????????今天和大家分享的是2020年3月發(fā)表在Int. J. Mol. Sci.（IF：4.556)上的一篇文章，“Transcriptomic and Network Analysis Identififies Shared and Unique Pathways across Dementia Spectrum Disorders”梆暮，作者使用AD，VaD和FTD患者額葉皮層的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)羞福，通過網(wǎng)絡(luò)惕蹄、通路和轉(zhuǎn)錄因子分析確定癡呆癥相關(guān)基因蚯涮、通路治专，以及三種癡呆癥之間的異同。
Transcriptomic and Network Analysis Identififies Shared and Unique Pathways across Dementia Spectrum Disorders
轉(zhuǎn)錄組學(xué)和網(wǎng)絡(luò)分析確定癡呆癥譜系障礙的共有及獨(dú)特通路
一遭顶、研究背景
癡呆癥是一個(gè)日益嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題张峰，全球約有5,000萬癡呆癥患者，其中阿爾茨海默氏癥（AD）棒旗、血管性癡呆（VaD）和額顳葉癡呆（FTD）具有許多共同的臨床喘批、遺傳和病理學(xué)特征撩荣，至今尚沒有經(jīng)過完全驗(yàn)證的生物標(biāo)記物可以準(zhǔn)確診斷癡呆癥譜系障礙的患者，因而有超過50%的病例尚未確診饶深。作者比較了AD餐曹，VaD和FTD患者額葉皮層轉(zhuǎn)錄組，共有的通路和轉(zhuǎn)錄因子可能表明潛在的共同病因敌厘，而差異則有助于區(qū)分三種癡呆癥台猴。
二、分析流程
三俱两、結(jié)果解讀
1.腦轉(zhuǎn)錄組研究的數(shù)據(jù)挖掘及流程
檢索GEO數(shù)據(jù)庫(kù)和ArrayExpress數(shù)據(jù)庫(kù)中AD饱狂，VaD和FTD患者的大腦額葉皮層轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，確定了18個(gè)腦轉(zhuǎn)錄組研究宪彩，通過以下條件的篩選得到4個(gè)GSE數(shù)據(jù)集：
僅包括額葉皮層大腦區(qū)域休讳，有超過5個(gè)病例和對(duì)照。
不包括已知患者存在與癡呆癥有關(guān)的基因突變的研究（重點(diǎn)研究散發(fā)性癡呆癥）尿孔。
排除包括癡呆合并癥患者的研究俊柔。
使用BaseSpace Correlation Engine（BSCE）分析差異表達(dá)基因并對(duì)3個(gè)獨(dú)立的AD研究進(jìn)行meta分析，對(duì)VaD和FTD數(shù)據(jù)集進(jìn)行差異表達(dá)基因分析纳猫。
GSE84422包括125個(gè)樣本婆咸，作者納入了其中明確患有AD的21例樣本及11例神經(jīng)病理正常、年齡芜辕，性別和尸檢間隔匹配的對(duì)照尚骄。
GSE118553作者納入52例確診AD并在尸檢時(shí)進(jìn)行了神經(jīng)病理學(xué)評(píng)估的樣本，對(duì)照組27例侵续。
GSE122063包括來自AD和VaD的樣本倔丈，12例AD，9例VaD和10例正常對(duì)照状蜗。
GSE13162包括10例散發(fā)性FTD及和8例對(duì)照需五。
Venn圖對(duì)AD中鑒定的基因列表與VaD和FTD中DEGs進(jìn)行比較。
蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用和轉(zhuǎn)錄因子（TF）網(wǎng)絡(luò)分析確定失調(diào)通路轧坎。
表一：本研究選擇的GSE數(shù)據(jù)集信息
表二：本研究納入的樣本信息
2.AD,VaD和FTD中DEGs的相關(guān)性分析
作者分別分析了AD宏邮，VaD和FTD四項(xiàng)研究之間樣本的共同DEGs數(shù)量及其fold change的方向，結(jié)果顯示FTD與AD患者之間缸血、VaD與AD患者之間的表達(dá)譜顯著重疊且正相關(guān)蜜氨，而VaD和FTD的相關(guān)分析顯示正相關(guān)和負(fù)相關(guān)均存在，表明在這些癡呆類型的額葉皮質(zhì)中發(fā)生了相似的分子變化捎泻。
3.AD,VaD和FTD差異表達(dá)基因的分析
進(jìn)一步對(duì)3個(gè)獨(dú)立的AD數(shù)據(jù)集進(jìn)行meta分析飒炎，確定AD中普遍具有表達(dá)差異的基因。其中差異表達(dá)最顯著的是膜水通道蛋白AQP1笆豁。AQP1在生理?xiàng)l件下主要在腦室脈絡(luò)叢上皮中表達(dá)郎汪，參與腦脊液的形成赤赊，并且可以作為滲透壓傳感器，已在多種神經(jīng)退行性疾病的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了AQP1的表達(dá)增加煞赢，meta分析的結(jié)果可能表明AD早期水通量的控制發(fā)生了變化抛计。
表三：三種癡呆癥中顯著上調(diào)/下調(diào)的基因
Venn圖比較3種癡呆之間的共享和獨(dú)特的DEGs
12個(gè)共享的上調(diào)基因，包括AQP1及11個(gè)與神經(jīng)變性相關(guān)的基因：例如MTUS1的表達(dá)與AD患者的Braak分期有關(guān)照筑，并且可能與認(rèn)知障礙發(fā)作之前海馬體積的變化有關(guān)爷辱，QKI在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中特征性表達(dá)，其表達(dá)水平可預(yù)測(cè)AD相關(guān)基因APP朦肘，PSEN1饭弓，PSEN2和MAPT表達(dá)的變化。
下調(diào)基因的Venn分析確定了3個(gè)共享的下調(diào)基因媒抠，包括基因雙特異性磷酸酶6（DUSP6）弟断，在多種神經(jīng)退行性疾病中可作為生物標(biāo)志物的神經(jīng)生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)型（VGF）和細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白（ARC）。
圖一：Venn圖分析差異表達(dá)基因
4.AD,VaD和FTD中共享及獨(dú)特的生物途徑
對(duì)與AD趴生，VaD和FTD對(duì)應(yīng)的每個(gè)基因集進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和通路分析阀趴。使用NetworkAnalyst分別分析上調(diào)和下調(diào)的基因集，并使用DifferentialNet的人類額葉皮質(zhì)的蛋白互作數(shù)據(jù)苍匆，構(gòu)建三種癡呆癥的組織特異性網(wǎng)絡(luò)刘急，以minimum connected network進(jìn)行KEGG通路富集，最后比較了AD,VaD和FTD中共享的和獨(dú)特的生物途徑浸踩。
網(wǎng)絡(luò)圖中橙色為上調(diào)基因叔汁，藍(lán)色為下調(diào)基因。橢圓形標(biāo)記根據(jù)連接度及連接數(shù)量確定的hub基因检碗，表中以p值排序列出前20條失調(diào)通路据块。
AD中上調(diào)基因網(wǎng)絡(luò)以STAT3和EEF1A為中心，主要富集在粘附和緊密連接折剃，MAPK和PI3K-AKT信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)通路另假。下調(diào)基因網(wǎng)絡(luò)以鈣調(diào)蛋白3（CALM3）為中心，主要富集在鈣信號(hào)傳導(dǎo)通路怕犁。
STAT3是反應(yīng)性星形膠質(zhì)增生的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子边篮，在PI3K-AKT和神經(jīng)炎癥中的潛在作用值得進(jìn)一步研究。
下調(diào)基因的網(wǎng)絡(luò)結(jié)果支持AD的鈣假說奏甫，CALM3編碼鈣調(diào)蛋白戈轿，其表達(dá)失調(diào)尚未在AD中證實(shí)。
圖二：AD樣本DEGs的網(wǎng)絡(luò)和通路分析
??????? VaD中上調(diào)基因網(wǎng)絡(luò)以DNAJA1和PRPF40A為中心扶檐，主要在傳染病和炎性途徑中富集凶杖，上調(diào)通路包括NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)胁艰，補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)加工款筑。下調(diào)基因網(wǎng)絡(luò)以TP53為中心智蝠，富集在氨基酸的生物合成，戊糖磷酸途徑和心肌細(xì)胞的腎上腺素能信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中奈梳，還確定了其他與心血管有關(guān)的途徑杈湾，包括心肌收縮和肥厚型心肌病。
DNAJA1與AD和帕金森等多種神經(jīng)退行性疾病有關(guān)攘须，在VaD中的特定作用有待進(jìn)一步研究漆撞。
TP53已廣泛連接到許多代謝途徑，包括糖酵解于宙，糖異生浮驳，胰島素，脂肪形成和氧化磷酸化捞魁。其中磷酸戊糖途徑的失調(diào)可能使大腦容易受到毒性ROS的影響而加劇對(duì)腦血管系統(tǒng)的損害至会，靶向此途徑可能是VaD治療性干預(yù)的新路線。
圖三：VaD樣本DEGs的網(wǎng)絡(luò)和通路分析
FTD中上調(diào)基因網(wǎng)絡(luò)以組蛋白脫乙跗准螅基酶1（HDAC1）為中心奉件，主要富集在與ECM-受體相互作用，溶酶體和河馬信號(hào)通路相關(guān)的通路昆著，PI3K-AKT信號(hào)通路也被上調(diào)县貌，但不如在AD中顯著。下調(diào)基因網(wǎng)絡(luò)以Y框結(jié)合蛋白1（YBX1）為中心并主要富集在谷氨酸能突觸和MAPK信號(hào)通路凑懂，與AD相似煤痕，F(xiàn)TD中鈣信號(hào)傳導(dǎo)通路也下調(diào)。
圖四：FTD樣本DEGs的網(wǎng)絡(luò)和通路分析
??????? Venn圖分析顯示三種癡呆癥共有4種通路：MAPK信號(hào)傳導(dǎo)接谨，谷氨酸能突觸杭攻，安非他明成癮和血小板活化。AD與VaD共享16條通路疤坝，與FTD共享19條通路兆解，而VAD和FTD共享2條通路。
與MAPK信號(hào)相關(guān)的基因在AD中被上調(diào)跑揉，但在VaD和FTD中被下調(diào)锅睛，MAPK信號(hào)傳導(dǎo)的改變可能有助于區(qū)分不同類型癡呆癥。
AD和VaD的共有通路包括胰島素分泌历谍，碳代謝和鞘脂代謝现拒，表明代謝障礙在疾病中的影響，脂質(zhì)代謝的作用在VaD中研究甚少望侈。
AD和FTD中印蔬，PI3K-AKT和鈣信號(hào)通路分別被上調(diào)和下調(diào)，網(wǎng)絡(luò)研究表明脱衙，鈣/ cAMP的損傷和能量代謝是FTD中神經(jīng)元細(xì)胞死亡的主要誘因侥猬，而FTD中尚缺少鈣失調(diào)的相關(guān)研究例驹。
5.DEGs轉(zhuǎn)錄因子富集分析
使用ENCODE，ChEA和JASPAR數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄因子分析退唠，以確定AD鹃锈，VaD和FTD失調(diào)基因的關(guān)鍵調(diào)控因子，并分析確定了共有的轉(zhuǎn)錄因子瞧预。
在AD和VaD中鑒定了27種屎债、26種三數(shù)據(jù)庫(kù)共有的轉(zhuǎn)錄因子，而在FTD分析中使用JASPAR和ChEA數(shù)據(jù)庫(kù)確定了21種轉(zhuǎn)錄因子垢油。
Venn圖分析顯示AD和VaD共有21個(gè)轉(zhuǎn)錄因子盆驹，AD和FTD共有一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子EGR1，kruppel樣因子4（KLF4）是3種癡呆癥之間唯一共有的轉(zhuǎn)錄因子滩愁，已有研究顯示KLF4在AD中可作為潛在治療靶點(diǎn)召娜，但尚無證據(jù)表明KLF4參與VaD和FTD。
圖五：轉(zhuǎn)錄因子富集分析
小結(jié)
本文使用GEO和ArrayExpress數(shù)據(jù)庫(kù)中AD惊楼，VaD和FTD三種癡呆癥患者的額葉皮層轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)玖瘸，對(duì)三項(xiàng)AD研究進(jìn)行了meta分析，篩選差異表達(dá)基因檀咙，然后使用蛋白互作數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建三種癡呆癥的組織特異性網(wǎng)絡(luò)雅倒，確定hub基因，并且進(jìn)行了通路富集及轉(zhuǎn)錄因子富集弧可，比較共有的和獨(dú)特的通路及轉(zhuǎn)錄因子蔑匣，以確定具有診斷和治療潛力的基因及通路。
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編輯：凍鴛鴦
校審：糯米飯
