張平安,高娜,陳明哲,李瀟寧,紀(jì)國超,吳建軍*
(1.北京中醫(yī)藥大學(xué)第三附屬醫(yī)院,北京 100029;2.河南中醫(yī)藥大學(xué),河南 鄭州 450046)
慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmo‐nary disease,COPD)簡(jiǎn)稱慢阻肺,是以持續(xù)呼吸道癥狀和氣流受限為特征的慢性氣道炎癥疾病,發(fā)病過程中外周氣道、肺實(shí)質(zhì)和肺血管中巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞以及包括Tc1、Th1、Th17和ILC3淋巴細(xì)胞等炎性細(xì)胞明顯增加,并釋放多種炎癥介質(zhì)[1]。COPD 因其逐年升高的發(fā)病率,正逐漸成為影響人們健康的慢性疾病。2017 年全球疾病負(fù)擔(dān)研究指出,全球慢阻肺患者數(shù)約3 億人,從2007 年到2017年增長了24.9%[2]。研究證明COPD 存在持續(xù)的氣道與全身炎癥反應(yīng),炎性介質(zhì)、免疫細(xì)胞以及趨化因子的水平可以預(yù)測(cè)COPD 的急性加重及預(yù)后[3]。而白介素8(IL-8)和腫瘤壞死因子受體(TNF-α),在AECOPD(acute exacerbation of COPD)和COPD 患者血清中的表達(dá)升高并且與COPD的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[4]。通過分析COPD 患者連續(xù)3 年每年發(fā)生≥1次AECOPD 的個(gè)體相關(guān)因素發(fā)現(xiàn),COPD 頻繁急性加重表型與CT 表現(xiàn)的小氣道異常和白細(xì)胞介素8(IL-8)有關(guān)[5]。由此可知,IL-8可能通過參與炎癥反應(yīng)而誘導(dǎo)慢阻肺的急性加重,而調(diào)控IL-8 則可能成為治療COPD的潛在或有效途徑之一。
2011年,有研究提出競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA(ceRNA)可以通過其miRNA反應(yīng)元件作為miRNA海綿以調(diào)節(jié)其表達(dá)的假設(shè)[6]。近年有研究證明lncRNAs 具有ceRNAs 作用,并且在惡性和慢性疾病中發(fā)揮重要作用[7]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)miR-122-5p-A2M-LINC00987相互作用可能在COPD 中發(fā)揮重要作用[8],而miR-122-5p 又可能通過調(diào)節(jié)人血漿蛋白酶抑制劑(A2Mα2-巨球蛋白)以調(diào)節(jié)肺蛋白酶活性[9]。研究發(fā)現(xiàn)作為miRNA 調(diào)控的下游基因,白細(xì)胞介素(IL-8)可以通過調(diào)控ROCH 炎癥通路誘導(dǎo)氣道高反應(yīng)性和促進(jìn)氣道平滑肌痙攣,加重肺功能損害[10]。
但是目前IL-8在COPD的發(fā)病中其調(diào)控機(jī)制仍舊不明,因此本文擬通過GEO數(shù)據(jù)庫篩選與IL-8表達(dá)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),探究IL-8表達(dá)調(diào)控相關(guān)的作用機(jī)制。
本研究所采用的基因表達(dá)數(shù)據(jù)來源于GEO 基因表達(dá)綜合數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)。慢阻肺患者和正常對(duì)照組mRNA 數(shù)據(jù)來源于GSE5058、GSE38974,miRNA 數(shù) 據(jù) 來 源 于GSE24709,lncRNA數(shù)據(jù)來源于GSE107426。
利 用R3.5.2 軟 件 的limma 包 對(duì)GSE5058、GSE38974 數(shù)據(jù)的IL-8 表達(dá)量進(jìn)行獨(dú)立樣本秩和檢驗(yàn),而Wilcoxon 秩和檢驗(yàn)是一種流行的非參數(shù)檢驗(yàn),用于比較2 個(gè)獨(dú)立的總體的差異以篩選差異基因,數(shù)據(jù)格式為慢阻肺患者和正常對(duì)照組模式[11-12]。
將GSE5058、GSE38974 數(shù)據(jù)中的慢阻肺患者按照IL-8 的表達(dá)量進(jìn)行從高到低排序。按照IL-8表達(dá)量的中位數(shù)將患者分IL-8 高表達(dá)組和低表達(dá)組。本研究用GSEA(version 3.0)軟件對(duì)表達(dá)矩陣進(jìn)行分析,采用c5.all.v7.2.symbols.gmt 數(shù)據(jù)集,按照缺省參數(shù)設(shè)置進(jìn)行GSEA,設(shè)定隨機(jī)組合次數(shù)為1000,|NES|>1,P<0.05 的基因集被認(rèn)為是顯著富集的。
利用微生信在線數(shù)據(jù)平臺(tái)(http://www.bioin‐formatics.com.cn)繪制upset 圖,對(duì)GSEA 基因富集分析的GSE5058、GSE38974 數(shù)據(jù)中與IL-8 高表達(dá)呈正、負(fù)相關(guān)的基因取交集;利用R3.5.2軟件的相關(guān)limma 包對(duì)miRNA 數(shù)據(jù)集GSE24709 數(shù)據(jù)進(jìn)行差異miRNA 的分析,利用lncRNA 數(shù)據(jù)集GSE107426 篩選差異lncRNA,篩選條件為log2foldchange<-1,P<0.05 的miRNA 被認(rèn)為是顯著低表達(dá);并利用miRWalk(http://mirwalk.umm.uni?heidelberg.de/)篩選與IL-8 相互作用的miRNA;利用StarBase3 平臺(tái)(http://starbase.sysu.edu.cn/)篩選與miRNA 互相作用的lncRNA,然后利用Cytoscape3.7.1 軟件繪制IL-8-miRNA-lncRNA網(wǎng)絡(luò)圖。
將IL-8 高表達(dá)呈正、負(fù)相關(guān)的基因輸入String平臺(tái)(https://string-db.org/)構(gòu)建蛋白互作網(wǎng)絡(luò)(pro‐tein-protein interaction,PPI),選取“Homo sapiens”為蛋白屬種,最低相互作用閾值“medium confidence”(>0.15),其他參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)參數(shù),獲取PPI蛋白互作網(wǎng)絡(luò),利用Cytoscape3.7.1 軟件中MOCDE 插件進(jìn)行關(guān)鍵基因的篩選,篩選條件為Node Score Cutff:0.2,K-Core:2,Max Depth:100。
利用R3.5.2軟件中的clusterProfiler包對(duì)篩選出的IL-8 高表達(dá)呈正、負(fù)相關(guān)的關(guān)鍵基因進(jìn)行GO 和KEGG富集分析,篩選條件為矯正后的P值<0.05。
通過GEO 數(shù)據(jù)庫篩選出符合慢阻肺患者和正常對(duì)照組對(duì)比的mRNA 數(shù)據(jù)GSE5058 數(shù)據(jù)包含慢阻肺患者15 例,正常對(duì)照組患者24 例,GSE38974數(shù)據(jù)包含慢阻肺患者23 例,正常對(duì)照組患者9 例;miRNA 數(shù)據(jù)集GSE49881 數(shù)據(jù)包含慢阻肺患者41 例,正 常 對(duì) 照 組 患 者16 例;lncRNA 數(shù) 據(jù) 集GSE107426 包含慢阻肺患者1 例,正常對(duì)照組患者1例。如表1所示。
表1 數(shù)據(jù)集及分布情況Table 1 Data set and distribution
通過對(duì)慢阻肺患者和正常對(duì)照組IL-8 表達(dá)的水平發(fā)現(xiàn),IL-8 在慢阻肺患者中顯著高表達(dá)。其中GSE5058 數(shù)據(jù)中IL-8 的P值為0.000331,log2fold‐change=1.3084674,如圖1A 所示;GSE38974 數(shù)據(jù) 中IL-8 的P值 為0.000418,log2foldchange=2.2547985,如圖1B所示。
圖1 IL-8在GEO數(shù)據(jù)集中的表達(dá)Figure 1 Expression of IL-8 in GEO dataset
利用GSE5058 和GSE38974 這2 個(gè)數(shù)據(jù)集中的慢阻肺患者基因表達(dá)矩陣,分別計(jì)算IL-8 與其他基因表達(dá)的相關(guān)性。GSEA 分析發(fā)現(xiàn)有47 條通路顯著富集在IL-8 高表達(dá)患者中。如表2 所示,高IL-8患者富集的通路主要涉及細(xì)胞轉(zhuǎn)化和一些受體信號(hào)通路。對(duì)排名為前2 的通路進(jìn)行了展示(圖2 A、B)。其中GSE5058 數(shù)據(jù)集 篩選到314 個(gè)顯著與IL-8 表達(dá)相關(guān)的基因(147 個(gè)正相關(guān),167 個(gè)負(fù)相關(guān))。GSE38974 數(shù)據(jù)集篩選到2239 個(gè)顯著與IL-8 表達(dá)相關(guān)的基因(692個(gè)正相關(guān),1547個(gè)負(fù)相關(guān))。
圖2 GSEA基因富集分析IL-8高表達(dá)顯著相關(guān)通路top2展示Figure 2 Top 2 pathways related to high expression of IL-8 by GSEA gene enrichment analysis
表2 IL-8高表達(dá)相關(guān)的前20條通路Table 2 Top 20 pathways related to high expression of IL-8
通過微生信在線數(shù)據(jù)平臺(tái)(http://www.bioin‐formatics.com.cn)繪制upset 圖,對(duì)GSEA 基因富集分析的GSE5058、GSE38974 數(shù)據(jù)集中IL-8 高表達(dá)呈正、負(fù)相關(guān)的基因取交集,一共得到111 個(gè)相關(guān)基因(36 個(gè)正相關(guān),75 個(gè)負(fù)相關(guān),如圖3 A、B 所示);利用篩選得到的與IL-8相關(guān)的miRNA和miRNA相關(guān)的lncRNA 在Cytoscape3.7.1 軟件中繪制網(wǎng)狀圖,如圖3 C、表3所示,其中miRNA與mRNA呈負(fù)調(diào)控的關(guān)系;mRNA與lncRNA可競(jìng)爭(zhēng)性作用于miRNA。
表3 差異miRNA和差異lncRNA表達(dá)結(jié)果Table 3 Differential miRNA and lncRNA expression results
通過String 平臺(tái)將IL-8 高表達(dá)呈正、負(fù)相關(guān)的基因的PPI 蛋白互作網(wǎng)絡(luò)并根據(jù)篩選條件得到IL-8表達(dá)相關(guān)的正相關(guān)基因有PTGS2、STAT3、IL1B、TNF、VEGFA等20 個(gè);與IL-8 表達(dá)相關(guān)的負(fù)相關(guān)基因有PRKCZ、JUN、TGFB1、TP53、MAPK1等17 個(gè),如圖3D、E所示
圖3 IL-8正負(fù)相關(guān)基因、IL-8-miRNA-lncRNA環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)、IL-8正負(fù)相關(guān)基因PPI網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵基因篩選Figure 3 IL-8 positive and negative related genes,IL-8-miRNA-lncRNA ring network,and screening of key genes in PPI network of IL-8 positive and negative related genes
選取IL-8 表達(dá)正相關(guān)的基因進(jìn)行GO 和KEGG富集分析,以分析IL-8 表達(dá)促進(jìn)的功能(如圖4 C 所示)或通路(如圖4 D所示)。在GO功能方面上主要涉及細(xì)胞因子活性(cytokine activity)、G 蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合(G protein-coupled receptor binding)、激素活性(hormone activity)、激素受體結(jié)合(hormone receptor binding)、趨化因子受體結(jié)合(chemokine receptor binding)等通路的調(diào)控;KEGG 富集分析集中在IL-17信號(hào)通路(IL-17 signaling pathway)、腫瘤壞死因子信號(hào)通路(TNF signaling pathway)、NF-κB信號(hào)通路(NF-kappa B signaling pathway)、細(xì)胞因子-細(xì)胞因子受體相互作用(cytokine-cytokine recep‐tor interaction)等通路上。選取IL-8 表達(dá)負(fù)相關(guān)的基因進(jìn)行GO 和Kegg 富集分析,以分析IL-8 表達(dá)抑制的功能(如圖4 A所示)或通路(如圖4B所示)。在GO功能方面上主要涉及細(xì)胞因子受體結(jié)合(cyto‐kine receptor binding)、轉(zhuǎn)化生長因子β受體結(jié)合(transforming growth factor beta receptor binding)、組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶結(jié)合(histone acetyltransferase binding)、組蛋白脫乙酰酶結(jié)合(histone deacetylase binding)、磷脂酰肌醇3-激酶活性(phosphatidylinosi‐tol 3-kinase activity)等功能;KEGG 富集分析集中在非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer)、HIF-1信號(hào)通路(HIF-1 signaling pathway)、PI3K-Akt 信號(hào)通路(PI3K-Akt signaling pathway)等通路中。
圖4 IL-8正負(fù)相關(guān)基因GO富集和Kegg通路富集結(jié)果Figure 4 GO enrichment and KEGG pathway enrichment of IL-8 positive and negative related genes
IL-8 是一種有效的中性粒細(xì)胞募集和激活因子,與許多炎性肺?。毙院粑狡染C合征、慢性阻塞性肺疾病、哮喘)的發(fā)病機(jī)制有關(guān),其機(jī)制通過釋放彈性蛋白酶而損傷肺功能[13],且有研究通過酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)COPD 患者獲得的痰液標(biāo)本中IL-8 水平升高[14]。而通過對(duì)比COPD 和正常人之間的轉(zhuǎn)錄組表達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),IL-8 在COPD 患者中顯著高表達(dá),說明IL-8的高表達(dá)與COPD發(fā)病相關(guān)。
目前許多研究已經(jīng)證明lncRNA 可以與mRNA競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miRNA,以調(diào)控mRNA 的表達(dá)[15]。本研究發(fā)現(xiàn)環(huán)狀通路中hsa-miR-106a-5p、hsa-miR429、hsa-miR-32-5p 等可以調(diào)控IL-8 的表達(dá),而這一過程可 以 被USPS-AS1、CELF2-AS1、CELF2-AS2、SN‐HG5、DAPK1-1T1、MALAT1等lncRNA 競(jìng)爭(zhēng)性抑制。研究表明miR-32-5p 可能通過上調(diào)NFIL3 及抑制炎性因子TNF-α、IL-6 的表達(dá)以抑制脂多糖誘導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞凋亡和炎性反應(yīng)[16]。在MicroRNAs 作為COPD 分級(jí)標(biāo)志物的篩選、驗(yàn)證及功能分析中通過實(shí)時(shí)熒光PCR 方法檢測(cè)COPD 患者和正常人外周血中miR-106a-5p 的表達(dá),發(fā)現(xiàn)miR-106a-5p 在COPD 患者中顯著高表達(dá),在COPD 的發(fā)生發(fā)展中起重要作用,與COPD 的嚴(yán)重程度相關(guān)[17]。有研究證明lncRNA SNHG5 可以通過SNHG5-miR-132-PTFN 軸調(diào)控miR-132 下游靶標(biāo)PTEN 蛋白的表達(dá),以減輕香煙煙霧刺激對(duì)COPD人支氣管上皮細(xì)胞的增殖、凋亡和炎癥(IL-1β、IL-6 和TNFα)反應(yīng)[18]。還有研究表明lncRNA-MALAT1 可以通過調(diào)節(jié)MALAT1/miR-146a/COX2 軸,延緩COPD 肺功能的減低,并且可以減輕COPD 的慢性炎癥,有望成為預(yù)測(cè)COPD 嚴(yán)重程度的新型生物標(biāo)志物[19]。結(jié)合IL-8-miRNA-lncRNA 環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)可以得知,lncRNA中SNHG5、MALAT1可以通過競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miR-32-5p,發(fā)揮內(nèi)源性競(jìng)爭(zhēng)IL-8 以調(diào)節(jié)IL-8 在COPD 中的作用,因此推測(cè)lncRNA 中SNHG5、MALAT1 可以通過SNHG5/MALAT1-miR-32-5p-IL-8 軸調(diào)控IL-8在COPD中的炎癥過程。
通過PPI蛋白互作網(wǎng)絡(luò)分析得知,與IL-8高表達(dá)呈正相關(guān)的基因?yàn)門NF、VEGFA、PTGS2、STAT3、IL1B等蛋白,與IL-8高表達(dá)呈負(fù)相關(guān)的基因?yàn)镻RK‐CZ、JUN、TGFB1、TP53、MAPK1等蛋白;其中腫瘤壞死因子(TNF-α)作為COPD中的促黏附細(xì)胞因子,在COPD患者的血漿和痰液中明顯升高[20],并且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)TNF-α多態(tài)性基因表型可以影響慢性阻塞性肺疾病的臨床表型(增加發(fā)病率,使EV1下降增快、體重指數(shù)降低),此過程與肺分泌過表達(dá)TNF-α有關(guān),并伴有IL-8等炎癥因子的過表達(dá)和增加的中性粒細(xì)胞遷移[21]。研究表明血管內(nèi)皮生長因子(VEGFA)在COPD 中顯著高表達(dá)并參與人肺微血管細(xì)胞的凋亡過程,miRNA-206可以誘導(dǎo)VEGFA的過表達(dá),這一過程被miRNA-206 敲低顯著逆轉(zhuǎn)[22]。TP53 是一種應(yīng)激反應(yīng)基因,通過激活下游基因的轉(zhuǎn)錄發(fā)揮基因毒性應(yīng)激、致癌信號(hào)、細(xì)胞損傷。研究發(fā)現(xiàn)TP53 持續(xù)下調(diào)及其下游CDKNIA通路可能是通過COPD向鱗狀細(xì)胞癌(SQCC)發(fā)展,與抑制細(xì)胞周期停滯和細(xì)胞凋亡有關(guān)[23],因此推測(cè)高表達(dá)的IL-8 可能通過調(diào)節(jié)與其正負(fù)相關(guān)基因的表達(dá)來調(diào)控COPD 疾病的發(fā)生。
通過IL-8 表達(dá)正相關(guān)的基因進(jìn)行GO 和Kegg富集分析發(fā)現(xiàn),調(diào)控正相關(guān)基因表達(dá)的通路也有如下功能:如GC 發(fā)揮作用需要與GC 受體結(jié)合,形成GC-GR 復(fù)合物,而炎性通路的激活則會(huì)降低受體的表達(dá),減輕受體的活性,導(dǎo)致糖皮質(zhì)激素的不敏感[24],而通過對(duì)慢阻肺疾病激素不敏感與糖皮質(zhì)激素受體核內(nèi)移的相關(guān)性研究中發(fā)現(xiàn),COPD 患者外周血中GRα的核內(nèi)轉(zhuǎn)移與GC 的敏感性呈正相關(guān),而糖皮質(zhì)激素的減弱可能與GRα的核內(nèi)轉(zhuǎn)移受抑制/核內(nèi)GRα的降解有關(guān)[25]。還有研究表明,TNF-α/IL-17 信號(hào)通路可以靶向調(diào)控IL1B的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)CSE 刺激引起的慢阻肺支氣管上皮細(xì)胞的增殖,并抑制其凋亡以干預(yù)COPD 的發(fā)展[26]。此外通過研究發(fā)現(xiàn)核因子(NF)κB 可以調(diào)節(jié)細(xì)胞因子、趨化因子、生長因子、細(xì)胞黏附因子等多種靶基因的表達(dá),進(jìn)而調(diào)控各種組織細(xì)胞的炎癥與免疫反應(yīng)、細(xì)胞凋亡及增殖分化等生理過程[27],而NF-κB 信號(hào)通路的異常激活可以誘導(dǎo)TNF-α、IL-1β、IL-6 以及黏附分子等炎癥介質(zhì)的釋放,從而加重COPD的發(fā)生,通過抑制其通路可以阻斷COPD的進(jìn)展[28]。
通過IL-8 表達(dá)負(fù)相關(guān)的基因進(jìn)行GO 和Kegg富集分析發(fā)現(xiàn),調(diào)控負(fù)相關(guān)基因表達(dá)的通路有如下功能:慢性阻塞性肺疾病中持續(xù)存在的氧化應(yīng)激反應(yīng)可以降低肺組蛋白乙酰酶活性,打破組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶/組蛋白脫乙酰酶的平衡,進(jìn)而導(dǎo)致組蛋白分子過乙?;?、增強(qiáng)炎癥蛋白基因的轉(zhuǎn)錄和炎癥蛋白的合成,最終能夠阻斷糖皮質(zhì)激素的抗感染效應(yīng)[29]。另有研究發(fā)現(xiàn),PI3K-Akt 通路可干預(yù)HDAC2 的表達(dá)或活性,其機(jī)制為氧化應(yīng)激反應(yīng)激活PI3K/Akt 通路,使得該通路下游的信號(hào)蛋白Akt發(fā)生磷酸化,進(jìn)一步影響其下游的HDAC2,引起HDAC2 活性下降或失活,導(dǎo)致炎癥基因的轉(zhuǎn)錄和炎癥因子的合成加強(qiáng)[30-32]。還有研究發(fā)現(xiàn)小青龍湯中槲皮素等成分可以通過HIF-1 信號(hào)通路調(diào)控IL-6 等炎癥因子的釋放以干預(yù)COPD 發(fā)生發(fā)展中的氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)過程[33]。結(jié)合IL-8 表達(dá)正負(fù)相關(guān)基因的GO 和KEGG的研究發(fā)現(xiàn),與IL-8 表達(dá)正負(fù)相關(guān)的基因可能通過調(diào)控組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶結(jié)合、組蛋白脫乙酰酶結(jié)合、激素活性和激素受體等生物過程,以及PI3KAkt 通路、HIF-1 信號(hào)通路、TNF-α/IL-17 信號(hào)通路、NF-kB 信號(hào)通路等信號(hào)通路在COPD 的發(fā)生過程中抑制糖皮質(zhì)激素敏感性、參與炎癥反應(yīng)。
本研究利用生物信息學(xué)的研究方法,發(fā)現(xiàn)IL-8在COPD 疾病中顯著高表達(dá),并且通過篩選miRNA和lncRNA 得到了IL-8-miRNA-lncRNA 環(huán)狀網(wǎng)絡(luò),采用GSEA 軟件篩選出與高表達(dá)相關(guān)的正負(fù)相關(guān)mRNA,采用R 軟件發(fā)現(xiàn)部分GO 生物學(xué)過程和KEGG 通路涉及糖皮質(zhì)激素抵抗和炎癥反應(yīng)的機(jī)制。本研究顯示,IL-8 有望成為治療COPD 的新靶點(diǎn)。
廣東藥科大學(xué)學(xué)報(bào)2022年3期