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)鍵因素领铐；然而，潛在的分子機(jī)制仍不清楚宋舷。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)制绪撵，并為UC提供新的治療靶點(diǎn)。作者從基因表達(dá)綜合（GEO）數(shù)據(jù)庫獲得UC患者和健康對照組的結(jié)腸組織基因表達(dá)概況和臨床信息祝蝠，用ERS相關(guān)基因集進(jìn)行分析音诈。利用加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）和差分表達(dá)分析來識(shí)別與UC相關(guān)的關(guān)鍵模塊和基因，并對UC患者進(jìn)行分類绎狭，評估免疫細(xì)胞的浸潤细溅，探索潛在的生物機(jī)制，驗(yàn)證和識(shí)別ERS相關(guān)基因與生物制劑的關(guān)系儡嘶，使用連接圖（CMap）數(shù)據(jù)庫預(yù)測了小分子化合物喇聊，進(jìn)行了分子對接，以模擬小分子化合物和關(guān)鍵靶點(diǎn)的結(jié)合構(gòu)象蹦狂。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）誓篱，這些基因具有良好的診斷價(jià)值，并且高度相關(guān)凯楔。確定了五種共享微管蛋白抑制劑的潛在小分子藥物窜骄，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“谕停活性UC和10個(gè)ERSRG與大量免疫細(xì)胞有關(guān)邻遏，ERS也與活性UC的結(jié)腸粘膜入侵有關(guān)。在ERS相關(guān)亞型中觀察到基因表達(dá)模式和免疫細(xì)胞浸潤豐度的顯著差異虐骑。結(jié)果表明准验，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的有前途的治療劑廷没。

關(guān)于非腫瘤生信沟娱，我們也解讀過很多，主要有以下類型
1 單個(gè)疾病WGCNA+PPI分析篩選hub基因腕柜。
2 單個(gè)疾病結(jié)合免疫浸潤，熱點(diǎn)基因集，機(jī)器學(xué)習(xí)算法等盏缤。
3 兩種相關(guān)疾病聯(lián)合分析砰蠢，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)行建陌ν或者篩選關(guān)鍵基因台舱，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+純生信潭流，結(jié)合10種機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建模型竞惋，換個(gè)腫瘤可重復(fù)！
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研究結(jié)果：

一浑厚、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，其中593個(gè)被上調(diào)根盒，322個(gè)下調(diào)（圖1A）钳幅。熱圖展示了DEG的表達(dá)模式和組內(nèi)的相對一致性（圖1B）。

2.對915個(gè)DEG的GO富集分析結(jié)果表明炎滞，這些基因顯著參與白細(xì)胞遷移敢艰、白細(xì)胞趨化性和中性粒細(xì)胞遷移等信號(hào)通路（圖1C）。KEGG富集分析結(jié)果顯示册赛，多種炎癥反應(yīng)相關(guān)途徑被激活钠导，包括IL-17信號(hào)通路、腫瘤壞死因子（TNF）信號(hào)通路击奶、B細(xì)胞受體信號(hào)通路辈双、核因子kappa B（NF-κB）信號(hào)通路、趨化因子信號(hào)通路柜砾、細(xì)胞因子-細(xì)胞因子受體相互作用湃望、Toll樣受體信號(hào)通路和NOD樣受體信號(hào)通路（圖1D）。

二痰驱、ERSRG的識(shí)別

1.使用WGCNA進(jìn)行模塊分類证芭，確定了六個(gè)模塊（圖2A，B）担映，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废士，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），以便進(jìn)行后續(xù)分析蝇完。

2.通過識(shí)別ERG官硝、DEG和樞紐基因的交集基因矗蕊，通過Venn圖獲得了28個(gè)基因（圖3A）。為了識(shí)別它們的相互作用氢架，作者構(gòu)建了一個(gè)PPI網(wǎng)絡(luò)傻咖，并識(shí)別了11個(gè)degree>10的基因。（圖3B）隨后確定了兩個(gè)集群模塊岖研，集群1的得分更高卿操，與cytoHubba-MCC分析結(jié)果一致（圖3C）。作者測試了11個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄因子（TF）結(jié)合模式孙援，這表明所有基因都受到NFAT5的調(diào)節(jié)（圖3D）害淤。

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

三溪王、UC患者潛在治療藥物的預(yù)測

用CMap數(shù)據(jù)庫篩選可用于UC管理的有前途的小分子化合物，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)唑值骇、芬苯達(dá)唑莹菱、氟苯達(dá)唑、灰富爾芬和諾卡平（圖4A）吱瘩。這些化合物的結(jié)構(gòu)顯示在圖4B-F中道伟。根據(jù)藥物和基因之間的相關(guān)評分，選擇了諾斯卡平進(jìn)行后續(xù)分析使碾。

四蜜徽、UC藥物對抗ERS的分子對接景觀

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

對接諾斯卡平和折疊差異最大的五個(gè)分子靶點(diǎn)。對接分?jǐn)?shù)小于-6千卡/摩爾矢门，這表明諾斯卡平與目標(biāo)的結(jié)合親和力很高盆色。結(jié)合姿勢和位置如圖5所示，其中紅色代表化合物祟剔，黃色虛線代表氫鍵相互作用隔躲。

五、ERSRG的驗(yàn)證

1.驗(yàn)證11個(gè)ERSRG的表達(dá)式水平物延，作者使用了一個(gè)外部數(shù)據(jù)集（GSE206285）宣旱。與健康對照組相比，UC患者結(jié)腸組織中ERSRGs的表達(dá)水平明顯更高（圖6A）叛薯。ROC分析顯示浑吟，除PTPRC外笙纤，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）组力。除IL-6外粪糙，在GSE179128數(shù)據(jù)集中，活躍的UC患者與非活躍的UC患者相比忿项，這些基因的水平更高（圖6C）。

2.作者還分析了GSE107499數(shù)據(jù)集城舞，其中包含來自活躍UC患者的炎癥和非炎性結(jié)腸組織轩触。該數(shù)據(jù)集中沒有檢測到CCL4；因此家夺，驗(yàn)證了其他9個(gè)ERSRG的表達(dá)脱柱，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）。

六拉馋、活躍的UC的免疫浸潤景觀

1.圖7A顯示了兩組每個(gè)樣本中免疫細(xì)胞類型的分布榨为，而圖7B顯示了兩組之間浸潤免疫細(xì)胞豐度的差異。與健康對照組相比煌茴，發(fā)現(xiàn)更高水平的活化樹突狀細(xì)胞随闺、M0和M1巨噬細(xì)胞、活化肥大細(xì)胞蔓腐、中性粒細(xì)胞矩乐、活化CD4+記憶T細(xì)胞、濾泡輔助T細(xì)胞和γ&δ T細(xì)胞回论。圖7C描述了22種免疫細(xì)胞類型之間的相關(guān)性散罕，Tregs和單核細(xì)胞的相關(guān)性最高。

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）傀蓉。結(jié)果表明欧漱，原始B細(xì)胞、CD4記憶激活的T細(xì)胞葬燎、卵泡輔助T細(xì)胞误甚、M0和M1巨噬細(xì)胞、活化樹突狀細(xì)胞萨蚕、γ&δ T細(xì)胞靶草、活化肥大細(xì)胞和中性粒細(xì)胞與10個(gè)ERSRGs呈正相關(guān)，中性粒細(xì)胞表現(xiàn)出最強(qiáng)的相關(guān)性岳遥。

七奕翔、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）、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浩蓉，并被提議作為中度至重度UC的一線治療派继。使用GSE73661宾袜、GSE92415和GSE206285數(shù)據(jù)集探索了生物制劑對ERS的影響。結(jié)果表明驾窟，在IFX治療之前庆猫，與健康對照組相比，UC患者的ERSRGs明顯升高绅络，但I(xiàn)L-6和CCL4除外月培。在臨床反應(yīng)組中，與無反應(yīng)組相比恩急，PTGS2杉畜、ICAM1和SELP的表達(dá)水平顯著降低（圖8A）。在IFX臨床反應(yīng)組中衷恭，除IL-6和CCL4外此叠，ERSRGs的表達(dá)在IFX治療后顯著降低（圖8B）。臨床反應(yīng)組的VCAM1随珠、TLR2和MMP9表達(dá)水平在IFX治療后恢復(fù)到健康對照組的表達(dá)水平（圖8C）灭袁。

2.在GLM治療之前，與健康對照組相比窗看，活躍UC患者中所有10個(gè)ERSRG的表達(dá)都更高茸歧，臨床反應(yīng)組的IL1RN、ICAM1烤芦、CCL4举娩、TLR2、SELP和IL1B的表達(dá)水平明顯低于非反應(yīng)組（圖8D）构罗。GLM治療后铜涉，臨床反應(yīng)組中IL-6、ICAM1遂唧、CCL4芙代、VCAM1、TLR2盖彭、SELP和MMP9的表達(dá)減少（圖8E）纹烹。然而，只有TLR2表達(dá)水平恢復(fù)到健康對照組的表達(dá)水平（圖8F）召边。

3.在Ust治療之前铺呵，與無反應(yīng)組相比，臨床反應(yīng)組的ERSRGs顯著減少隧熙，但VCAM1除外（圖9A）片挂。此外，該數(shù)據(jù)集評估了接受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）音念。

八沪饺、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GSE206285數(shù)據(jù)集中的550個(gè)UC樣本進(jìn)行了無監(jiān)督聚類分析。當(dāng)k=2時(shí)闷愤，我們觀察到了穩(wěn)定的等型數(shù)（圖10A整葡，B），以及CDF曲線下面積從k=2到k=6的相對變化的顯著差異（圖10C）讥脐。當(dāng)k=2（全部超過0.8）時(shí)遭居，亞類型的一致性得分最高（圖10D）。因此旬渠，根據(jù)使用PCA分析觀察到的顯著差異魏滚，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坟漱，F(xiàn)）。

2.評估10個(gè)ERSRG表達(dá)的差異更哄，所有10個(gè)ERSRG在亞型2中都顯著升高（圖11A芋齿，B）。進(jìn)一步分析顯示成翩，這兩種亞型之間的基因表達(dá)模式存在顯著差異（圖11C觅捆，D）。

3.比較UC患者兩種不同亞型（亞型1和2）之間Ust治療影響的差異麻敌，在接受8周的Ust治療后栅炒，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，F(xiàn)）术羔。

進(jìn)行GSVA分析赢赊，以評估富含ERS相關(guān)亞型的功能和途徑的差異。分析顯示级历，包括IL1β產(chǎn)生释移、IL1產(chǎn)生、IL1受體結(jié)合寥殖、對IL-6的反應(yīng)玩讳、IL-1介導(dǎo)的信號(hào)通路、Toll樣受體結(jié)合和生長因子受體結(jié)合的途徑在亞型2中上調(diào)（圖12A）嚼贡。此外熏纯，F(xiàn)CγR介導(dǎo)的吞噬作用、凋亡和細(xì)胞因子相關(guān)途徑在亞型2中上調(diào)（圖12B）粤策。

4.亞型1顯示更多的靜止樹突狀細(xì)胞樟澜、M0巨噬細(xì)胞、M2巨噬細(xì)胞掐场、靜止肥大細(xì)胞往扔、漿細(xì)胞贩猎、CD8 T細(xì)胞、γ&δ T細(xì)胞和Tregs萍膛。亞型2顯示更多的活化樹突狀細(xì)胞吭服、活化肥大細(xì)胞、單核細(xì)胞蝗罗、中性粒細(xì)胞艇棕、活化NK細(xì)胞和幼稚的CD4 T細(xì)胞。（圖12C-E）

研究總結(jié)：本研究中串塑，作者在UC中識(shí)別并驗(yàn)證了10個(gè)ERSRG沼琉，探討了現(xiàn)有UC療法對ERSRGs表達(dá)的影響。此外桩匪，確定了UC治療中針對ERS的小分子的新目標(biāo)打瘪。結(jié)果表明，ERS在UC發(fā)病機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用傻昙，而noscapine通過影響ERS可能是UC的有前途的治療劑闺骚。