4A）。這些化合物的結(jié)構(gòu)顯示在圖4B-F中丸相。根據(jù)藥物和基因之間的相關(guān)評(píng)分搔确，選擇了諾斯卡平進(jìn)行后續(xù)分析。

四灭忠、UC藥物對(duì)抗ERS的分子對(duì)接景觀

分子對(duì)接是通過(guò)找到小分子化合物和靶分子相互作用的最佳構(gòu)象來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性藥物設(shè)計(jì)和篩選的重要方法膳算。在這項(xiàng)研究中，從RCSB蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中下載了五個(gè)分辨率（小于3 ?）的分子靶點(diǎn)的晶體結(jié)構(gòu)弛作，AutoDock Tools1.57

對(duì)接諾斯卡平和折疊差異最大的五個(gè)分子靶點(diǎn)涕蜂。對(duì)接分?jǐn)?shù)小于-6千卡/摩爾，這表明諾斯卡平與目標(biāo)的結(jié)合親和力很高缆蝉。結(jié)合姿勢(shì)和位置如圖5所示宇葱，其中紅色代表化合物瘦真，黃色虛線代表氫鍵相互作用刊头。

五、ERSRG的驗(yàn)證

1.驗(yàn)證11個(gè)ERSRG的表達(dá)式水平诸尽，作者使用了一個(gè)外部數(shù)據(jù)集（GSE206285）原杂。與健康對(duì)照組相比，UC患者結(jié)腸組織中ERSRGs的表達(dá)水平明顯更高（圖6A）您机。ROC分析顯示穿肄，除PTPRC外年局，所有ERSRG的AUC都>0.750（圖6B）。作者進(jìn)一步分析了10個(gè)ERSRG（不包括PTRC）咸产。除IL-6外矢否，在GSE179128數(shù)據(jù)集中，活躍的UC患者與非活躍的UC患者相比脑溢，這些基因的水平更高（圖6C）僵朗。

2.作者還分析了GSE107499數(shù)據(jù)集，其中包含來(lái)自活躍UC患者的炎癥和非炎性結(jié)腸組織屑彻。該數(shù)據(jù)集中沒(méi)有檢測(cè)到CCL4验庙；因此，驗(yàn)證了其他9個(gè)ERSRG的表達(dá)社牲，這些ERSRG在活躍的UC患者的病變結(jié)腸組織中被發(fā)現(xiàn)上調(diào)（圖6D）粪薛。

六、活躍的UC的免疫浸潤(rùn)景觀

1.圖7A顯示了兩組每個(gè)樣本中免疫細(xì)胞類型的分布搏恤，而圖7B顯示了兩組之間浸潤(rùn)免疫細(xì)胞豐度的差異违寿。與健康對(duì)照組相比，發(fā)現(xiàn)更高水平的活化樹突狀細(xì)胞熟空、M0和M1巨噬細(xì)胞陨界、活化肥大細(xì)胞、中性粒細(xì)胞痛阻、活化CD4+記憶T細(xì)胞菌瘪、濾泡輔助T細(xì)胞和γ&δ T細(xì)胞。圖7C描述了22種免疫細(xì)胞類型之間的相關(guān)性阱当，Tregs和單核細(xì)胞的相關(guān)性最高俏扩。

2.作者檢查了10個(gè)ERSRG與免疫細(xì)胞之間的相關(guān)性（圖7D）。結(jié)果表明弊添，原始B細(xì)胞录淡、CD4記憶激活的T細(xì)胞、卵泡輔助T細(xì)胞油坝、M0和M1巨噬細(xì)胞嫉戚、活化樹突狀細(xì)胞、γ&δ T細(xì)胞澈圈、活化肥大細(xì)胞和中性粒細(xì)胞與10個(gè)ERSRGs呈正相關(guān)彬檀，中性粒細(xì)胞表現(xiàn)出最強(qiáng)的相關(guān)性。

七瞬女、活性UC的結(jié)腸粘膜侵襲與ERS有關(guān)

1.TNF-α抑制劑英夫利昔單抗（IFX）窍帝、戈利單抗（GLM）和IL-12/IL-23抑制劑烏斯特基單抗（Ust）等生物制劑被批準(zhǔn)用于治療UC，并被提議作為中度至重度UC的一線治療诽偷。使用GSE73661坤学、GSE92415和GSE206285數(shù)據(jù)集探索了生物制劑對(duì)ERS的影響疯坤。結(jié)果表明，在IFX治療之前深浮，與健康對(duì)照組相比压怠，UC患者的ERSRGs明顯升高，但I(xiàn)L-6和CCL4除外飞苇。在臨床反應(yīng)組中刑峡，與無(wú)反應(yīng)組相比，PTGS2玄柠、ICAM1和SELP的表達(dá)水平顯著降低（圖8A）突梦。在IFX臨床反應(yīng)組中，除IL-6和CCL4外羽利，ERSRGs的表達(dá)在IFX治療后顯著降低（圖8B）宫患。臨床反應(yīng)組的VCAM1、TLR2和MMP9表達(dá)水平在IFX治療后恢復(fù)到健康對(duì)照組的表達(dá)水平（圖8C）这弧。

2.在GLM治療之前娃闲，與健康對(duì)照組相比，活躍UC患者中所有10個(gè)ERSRG的表達(dá)都更高匾浪，臨床反應(yīng)組的IL1RN皇帮、ICAM1、CCL4蛋辈、TLR2属拾、SELP和IL1B的表達(dá)水平明顯低于非反應(yīng)組（圖8D）。GLM治療后冷溶，臨床反應(yīng)組中IL-6渐白、ICAM1、CCL4逞频、VCAM1纯衍、TLR2、SELP和MMP9的表達(dá)減少（圖8E）苗胀。然而襟诸，只有TLR2表達(dá)水平恢復(fù)到健康對(duì)照組的表達(dá)水平（圖8F）。

3.在Ust治療之前基协，與無(wú)反應(yīng)組相比歌亲，臨床反應(yīng)組的ERSRGs顯著減少，但VCAM1除外（圖9A）堡掏。此外应结，該數(shù)據(jù)集評(píng)估了接受Ust治療的UC患者的粘膜愈合情況。粘膜愈合患者中ERSRGs的基線表達(dá)模式與臨床反應(yīng)者相似（圖9B）泉唁。

八鹅龄、識(shí)別UC中與ERS相關(guān)的亞型

1.使用基于10個(gè)ERSRG表達(dá)模式的“ConsensusClusterPlus”R包對(duì)GSE206285數(shù)據(jù)集中的550個(gè)UC樣本進(jìn)行了無(wú)監(jiān)督聚類分析。當(dāng)k=2時(shí)亭畜，我們觀察到了穩(wěn)定的等型數(shù)（圖10A扮休，B），以及CDF曲線下面積從k=2到k=6的相對(duì)變化的顯著差異（圖10C）拴鸵。當(dāng)k=2（全部超過(guò)0.8）時(shí)玷坠，亞類型的一致性得分最高（圖10D）。因此劲藐，根據(jù)使用PCA分析觀察到的顯著差異八堡，我們將550個(gè)UC樣本分為兩個(gè)子類型，即子類型1（n = 491）和子類型2（n = 59）（圖10E聘芜，F(xiàn)）兄渺。

2.評(píng)估10個(gè)ERSRG表達(dá)的差異，所有10個(gè)ERSRG在亞型2中都顯著升高（圖11A汰现，B）挂谍。進(jìn)一步分析顯示，這兩種亞型之間的基因表達(dá)模式存在顯著差異（圖11C瞎饲，D）口叙。

3.比較UC患者兩種不同亞型（亞型1和2）之間Ust治療影響的差異，在接受8周的Ust治療后嗅战，UC患者亞型1組的粘膜愈合和臨床反應(yīng)的百分比明顯更高（圖11E妄田，F(xiàn)）。

進(jìn)行GSVA分析驮捍，以評(píng)估富含ERS相關(guān)亞型的功能和途徑的差異形庭。分析顯示，包括IL1β產(chǎn)生厌漂、IL1產(chǎn)生萨醒、IL1受體結(jié)合、對(duì)IL-6的反應(yīng)苇倡、IL-1介導(dǎo)的信號(hào)通路富纸、Toll樣受體結(jié)合和生長(zhǎng)因子受體結(jié)合的途徑在亞型2中上調(diào)（圖12A）。此外旨椒，F(xiàn)CγR介導(dǎo)的吞噬作用晓褪、凋亡和細(xì)胞因子相關(guān)途徑在亞型2中上調(diào)（圖12B）。

4.亞型1顯示更多的靜止樹突狀細(xì)胞综慎、M0巨噬細(xì)胞涣仿、M2巨噬細(xì)胞、靜止肥大細(xì)胞、漿細(xì)胞好港、CD8 T細(xì)胞愉镰、γ&δ T細(xì)胞和Tregs。亞型2顯示更多的活化樹突狀細(xì)胞钧汹、活化肥大細(xì)胞丈探、單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞拔莱、活化NK細(xì)胞和幼稚的CD4 T細(xì)胞碗降。（圖12C-E）

研究總結(jié)：本研究中，作者在UC中識(shí)別并驗(yàn)證了10個(gè)ERSRG塘秦，探討了現(xiàn)有UC療法對(duì)ERSRGs表達(dá)的影響讼渊。此外，確定了UC治療中針對(duì)ERS的小分子的新目標(biāo)尊剔。結(jié)果表明爪幻，ERS在UC發(fā)病機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用，而noscapine通過(guò)影響ERS可能是UC的有前途的治療劑赋兵。