李志超,王 磊,薛景才,王文波,陳 煜,齊軍強(qiáng),許 鵬
1.山東中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院骨科,濟(jì)南 250002
2.山東中醫(yī)藥大學(xué)研究生院,濟(jì)南 250001
3.海軍軍醫(yī)大學(xué)研究生院,上海 200433
4.海軍軍醫(yī)大學(xué)長(zhǎng)征醫(yī)院骨科,上海 200003
以椎間盤退行性變(IDD)為特征的椎間盤疾病,給患者帶來(lái)了生理和心理上的痛苦,給家庭和社會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。IDD 的致病因素包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少、基質(zhì)降解、細(xì)胞凋亡、炎性因子增加、免疫應(yīng)答、遺傳因素和機(jī)械負(fù)荷等[2],但其具體機(jī)制目前仍不清楚。IDD 與免疫之間有很強(qiáng)的相關(guān)性[3],椎間盤的駐留細(xì)胞(纖維環(huán)和髓核)和浸潤(rùn)的免疫細(xì)胞分泌的炎性細(xì)胞因子是引發(fā)IDD 的關(guān)鍵因素[4]。發(fā)生退行性變的椎間盤使巨噬細(xì)胞傾向于促炎性極化,這似乎加劇了IDD[5]。
競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA(ceRNA)是一種新的基因表達(dá)調(diào)控模式。在調(diào)控過程中,一些長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNA)和微RNA(miRNA)結(jié)合,lncRNA 起到miRNA 海綿的作用,降低miRNA 對(duì)其靶基因的抑制作用,使靶基因在細(xì)胞中的表達(dá)量增加[6]。有研究[7-8]表明,IDD 的病理變化與lncRNA、miRNA 及其靶點(diǎn)的失衡以及許多不同細(xì)胞生物過程有關(guān)。失衡的ceRNA 相互作用軸可能是治療IDD 的關(guān)鍵目標(biāo)[9]。本研究通過加權(quán)基因共表達(dá)分析(WGCNA)構(gòu) 建IDD 中l(wèi)ncRNA-miRNA-mRNA 的ceRNA 網(wǎng) 絡(luò),篩選與IDD 免疫相關(guān)的關(guān)鍵基因,為尋找IDD 的新靶點(diǎn)和治療策略提供參考。
從基因表達(dá)匯編(GEO)數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)GSE67567 數(shù) 據(jù) 集 下 載IDD 人類退行性髓核組織和對(duì)照的髓核組織微陣列芯片數(shù)據(jù),GSE67567 數(shù)據(jù)集包含GSE56081(lncRNA 和mRNA 數(shù)據(jù))和GSE63492(miRNA)2 個(gè)子集,各包括來(lái)自5名健康志愿者和5例IDD患者的髓核樣本。
使用GEO 的在線分析工具GEO2R 獲得標(biāo)準(zhǔn)化的差異表達(dá)基因。根據(jù)GPL15314、GPL19449文件和GEO中的注釋信息,將探針轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的基因符號(hào)。對(duì)于差異表達(dá)的miRNA,將閾值設(shè)置為|log2FC| > 2、調(diào)整P< 0.05;對(duì)于差異表達(dá)的lncRNA,將閾值設(shè)置為|log2FC| > 1、調(diào)整P< 0.05。
使用Image GP工具(https://www.ehbio.com/Cloud Platform/front/#/)分 析GEO 中的mRNA 表達(dá)矩陣。首先構(gòu)建差異表達(dá)基因的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò),將其轉(zhuǎn)換為拓?fù)渲丿B矩陣,通過分層聚類和動(dòng)態(tài)樹切割算法,使用模塊特征基因和模塊關(guān)系來(lái)確定與表型相關(guān)的共表達(dá)模塊,最小模塊大小為30[10]。使用Enrichr數(shù)據(jù)庫(kù)(https://maayanlab.cloud/Enrichr/)分析每個(gè)模塊中的mRNA,進(jìn)行京都基因與基因組百科全書(KEGG)通路和基因本體(GO)生物過程的GSEA,篩選出與免疫調(diào)節(jié)關(guān)系最為密切的模塊。
通過Targetscan 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.targetscan.org)和miRTarbase 數(shù)據(jù)庫(kù)(http://mirtarbase.mbc.nctu.edu.tw/php/index.php)篩 選miRNA 靶 向 的mRNA,將這些mRNA 與上述所選模塊中的差異表達(dá)mRNA 取交集獲得免疫相關(guān)mRNA。同理,通過StarBase 數(shù)據(jù)庫(kù)(http://starbase.sysu.edu.cn/index.php)預(yù)測(cè)差異表達(dá)miRNA 調(diào)控的lncRNA。最后,使用Cytoscape 3.7.2建立lncRNA-miRNA-mRNA ceRNA網(wǎng) 絡(luò)。使 用Enrichr 對(duì)ceRNA 網(wǎng) 絡(luò) 中 的mRNA 的KEGG 通路和GO 生物過程進(jìn)行GSEA。
使用ImmuCellAI(http://bioinfo.life.hust.edu.cn/web/ImmuCellAI/)[11]比較GEO 數(shù)據(jù)庫(kù)中IDD 組和對(duì)照組的免疫浸潤(rùn)特征。ImmuCellAI 是一種基于轉(zhuǎn)錄組測(cè)序或芯片工具估計(jì)免疫細(xì)胞浸潤(rùn)豐度數(shù)據(jù)的工具,可以判斷18 種T 細(xì)胞和6 種其他類型免疫細(xì)胞的比例。
使用Pearson 相關(guān)分析確定ceRNA 網(wǎng)絡(luò)中CD4 naive 浸潤(rùn)與mRNA 和lncRNA 表達(dá)的相關(guān)性,以相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值> 0.8、P< 0.01 為條件篩選mRNA和lncRNA[12]。同法分析mRNA 和lncRNA 之間的相關(guān)性,篩選出關(guān)鍵lncRNA。利用篩選出的mRNA 和lncRNA,在之前的ceRNA網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建與CD4 naive相關(guān)的ceRNA 子網(wǎng)絡(luò)。
使用關(guān)鍵lncRNA 表達(dá)量的中位數(shù)對(duì)所有表達(dá)量進(jìn)行分組,并使用進(jìn)行GO 生物過程和KEGG 通路的GSEA。通過獲得的標(biāo)準(zhǔn)化富集評(píng)分(NES)及其相應(yīng)的P值(NOMP-val)篩選關(guān)鍵的生物過程和途徑。
使用GEO 數(shù)據(jù)庫(kù)中的另一個(gè)IDD 數(shù)據(jù)集GSE124272(包括8 例IDD 患者和8 名健康志愿者),通過IDD 和對(duì)照組基因表達(dá)的比較,分析差異表達(dá)基因,對(duì)獲得的關(guān)鍵基因進(jìn)行驗(yàn)證。
通過GEO2R 分析GSE56081 和GSE63492 數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù),經(jīng)過校正,得到15 220 個(gè)mRNA、370個(gè)miRNA 和623 個(gè)與IDD 相關(guān)的lncRNA。進(jìn)一步根據(jù)|log2FC| > 2、調(diào)整P< 0.05 篩選出35 個(gè)差異表達(dá)miRNA,均為低表達(dá);根據(jù)|log2FC| > 1、調(diào)整P< 0.05篩選出87個(gè)差異表達(dá)lncRNA,其中45個(gè)為低表達(dá),42 個(gè)為高表達(dá)(圖1)。
圖1 差異表達(dá)基因Fig.1 Differentially expressed genes
通過WGCNA 完成IDD 和對(duì)照組的共表達(dá)模塊構(gòu)建,通過聚類分析和動(dòng)態(tài)切樹算法,得到5 個(gè)不同顏色的模塊,并識(shí)別出與臨床特征相關(guān)的共表達(dá)模塊(圖2)。
圖2 WGCNA 結(jié)果Fig.2 Results of WGCNA
對(duì)每個(gè)模塊的KEGG 通路和GO 生物過程進(jìn)行GSEA,結(jié)果表明,與免疫調(diào)節(jié)最相關(guān)的是藍(lán)綠色(turquoise)模塊,總共包含1 808 個(gè)mRNA。藍(lán)綠色模塊的KEGG 通路主要包括剪接體、溶酶體、RNA降解、亨廷頓病、人T 細(xì)胞白血病病毒1 型感染、氧化磷酸化等,GO 生物學(xué)過程主要包括參與免疫反應(yīng)的中性粒細(xì)胞活化、纖溶酶原激活的調(diào)控、巨自噬調(diào)節(jié)、TORC1 信號(hào)的調(diào)節(jié)、中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的免疫、中性粒細(xì)胞脫顆粒等(圖3)。
圖3 藍(lán)綠色模塊的KEGG通路和GO生物過程Fig.3 KEGG pathways and GO biological processes of turquoise module
使用Targetscan 和miRTarbase 數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)受差異表達(dá)miRNA 調(diào)節(jié)的mRNA,Targetscan 數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得2 617 個(gè)、miRTarbase 數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得3 940 個(gè)mRNA,取交集后獲得160 個(gè)mRNA,再與免疫相關(guān)模塊中的mRNA 取交集得到25 個(gè)mRNA。使用StarBase 數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)出差異表達(dá)miRNA 調(diào)節(jié)的797個(gè)lncRNA,將其與差異表達(dá)lncRNA 取交集后獲得8 個(gè)lncRNA。使 用Cytoscape 3.7.2 構(gòu) 建lncRNAmiRNA-mRNA ceRNA 網(wǎng)絡(luò)(圖4a),獲得ceRNA 網(wǎng)絡(luò)中的mRNA,并對(duì)其KEGG 通路和GO 生物過程進(jìn)行GSEA。結(jié)果表明,GO 生物過程主要包括T 細(xì)胞耐受誘導(dǎo)調(diào)控、細(xì)胞對(duì)粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子刺激的反應(yīng)、CD4+α-β T細(xì)胞活化的正調(diào)節(jié)、細(xì)胞對(duì)轉(zhuǎn)化的反應(yīng)生長(zhǎng)因子刺激的反應(yīng)、α-β T細(xì)胞分化的正調(diào)節(jié)等(圖4b),KEGG通路主要包括Fox O信號(hào)通路、細(xì)胞衰老、SNARE 在囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)中的相互作用、MAPK 信號(hào)通路(圖4c)。
圖4 免疫相關(guān)ceRNA 網(wǎng)絡(luò)及GSEAFig.4 Immune-related ceRNA network and GSEA
使用ImmuCellAI 進(jìn)行免疫細(xì)胞浸潤(rùn)分析,結(jié)果顯示,CD4 naive、CD8 幼稚T 細(xì)胞(CD8 naive)、衰竭T 細(xì)胞(Tex)、自然調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞(nTreg)、誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞(iTreg)、輔助性T 細(xì)胞1(Th1)、輔助性T 細(xì)胞17(Th17)、濾泡輔助性T 細(xì)胞(Tfh)、中央記憶細(xì)胞(Tcm)、自然殺傷細(xì)胞(NKT)、黏膜相關(guān)不變T 細(xì)胞(MAIT)、樹突狀細(xì)胞(DC)、單核細(xì)胞(monocyte)、γ-σ T 細(xì)胞(Tgd)、CD4 T 細(xì)胞在IDD組與對(duì)照組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P< 0.05,圖5a),其中以CD4 naive T 細(xì)胞差異最為顯著,IDD 組豐度顯著低于對(duì)照組(P< 0.05)。
圖5 免疫浸潤(rùn)分析及l(fā)ncRNA 與mRNA 的Pearson 相關(guān)分析Fig.5 ImmuCellAI immune infiltration analysis and Pearson correlation analysis of lncRNAs and mRNAs
利 用ceRNA 網(wǎng) 絡(luò) 中mRNA 和lncRNA 的 表 達(dá)量篩選與CD4 naive T 細(xì)胞免疫浸潤(rùn)相關(guān)的關(guān)鍵基因,經(jīng)Pearson 相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)8 個(gè)lncRNA 和25 個(gè)mRNA 與CD4 naive T細(xì)胞浸潤(rùn)具有強(qiáng)相關(guān)性,其中1 個(gè)lncRNA(LINC00641)與10 個(gè)mRNA 呈強(qiáng) 正相關(guān)性(圖5b)。
在ceRNA網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)與CD4 naive T細(xì)胞相關(guān)的ceRNA子網(wǎng)絡(luò)(圖6a),關(guān)鍵mRNA可能是UHMK1、ZFP36L2、ZCCHC3、ZBTB20。在GSE56081數(shù)據(jù)集的GSEA 中,使用LINC00641 的中位表達(dá)值進(jìn)行分組,明確關(guān)鍵因子的調(diào)控途徑。結(jié)果顯示,許多機(jī)制與免疫密切相關(guān),這些相關(guān)的KEGG 通路包括嗅覺轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子信號(hào)通路、溶酶體、胞質(zhì)DNA 感應(yīng)通路、剪接體等(圖6b);GO 生物過程主要包括負(fù)調(diào)控細(xì)胞基質(zhì)黏附、白細(xì)胞遷移、細(xì)胞對(duì)細(xì)胞因子刺激的反應(yīng)、炎性反應(yīng)、白細(xì)胞遷移的調(diào)節(jié)等(圖6c)。
圖6 與CD4 naive相關(guān)的ceRNA 子網(wǎng)絡(luò)及GSEAFig.6 ceRNA sub-network associated with CD4 naive and GSEA
通過GEO2R 分析GSE124272 數(shù)據(jù)集的差異表達(dá)基因,結(jié)果顯示,LINC00641、UHMK1、ZFP36L2、ZCCHC3和ZBTB20這5個(gè)關(guān)鍵基因在IDD組和對(duì)照組中均存在差異表達(dá)(表1)。
表1 GSE124272數(shù)據(jù)集中關(guān)鍵基因的差異表達(dá)Tab.1 Differential expression of key genes in GSE124272 dataset
IDD 是臨床常見病,發(fā)生機(jī)制復(fù)雜[13]。一項(xiàng)薈萃分析[14]表明,突出的椎間盤會(huì)自發(fā)重吸收,即IDD 患者未經(jīng)手術(shù)治療或侵入性治療,脫出的髓核自發(fā)消失或明顯縮小,但現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道多為病例報(bào)告或回顧性研究,其機(jī)制可能與炎性反應(yīng)和免疫調(diào)節(jié)有關(guān)[15]。因此,尋找新的免疫靶點(diǎn)和新的治療方法具有重要意義。近年來(lái),基因表達(dá)譜的研究為越來(lái)越多的疾病篩選新型生物標(biāo)志物帶來(lái)了新思路與新方法[16],本研究旨在探索IDD 與免疫細(xì)胞的相關(guān)性并篩選相關(guān)的特征基因。
本研究通過基因表達(dá)譜鑒定差異表達(dá)基因,使用WGCNA 和GSEA 篩選免疫相關(guān)模塊,并構(gòu)建了 由8 個(gè)lncRNA、21 個(gè)miRNA 和25 個(gè)mRNA 組成的ceRNA 網(wǎng)絡(luò)。mRNA 的GO 生物過程與KEGG通路分析表明其與免疫關(guān)系密切,如T 細(xì)胞耐受誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)、CD4+的正向調(diào)節(jié)、T 細(xì)胞活化與分化的正向調(diào)節(jié)等生物過程,表明IDD 與T 細(xì)胞的調(diào)節(jié)有關(guān),T 細(xì)胞參與IDD 的病理過程。而結(jié)果中的其他相關(guān)通路,如Fox O 信號(hào)通路、MAPK 信號(hào)通路與炎性反應(yīng)及氧化應(yīng)激關(guān)系密切[17-18],鑒于炎性反應(yīng)是IDD 或椎間盤再生機(jī)制的中心,其平衡是維持組織穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵[19],抑制炎性反應(yīng)可能有助于治療IDD[20]。
本研究使用免疫細(xì)胞浸潤(rùn)分析的方法探索與IDD 具有強(qiáng)相關(guān)性的免疫細(xì)胞,結(jié)果發(fā)現(xiàn),IDD患者與對(duì)照組的CD4 naive 表達(dá)差異性最為顯著。Naive T 細(xì)胞也稱非致敏T 細(xì)胞,在暴露于抗原刺激之前處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。CD4 T 細(xì)胞是人體免疫系統(tǒng)中重要的免疫細(xì)胞[21]。最近的研究[22]表明,CD4 naive 的功能比以前認(rèn)為的要多,并且它們?cè)诒硇?、分化階段、持久性、功能和解剖位置方面是多種多樣的。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[19]表明,椎間盤內(nèi)促炎治療可使血液和淋巴結(jié)中的T 細(xì)胞亞群增加。另一項(xiàng)研究[23]表明,在髓核突出的椎間盤中存在CD4 和CD8 T 細(xì)胞。在本研究中,CD4 naive 和CD4 T 細(xì)胞在免疫細(xì)胞浸潤(rùn)分析后均存在顯著差異。Pearson 相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),UHMK1、ZFP36L2、ZCCHC3、ZBTB20和LINC00641 可能是IDD 免疫相關(guān)的關(guān)鍵靶點(diǎn),即IDD 的特征基因。本研究還篩選了1 個(gè)與CD4 naive相關(guān)的ceRNA 子網(wǎng)絡(luò),并將LINC00641 識(shí)別為關(guān)鍵因素,可將其作為IDD的潛在治療靶點(diǎn)。GSEA結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子信號(hào)通路可能是IDD 潛在的信號(hào)通路。上述關(guān)鍵基因的表達(dá)在GSE124272 數(shù)據(jù)集中得到了驗(yàn)證。
目前大多數(shù)與LINC00641相關(guān)的研究都與惡性腫瘤有關(guān)[24],也與糖尿病足的一些生物學(xué)過程有關(guān)[25]。在IDD 的研究中,Wang 等[26]發(fā)現(xiàn)LINC00641 可以直接與miR-153-3p 結(jié)合,作為miR-153-3p 的天然海綿,通過miRNA介導(dǎo)的沉默途徑靶向自噬相關(guān)基因5,并調(diào)節(jié)髓核細(xì)胞的自噬和死亡。本研究結(jié)果表明,LINC00641 可能通過免疫相關(guān)競(jìng)爭(zhēng)性調(diào)節(jié)基因機(jī)制影響IDD 的發(fā)生與發(fā)展。
本研究發(fā)現(xiàn)的與CD4 naive 相關(guān)的mRNA 目前研究尚少,這些mRNA與腫瘤和免疫密切相關(guān)[27-29]。UHMK1 可能參與RNA 加工,也可能參與白細(xì)胞的形成[30]。ZFP36L2 在CD4 naive 中高表達(dá),可抑制調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞的功能[31]。本研究的免疫浸潤(rùn)分析結(jié)果顯示,CD4 和CD4 naive 與IDD 密切相關(guān),間接驗(yàn)證了ZFP36L2 是IDD 的重要靶點(diǎn)之一。同時(shí),ZBTB20 可抑制CD8+T 細(xì)胞免疫代謝[32],并能促進(jìn)巨噬細(xì)胞炎性反應(yīng),啟動(dòng)先天免疫反應(yīng)[33]。這些結(jié)果為IDD 的診斷和靶向治療提供了新思路。
本研究通過GSEA 來(lái)識(shí)別LINC00641 的關(guān)鍵調(diào)控途徑,發(fā)現(xiàn)與免疫相關(guān)的關(guān)鍵途徑是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子信號(hào)通路、胞質(zhì)DNA 感應(yīng)通路、溶酶體通路等。胞質(zhì)DNA 感應(yīng)通路與先天免疫反應(yīng)密切相關(guān)[34],溶酶體是真核細(xì)胞的主要分解代謝區(qū)[35],許多炎性疾病的根本原因可能是自噬-溶酶體途徑的功能障礙[36]。最近有研究[37]表明,溶酶體與椎間盤細(xì)胞的死亡有關(guān)。近年來(lái),有研究[38]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)分化和免疫功能方面具有重要作用。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子信號(hào)通路對(duì)椎間盤的發(fā)育和生長(zhǎng)至關(guān)重要[39],但過度激活轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子信號(hào)對(duì)椎間盤是有害的,抑制異常的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子信號(hào)可以延緩椎間盤的退行性變[40]。因此,通過lncRNA 抑制轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子信號(hào)通路來(lái)減少炎性反應(yīng)可能是治療IDD 的有效方法。
本研究尚有一定的局限性,受現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的限制,本研究選取的樣本量有限,以后將增加樣本量進(jìn)一步研究探索;此外,本研究組未開展細(xì)胞實(shí)驗(yàn)或動(dòng)物實(shí)驗(yàn),未來(lái)將通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步驗(yàn)證關(guān)鍵lncRNA 和mRNA 在IDD 中的作用。
總之,本研究在WGCNA 的基礎(chǔ)上,將ceRNA、IDD 和免疫調(diào)節(jié)聯(lián)系起來(lái),構(gòu)建了一個(gè)與免疫調(diào)節(jié)相關(guān)的IDD ceRNA 網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,lncRNA LINC00641 是一個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn),它干預(yù)了mRNA(UHMK1、ZFP36L2、ZCCHC3、ZBTB20)的表達(dá)。同時(shí),CD4 naive 表達(dá)減少,這可能與IDD 的發(fā)生機(jī)制密切相關(guān)。lncRNA LINC00641 可能通過轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子信號(hào)通路調(diào)節(jié)IDD。這些結(jié)果將有助于從ceRNA 的角度更好地探索免疫調(diào)節(jié)在IDD 發(fā)展中的作用機(jī)制,并為治療靶點(diǎn)的開發(fā)提供思路。