NP 神经可塑性 1687 - 5443 2090 - 5904 Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/5942980 5942980 研究文章 转录组修改后的大脑皮层无创性脑刺激:RNA-Sequencing方法 福尔摩斯 本 1 荣格 Seung何 1 陆 京 2 瓦格纳 杰西卡。 1 Rubbi Liudmilla 2 本赛季 马特奥 2 http://orcid.org/0000 - 0002 - 1429 - 5271 Jankord 瑞安 1 陆 Ming-Kuei 1 应用神经科学 作战人员接口部门 711人类绩效翼 空军研究实验室 赖特-帕特森空军基地 代顿 哦45433 美国 af.mil 2 部门的分子 细胞 和发育生物学 加州大学 洛杉矶 CA 90095 美国 ucla.edu 2016年 29日 12 2016年 2016年 10 08年 2016年 27 10 2016年 14 11 2016年 2016年 版权©2016本福尔摩斯et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

经颅直流电刺激(tDCS)已经被证明能够调节神经可塑性。有益效果观察患者的精神障碍和增强健康人的大脑性能tDCS后被观察到。然而,很少有研究试图阐明大脑的tDCS的基本分子机制。这项研究进行了评估tDCS对基因表达的影响在老鼠大脑皮层。阳极的tDCS是应用于三种不同强度其次是RNA-sequencing和分析。在每个电流强度,大约1000个基因表现出显著差异相比虚假的组。各种功能的途径、生物过程和分子分类被tDCS找到要修改的。tDCS对基因表达的影响依赖于电流强度。结果表明,炎症通路,antidepressant-related途径(三磷酸鸟苷信号,钙离子结合,跨膜/信号肽通路),和受体信号通路(肾上腺素,血清素激活的gaba ergic、多巴胺和谷氨酸)是最受影响的。tDCS诱导的基因表达谱,观察多个电流强度变化而其他变化独特的单一刺激强度。 This study demonstrates that tDCS can modify the expression profile of various genes in the cerebral cortex and that these tDCS-induced alterations are dependent on the current intensity applied.

 美国空军科学研究办公室 13 rh14cor 16 rhcor362 1。介绍

出版物的数量关于治疗和有益的影响经颅直流电刺激中枢神经系统(tDCS)在过去的几年中显著增加。tDCS的吸引力的主要原因之一,作为一种工具来修改神经可塑性和神经活动 1]是一种无创性脑刺激技术,tDCS耐受性良好,容易被其它外围疗法( 2, 3]。有研究指出tDCS作为替代治疗精神分裂症的方法( 4),阿尔茨海默氏症( 5),重度抑郁症 6, 7)、中风( 8),及其他神经系统疾病。此外,tDCS显示潜力协助在健康个体认知能力与先前的研究表明改善持续关注( 9),提高工作记忆( 10),和增强的功能连通性在空间导航网络( 11]。

动物研究已经进行了识别潜在的电生理学机制tDCS对大脑性能产生有益的作用。使用啮齿动物模型,研究表明,tDCS增加皮质兴奋性( 12),调制运动诱发电位( 13[],刺激突触机制 11),和增强海马突触可塑性( 14]。这些结果表明,tDCS可能是一个潜在的治疗选择患者神经和神经精神疾病和紊乱。兴趣,tDCS还观察到的影响后,停止刺激和持续数小时后tDCS治疗( 14- - - - - - 16]。

电生理机制相比,是不为人熟知的一分子和细胞通路受到tDCS的影响。斯培西亚足立et al。 17)报道,海马TNF - α水平减少了重复刺激8天(20分钟/天)。rodent-based的另一项研究表明,tDCS减少大脑中动脉occlusion-induced表达hemichannel pannexin-1在海马神经元除了防止occlusion-induced树突棘密度下降( 18]。闭塞的另一项研究报道,tDCS影响MAP-2和GAP-43表达在某些脑缺血大鼠的脑区 19]。总的来说,很少有研究已经进行了分析tDCS-induced蛋白质和基因表达的变化。因此,本研究的目的是评估的影响阳极的tDCS在大脑皮层,全转录组的概要文件的一个电极连接,并提供洞察的分子机制阳极的tDCS在不同电流强度。

在这项研究中,阳极的tDCS应用在几种不同强度(骗局,250 μ500年, μ一个,2000 μA)刺激后,解剖大脑皮层的收集,RNA提取,并使用新一代测序RNA-Seq分析完成(上天)技术,获得与Illumina公司RNA-sequencing系统。音序器的数据分析与燕尾服套件工具产生基因计数和褶皱的变化,分析了使用多个生物信息学数据库。结果表明,不同强度的tDCS可以调节基因的大量代表生物通路功能的集合。

 2。材料和方法 2.1。动物

男性的雄性sd大鼠中(9周)从查尔斯河实验室(MA)威尔明顿和安置在赖特-帕特森空军基地(WPAFB)动物设施。老鼠在300年和500年之间g被用于这些实验,双重安置与随意获得食物和水,并保持在12:12小时光暗周期。啮齿动物被随机分配到骗局,250 μ500年, μ一个,2000 μtDCS组( n 每组)= 7 - 8,所有实验都是在光周期和由12点完成。WPAFB机构批准的所有程序都是动物保健和使用委员会和执行按照美国国立卫生研究所的标准和指南的护理和使用实验动物(国家研究委员会,2013)。

 2.2。电极植入手术和经颅直流电刺激

啮齿动物和异氟烷麻醉(皮拉马尔,Shope地中海兽医,Mettawa, IL)平均2 - 3%在刺激和维护。一头切口暴露了植入区和一个头电极(大约5×5毫米,Axelgaard制造厂有限公司Fallbrook, CA)把中心放在矢状缝,2.5毫米尾前囱。头部的电极是巩固了头骨使用Metabond胶粘剂涂胶泥水泥(纽约Parkell Inc .)、埃奇伍德)。一旦水泥干燥、丙烯酸(Fisher Stoelting有限公司科学、匹兹堡、PA)添加在水泥帽。一头夹(AFRL, WPAFB)附加到头骨为了锚丙烯酸和维护帽的完整性。

 2.3。全转录组RNA-Sequencing性能

在阳极的tDCS 20分钟完成,老鼠立即实施安乐死,大脑皮层的一部分在阳极的tDCS位置收集和干冰冷冻。从大脑皮层总RNA提取利用RNeasy迷你工具,按照制造商的方案(试剂盒,瓦伦西亚,CA)。两只动物的RNA样本RNA-Seq分析结合在一起( n = 4 每组),以便足够数量的总RNA,然后,一夜之间运送到下一代测序(上天)设施在加州大学洛杉矶分校,CA。捷设施,图书馆是构建,样本多路复用和标记标准Illumina公司标签。使用Illumina公司下一代RNA-sequencing样本测序。

 2.4。生物信息学分析

首次获得的数据。qseq文件格式的RNA音序器,去复用,并存储在。fastq文件格式。大礼帽(2.0.6版)( 20.)一起领结(0.12.8版)( 21)是用于读取对齐UCSC基因组浏览器(老鼠基因组组装RGSC5.0 / rn5)。测序结果约5400万原始读取每个样本(意味着±SED: 54905147±1204160, p > 0.05 )和超过4000万年的独特映射读取(意味着±SED: 44790986±930596, p > 0.1 )。只有独特的基因映射读取(意味着±SED: 82%±0.25%)。基因读取被HTSeq量化(0.5.3p9版)( 22]运用75基因集。差异基因表达分析使用DESeq2(版本。1.4.5)[ 23)基因和基因没有读取所有样本被丢弃。正如前面推荐( 23),基因超过1.2日志2褶皱的变化表达和调整 p 值小于0.1的归类为显著差异表达。

大卫生物信息学( 24和黑豹分类系统 25)被用来分析差异表达基因。这些数据库被用来分类的基因功能组,对他们的生物功能提供信息。当使用大卫,浓缩分数截止被设置为1.3(对应于一个纠正 p 0.05)的价值。

黑豹分类系统( http://PANTHERdb.org/)也用于分类差异表达基因( 26]。基因名字列表进入生物体的选择和分析 鼠形。黑豹数据库公认的418、252和450个基因,分别从基因列表从250年开始,500年和2000年 μ一个样本识别率(至少77%)。基因被黑豹分类根据途径,生物过程和分子功能。黑豹数据库包含大约12000家庭的蛋白质,这些蛋白质也分为83000多个功能不同的蛋白质亚科( 25, 27]。

 2.5。加权基因Coexpression网络分析(WGCNA)

从DESeq数据标准化的基因表达值被用来构造签署coexpression网络使用R中的WGCNA包( 28]。低表达基因第一次被排除在分析去除噪声(总基因的数量从17749减少到12714)。网络建设和模块检测是基于WGCNA包手册。第一步后,数据输入和清洗完成后,基因网络的逐步建设和识别模块被用来构造一个加权基因网络对振动能量的5,无标度拓扑适合指数(SFT。 R 2 )是0.9250。基于拓扑的不同计算重叠从邻接矩阵转换用于分层聚类产生一个层次聚类树的基因被用于识别模块的最小模块的大小设置为30。动态树是用来识别相似的模块;他们的eigengenes计算集群基于他们的相关性,然后合并成模块,如果他们的相关性大于0.75。这降低了模块数量从40动态模块15合并模块。单个基因的协会与我们的特征,每个模块tDCS电流强度,量化了基因的意义定义为基因之间的相关性的绝对值和特征(见图 6(一))。相关模块的eigengene和基因表达谱进行了计算,定义为一个定量测量模块的会员。模块与基因对tDCS电流强度高的意义以及高模块成员识别和2模块顶部2最高的相关性( r ≤ 0.7 与 p ≤ 0.005 )被用来执行基因本体论(去)富集分析(表 4)。前30名来自最高的基因模块与VisANT 5.0[可视化 29日]基因连接(阈值为0.35)。

 2.6。统计方法

结果分析从HTSeq-count的名单, p 值,褶皱的变化和通路由大卫和豹表示。全球数据规范化运行之前通过大礼帽。一次大礼帽和HTSeq-count RNA-Seq数据运行,日志2褶皱的变化( 日志 2 ⁡ F C ), p 值测定来判断实验组和虚假的区别。只有那些满足最低要求意义的基因(有关详细信息,请参阅生物信息学分析)被认为是进行分析。

 3所示。结果

当 日志 2 ⁡ F C 比较虚假的动物之间,在3种不同的电流刺激,947年,945年和948年组织的基因被确定250 μ500年, μ一个,2000 μ分别一个。当数据被绘制(图 1),之间有一个清晰的分离这些刺激在250年或500年 μ一个,这些刺激,享年2000岁 μ答:2000年的刺激 μ显示一个标志整体增加褶皱变化。另一方面,250年和500年基因引起的 μ强度的阳极的tDCS 2000时表达了更多的刺激 μ强度的阳极的tDCS。

比较各种tDCS基因改变的强度。对于这个情节,DESeq可数日志数据被用来计算10意味着计数和日志2褶皱的变化。的 x 设在是日志10意味着计数的 y 设在是日志2褶皱从虚假的组。对于这个情节,基因的表达水平≥10项 p 值(单侧 t 每个tDCS之间以及和虚假的集团)小于0.05选择画情节。更大的距离为0 日志 2 ⁡ F C 代表一个大的变化从虚假的基因表达水平。

 3.1。大卫的途径分析生物信息学

大卫生物信息学分析被用来分类明显表达基因功能集群( 24)如图 2。总体而言,每个tDCS组包括独特的基因,因此,独特的功能集群,这并不表示任何其他组。这也是事实一些基因被发现在多个组。组有大量相关的基因包括跨膜/信号肽基因(22)在250年和500年的交集而不是2000年 μ,体液免疫反应(36基因)在250年和2000年的交集而不是500年 μ,防御和免疫反应(每6基因)在500年和2000年的交集而不是250年 μ一、细胞粘附/白细胞激活基因(37)在250年所有的交集,500和2000 μ答:一个独特的集群数量tDCS电流强度:特别是核糖体蛋白质有28个基因在250年 μ一组、信号肽与2000年的84个基因 μ一组,而不像其他集群,丰富细胞粘附在500 μ一组。有趣的是,没有功能集群集团500年发现的 μ一个只有重要的浓缩。

高纯度从大卫的生物信息学功能聚类的基因总数列在括号中。括号中列出每个电流刺激引起的是基因的数量(250 μ只有500 μ只有,2000 μ一只)。

 3.2。通路分析豹分类

黑豹数据库是用于执行功能选择的差异表达基因,通路分析和数据整合为一个热图(图 3)。通过查看一些相似之处很容易明显的热图;基因有关趋化因子和细胞因子介导的炎症通路掉进了最大或第二大功能通路在一些十字路口和250组 μ一个和2000个 μ答:另一个高度代表通路在250年和500年的交集 μ250年和2000年 μ一,250年,500年和2000年 μ是t细胞活化,这是最大的或第二大功能的途径。其他大型功能通路包括白介素信号、CCKR信号地图,细胞凋亡信号,表皮生长因子受体信号通路在250 μ一群;钙粘着蛋白信号和Wnt信号通路在500 μ一群;和信号转导通路在2000 μ一组250年的交集,500和2000 μ答:此外,许多神经递质功能通路受到tDCS的影响,如羟色胺、肾上腺素和多巴胺能通路。

热图从黑豹的生物学通路分析。热图是由情节(网上 https://www.plot.ly/)white-to-blue颜色主题和来自RNA-Seq从250年每组结果 μ(一),500 μ(B),和2000年 μ(C)只除了250 & 500的十字路口 μ(ab), 250 & 2000 μ(ac), 500 & 2000 μ(bc),所有3电流强度(abc)。

PANTHERDB分类分析被用来可视化功能的生物过程(图 4(一)(图)和分子蛋白质类别 4 (b))。功能性生物过程的分类,组之间的相似之处被发现。特别是,对于每一个强度、功能性生物过程与基因相关的最大数量的代谢和细胞过程(图 4(一))。免疫系统的过程,对刺激的回应,发展过程,和本地化也类别显示持续大量的基因,除了免疫系统过程在500年 μ一群。

结果黑豹分类分析。(一)功能生物过程分类。(b)分子功能的蛋白质类。

为了进一步探讨化妆品最大的功能性生物过程分类,基因与细胞(图有关 5(一个))和代谢(图 5 (b))流程列出,用饼图可视化。即使在类别,相似性组明显。在细胞过程中,细胞通讯控制每组,超过一半的与之相关的基因。同样,细胞周期和细胞组件运动类别相对大量的基因在所有组。基因与细胞通讯,每组最大的类别,列出在表 1。

基因检测的细胞通讯子类RNA-Seq数据集。

组 的基因列表
250年 μ一个只 Adap2, Blnk、Cd27 Cx3cr1、S1pr4 Igsf1, Lair1 Ltb, N μAk2、Osmr P2ry14、Phkg2 Birc3, Ccdc88b, Efcab7,宝石,Il10rb, Prkcd, Lrrc32,敝中断,S100a13, Slamf9, Tnfrsf14, Lck, Sik1, Stat1, Sucnr1 Tssk4
500年 μ一个只 Ibsp、Clec4a2 Fzd6、Gabrg1 Gabrr3, Il10ra,中的,Cd244, Ntf3, P2ry12, Pth2r, B3gnt4, Bmp8a, Dock2, Gsg2, Pcdhb8, Pcdhga1, Pcdhgb7, Unc5cl, Rps6ka6 Myo1b
2000年 μ一个只 Adamts1、Adamtsl4 Angpt2, Angptl2、Anxa1 Asgr1, Bmp5, C5ar2, Calcr, Calca, Cd40, Cxcl11, Cmklr1, Cartpt, Col1a2, Cubn, Cxcl10,作用,Frzb, Lgals3bp, Gadd45g, Gdf15,处于受控,Igfbp2, Itgb4, Il1b, Prg4, Llgl2, Mdk, Map3k8, Ogn, Pdgfrl, Pcolce, Pomc, Ptger2, Ptger4, Clec4a3, Col8a2, Csf2ra, Cyr61, Gpr31, Map3k19, Msr1, Rab20, S100a11, S100a6、Ssc5d, Selp, Sfrp1, Slc6a20, Slc22a6, Socs1, Cd4, Tnfsf4, Tnf,菲斯,Plau Wisp2
十字路口250 μ& 500 μ一个 Angptl4 Asgr2, Ccr5, Cd48因子、Cp Cxcl9, Csf3r, C1qb, Clec4a1, Drd4, Fgl2, Havcr2, Itgb2,出售,Lcp2, Myo1f, Prss12, Lcn2, Nfkbia, P2ry13, Pla2g2d, Plek, Btg2, Card11, Cfh, Dock8, Dtx3l, Gpr132, Gpr84, Rac2, Rhoh, S100a9, Slamf8, Tlr3, Vav1, Tnfrsf1b, Tacstd2, Fgr, Hck,林恩
十字路口250 μ& 2000 μ一个 Il2rg、Abi3 Asgr2、Bcl2a1 C5ar1, Cp, Clic1, Csf3r, C1qb, Clec4a1, Tspan8,循环流化床,Fgl2, Fbln2, Hcar2, Itgb2, Ifi35, Lcp2, Mgp, Myo1f, P2ry6, Plek, Ptgds, Arhgdib, Btg2, Card11, Cfh, Dock8, Dtx3l, Gpr132, Gpr84, Mlkl, Rac2, Rasal3, Rhoh, Slamf8,企鹅战争,Tlr3, Vav1, Ripk3, Socs3, Junb, Tgfb1, Tnfrsf1b, Tacstd2, Fgr, Hck,林恩
十字路口500 μ& 2000 μ一个 Asgr2 Cnr2, Cp, Csf3r、C1qb Clec4a1, Fgl2, Gpr183, Gna15, Itgb2, Lcp2, Myo1f, Ncf1, Nlrc4, Plek, Btg2, Card11, Cfh, Dock8, Dtx3l, Fyb, Gpr132, Gpr84, Naip6, Pram1, Rac2, Rhoh, Slamf8, Tlr3, Vav1, Tnfrsf1b, Tacstd2, Fgr, Hck,林恩
十字路口的电流强度 Asgr2, Cp、Csf3r C1qb、Clec4a1 Fgl2, Itgb2, Lcp2, Myo1f, Plek, Btg2, Card11, Cfh, Dock8, Dtx3l, Gpr132, Gpr84, Rac2, Rhoh, Slamf8, Tlr3, Tnfrsf1b, Tacstd2, Fgr, Hck,林恩

两大类别的基因本体论(去)功能性生物过程分析。(一)确定了六个子类从细胞类别。(b)七个子类从代谢过程确定类别。

加权基因Coexpression网络分析(WGCNA)。(一)网络热图阴谋。层次聚类系统树图中的每个分支对应于每个15个模块由WGCNA决定。颜色条系统树图和热图情节代表颜色eigengene-based连接。越来越红颜色表示高度相互关联的基因在每个模块。(b)的热图图的邻接eigengene网络包括特质tDCS电流强度。每行和每列的热图显示一个模块eigengene最后一行和列代表特征tDCS电流强度。正面和负面的相关性是由绿色和红色颜色,分别如图所示指标(范围:0.0 - -1.0)。(c) Module-trait (tDCS电流强度)的关系。每一行对应一个模块eigengene,每个单元格包含相应的相关(上)和 p 值(在括号)计算WGCNA包。(d)基因的意义(GS)的散点图tDCS强度与模块成员(MM)布朗模块。GS和毫米之间的高度显著相关布朗模块(相关= 0.74; p 值= 8.2 e - - - - - - 186年 )检测。(e)之间的网络连接布朗最相关基因模块,生成的VisANT软件(版本5.5)。情节显示网络连接的拓扑重叠的阈值高于0.35,和红色的基因是前三的基因有更多的连接。

代谢过程组是由一个特定的类别。特别是初级代谢过程在每组超过一半的基因,通常接近四分之三的基因。除了这个庞大的群体,含磷酸盐化合物代谢过程,氮的化合物代谢过程和生物合成的过程是确定从250年的团体 μ500年, μ一个,2000 μ和250年和500年的交集 μ答:这些过程频繁相对大量的基因与他们有关。与初级代谢过程相关的基因(最大的子群)表中列出 2。

基因检测的主要代谢过程子类RNA-Seq数据集。

组 的基因列表
250年 μ一个只 Alox5ap, Nostrin、Rpl3l Pdlim1、Hsd17b1 Pla2g7, Birc3, Cst7, RGD1564980, RGD1564138, LOC100360154, Tmem176b, Slc27a2, Tgm2, Tinagl1, Prkcd RGD1563220, N μAk2、Cbr3 Alx3、Ctss Cyp2j4, Si, RGD1562399, RGD1565048, Apol3, Ddx43, RGD1565844, Cmbl, Npc2, S100a13, Helz2, Phkg2、Vwf、Batf2, Lypd8, Sik1, Parp12,平台,Tssk4, Rpl39, Rpl30, Slamf9, Batf, Lck, Apoa5, Cx3cr1, Faxdc2, Rps15al2, Upp1, Cst3, Mov10, Stat1, Trim21, Herc6, LOC100361854 Rpl35a
500年 μ一个只 Mcmdc2、Gsg2 Rad51c、Smyd1 Phox2a, Zfp711, Cnot6l, LOC100361079, Ftcd, Rps6ka6, Cd55, B3gnt4, LOC102550734, Lgsn, LOC100360611, Gen1, Itih4, Zfp846, LOC100912373, Zfp961, Cd244, Napsa, Mgam, Bmp8a, RGD1562923 Lipm
2000年 μ一个只 Wfikkn2、Osr1 Asf1b,菲斯、Pcolce Cubn, Adgb, C3, Foxc2, Cmklr1, Cpz, Plau, Bmp5,玛夫,Zmynd15, Uba7,作用,Mybl2, Fut4, Aebp1, Enpp3, Ube2c, Ucp2, Srpx, Bhmt2, Cyp1b1, Selp, Nkx2-1, Dct, Tcea3, Klc3, Ecel1, Adamtsl4, Pim1, Adamts1, Pdlim2, Pdgfrl, Mcm3, Ptgr1, Map3k8, Hk3, Ada, Mcm5, Pbk, Ssc5d, Gdf15, Isg15, A2m, Hlx, Fmo3, Map3k19, Slc17a9, Abca4, Anxa1, Slc22a6, Slc5a5, Apol9a, Ogn, Foxd1, Alas2, Lgals3bp, Tbxas1, S100a11, Twist1, Ppp1r3b, S100a6、Igf2, LOC100363469, Cfd, Cd68
250年 μ一个 ∩500年 μ一个 St14, Ube2l6、F10 Vwa5a Ciita,出售,Fli1, Cp, Trim55, Aspg, Galns, Ggta1, Rnase6, RGD1563045, Cfh, Ccr5, Rgs1,安全系数,林恩,Slamf8, Nlrc5, Tspo Aga, Nfkbiz, Amy1a, LOC100361180, Rps6, Ptprc, Anxa3, Cd48因子,Fgr, Lcn2, Pla2g2d, Irf8, Rhbdf2, S100a9, Dtx3l, Msh5, Nlrp3, Nfkbia, Hck Prss12
250年 μ一个 ∩2000年 μ一个 Oas1a、St14 Anxa2、Ptpn6 Ube2l6, F10, Junb, Arpc1b, Ciita, Cp, Trim55, Aspg, Psme1, Ch25h, Ggta1, Tgfb1, Tmem176a, Clic1, Cfh,循环流化床,Oasl, Ptgds, Parp14, Hspb1, Ctsz, Rgs1, LOC297756,安全系数,林恩,Slamf8, Laptm5, c1, Ctsh, Oasl2, Mlkl, Nlrc5, A3galt2, ptg, Tspo Hpgd, Aga, Ifi30, Col6a3, Cd6, Slc7a8, Parp9, Nfkbiz, Ptprc, Anxa3, Apold1, Fgr, Cpxm2, Irf8, Tmprss2, Rhbdf2, Spi1, Ctsc, Ripk3, Dtx3l, Hcls1, Bcl3, Tap1, Nlrp3, Atf3, Parp10, Rasal3, Hck, Oas1k Cebpd
500年 μ一个 ∩2000年 μ一个 Hvcn1、St14 Ube2l6、F10 Ciita, Cp, Trim55, Aspg, Ggta1, Cfh, Nlrc4, Rgs1,安全系数,林恩,Slamf8, Nlrc5, Tspo Aga, Npas4, Nfkbiz, Ptprc, Anxa3, Fgr, Irf8, Rhbdf2, Apobec1, Dtx3l, Nlrp3, Hck, Naip6 Cebpd
250年 μ一个 ∩500年 μ一个 ∩2000年 μ一个 St14、Ube2l6 F10 Ciita, Cp, Trim55, Aspg, Ggta1, Cfh, Rgs1,安全系数,林恩,Slamf8, Tspo Aga, Nfkbiz, Ptprc, Anxa3, Fgr, Irf8, Rhbdf2, Dtx3l, Nlrp3 Hck

可以找到一致的模式功能的蛋白质分类如图 4 (b)。在所有组,受体蛋白有最大数量的相关基因。超出这一群体,群体之间有更多变化,但它是典型的磷酸酶,防御/免疫蛋白、信号分子和转移/载体蛋白有大量的基因与他们有关。最大的类别与受体相关的基因的分子功能的蛋白质,表中列出 3。黑豹整个转录组数据的分析表明,主要的子组内的受体蛋白质类是g蛋白耦合的受体,细胞因子受体,ligand-gated离子通道和受体蛋白激酶。

基因检测的受体子类RNA-Seq数据集。

子类别名称(加入) 组(基因) 的基因列表
g蛋白耦合的受体(PC00021) 250年 μ一只(4) Sucnr1、P2ry14 S1pr4 Cx3cr1
500年 μ一只(7) 中的,Fzd6、Pcdhb8 Pcdhga1 Pth2r, P2ry12 Pcdhgb7
2000年 μ一只(10) Cmklr1, Calcr、Ptger2 Gprc5a、Sfrp1 Frzb, Ptger4, Mrgprf, Gpr31 C5ar2
十字路口的250年 μ& 500 μ(5) Ccr5、P2ry13 Gpr84 Gpr132, Drd4
十字路口的250年 μ& 2000 μ(6) C5ar1、P2ry6 Gpr18、Gpr84 Gpr132 Hcar2
十字路口的500年 μ& 2000 μ(4) Cnr2、Gpr84 Gpr132 Gpr183
十字路口的电流强度(2) Gpr84, Gpr132
细胞因子受体(PC00084) 250年 μ一只(12) Igsf1、Tapbpl Lair1、Il10rb RT1-N3, Tnfrsf14, Il4r, Siglec1, Slamf9, Cx3cr1, Osmr Cd27
500年 μ一只(4) Il10ra、Clec4a2 Cd244 Cd79b
2000年 μ一只(8) Cmklr1、LOC100364500 Clec4a3 Il21r, Cd4, Cd40, Asgr1 Csf2ra
十字路口的250年 μ& 500 μ(10) Csf3r Clec4a1, Ccr5、Slamf8 Lag3, Csf2rb, Cd48因子,Havcr2, Tnfrsf1b Asgr2
十字路口的250年 μ& 2000 μ(9) Csf3r, Clec4a1、Cd33 Slamf8、Csf2rb Tnfrsf1b, Cd22, Asgr2 Il2rg
十字路口的500年 μ& 2000 μ(6) Csf3r、Clec4a1 Slamf8、Csf2rb Tnfrsf1b Asgr2
十字路口的电流强度(6) Csf3r、Clec4a1 Slamf8、Csf2rb Tnfrsf1b Asgr2
Ligand-gated离子通道(PC00141) 500年 μ一只(2) Gabrr3, Gabrg1
蛋白激酶受体(PC00194) 2000年 μ一只(2) Pim1, Pdgfrl

浓缩的分析2模块顶部2对tDCS强度最高。

项名称 词汇ID 模块 模块的基因数量 浓缩 p Bonferroni p 排在该模块
细胞外基质 去:0031012 布朗 68年 1.86 E - - - - - - 21 2.97 E - - - - - - 17 1
蛋白质的细胞外基质 去:0005578 布朗 57 5.12 E - - - - - - 20. 8.19 E - - - - - - 16 2
细胞外空间 去:0005615 布朗 116年 8.65 E - - - - - - 17 1.39 E - - - - - - 12 3
脉管系统开发 去:0001944 布朗 85年 1.84 E - - - - - - 15 2.95 E - - - - - - 11 4
组织发展 去:0009888 布朗 178年 3.51 E - - - - - - 15 5.63 E - - - - - - 11 5
对脂质 去:0033993 布朗 119年 4.40 E - - - - - - 14 7.04 E - - - - - - 10 6
有机物质反应 去:0010033 布朗 245年 8.04 E - - - - - - 14 1.29 E - - - - - - 09年 7
细胞外区域 去:0005576 布朗 299年 8.66 E - - - - - - 14 1.39 E - - - - - - 09年 8
伤口愈合 去:0042060 布朗 60 2.25 E - - - - - - 13 3.61 E - - - - - - 09年 9
血管的发展 去:0001568 布朗 78年 2.30 E - - - - - - 13 3.68 E - - - - - - 09年 10
药物反应 去:0042493 深灰色 23 1.68 E - - - - - - 07年 0.002690054 1
嗜酸性粒细胞趋化性 去:0048245 深灰色 5 2.84 E - - - - - - 07年 0.004554619 2
嗜酸性粒细胞迁移 去:0072677 深灰色 5 1.39 E - - - - - - 06 0.022334475 3
CCR趋化因子受体结合 去:0048020 深灰色 5 3.17 E - - - - - - 06 0.050721539 4
肝素结合 去:0008201 深灰色 9 4.37 E - - - - - - 06 0.070004182 5
糖胺聚糖绑定 去:0005539 深灰色 10 7.19 E - - - - - - 06 0.115057731 6
对尼古丁 去:0035094 深灰色 7 8.37 E - - - - - - 06 0.133943241 7
趋化因子的活动 去:0008009 深灰色 5 1.16 E - - - - - - 05年 0.186056475 8
脑脊液分泌 去:0033326 深灰色 3 1.79 E - - - - - - 05年 0.286908137 9
CCR1趋化因子受体结合 去:0031726 深灰色 3 1.79 E - - - - - - 05年 0.286908137 10
3.3。加权基因Coexpression网络分析(WGCNA)

评估基因表达和tDCS强度之间的关系,我们WGCNA进行分析。一个网络热图(图 6(一))是由WGCNA显示整体模块相关基因在层次聚类系统树图。WGCNA确定总共15合并模块。一个eigengene网络热图(图 6 (b)显示这15个模块eigengenes和tDCS强度之间的相关性(黑色箭头)。如图 6 (b),tDCS电流强度显著相关,只有布朗和eigengenes深灰色模块。图 6 (c)显示他们的相关性和 p 与tDCS电流强度特征值,只有两个模块显示绝对相关性值等于或大于0.7 p 值小于0.01:布朗模块( r = 0.78 , p = 0.001 )和深灰色模块( r = 0.7 , p = 0.005 )。基因的意义(生物学意义的指标)tDCS电流强度高度和显著相关模块成员(一个指标基因连接模块eigengene)布朗模块(图 6 (d))。因为布朗模块显示最高水平的关联度,前30名的基因从布朗退出模块和导出为视觉分析(图 6 (e))。基因,其中前30名3最six2高度相关的基因,是携带者,mpzl2(红色的球)。

基因本体论(去)注释的布朗和深灰色模块是用来识别基因在这些模块的功能通路(表 4)。分析确定前三排名最高通路在布朗模块标签:细胞外区域,蛋白质的细胞外基质,细胞外空间。在黑暗中灰色模块,3通道顶部反应药物,嗜酸性粒细胞趋化作用,嗜酸性粒细胞迁移。排名前20的通路中布朗和深灰色模块相结合,通路细胞外区域(299个基因),对有机物(245个基因),组织发展(178个基因),脂质(119个基因)和细胞外空间(116个基因)被发现有大量的基因。

 4所示。讨论

本研究是探讨如何进行阳极的tDCS影响整个大脑皮层中转录组表达和识别功能的生物通路调节大脑刺激。总体而言,一系列RNA-Seq数据的生物信息学分析表明,tDCS导致重要的转录组修改皮层和识别多个生物学途径,如各种受体信号、新陈代谢、细胞因子/趋化因子信号,细胞粘附和跨膜信号。此外,我们的研究结果还发现,不同电流强度不同对转录组表达水平的影响,从而证明了模式的基因诱导和响应的大小取决于tDCS电流强度。

我们首先使用大卫路径工具来识别功能基因,发现32功能集群的集群受到tDCS不同强度的影响。然而,并非所有的功能集群跨所有强度明显富集。聚类分析与大卫生物信息学导致25日,12日和21集群从250年的团体 μ500年, μ一个,2000 μ分别为一个(图 2)。所有强度刺激,在某种程度上,炎症/免疫途径,如免疫反应的激活基因(30),细胞粘附/白细胞激活基因(37),和积极的调节免疫调节信号转导基因(16)。更高强度的刺激影响更多的功能集群与炎症和免疫反应(42%,50%,和57%的集群在250有关,500年和2000年 μ一个组,分别地)。此外,炎症和免疫途径的调节在500年和2000年 μ一个组。这一结果可用于解释先前的调查结果显示,高强度产生负面影响(例如,组织损伤)啮齿动物皮层( 30.]。我们的组织学(未发表)的数据显示没有可见的病变或低于300 μ,但可见皮质病变是更大的强度时增加到500 μ一个。

越来越多的证据表明人类tDCS的抗抑郁药物的效果( 7)和啮齿动物( 31日),和我们的数据可能会提供更多的证据支持tDCS的抗抑郁作用。据报道,tDCS一些精神疾病的潜在治疗效果,如重度抑郁症,通过调节三磷酸鸟苷诱导信号通路在大脑皮层 32]。三磷酸鸟苷的调制信号还需要一些离子通道的激活,尤其是钙通道( 33]。大卫功能聚类结果表明,tDCS强度三磷酸鸟苷信号通路的影响。此外,我们的数据显示,250年和500年 μ钙离子强度影响更多的信号通路相关绑定和跨膜/信号肽。我们的研究结果表明,tDCS可以调节钙channel-to-GTP信号,提供一个潜在的机制tDCS可以提供一些精神疾病治疗和有益的影响。进一步的研究应该必要的澄清tDCS之间的交互,精神障碍,这些途径,基于研究结果报道。

大卫生物信息学分析也能够检测基因通路有关炎症,趋化因子和细胞因子信号后差异表达在不同强度的刺激。这些途径对新陈代谢和细胞间的沟通很重要,还可以对神经可塑性的影响,LTP,新的神经通路的发展( 12]。这些途径可以作为指标的神经可塑性的过程可能影响和神经损伤的预警信号,当建立安全参数目前tDCS的强度和持续时间。此外,神经炎症水平的提高,在高强度如图所示,已报告与认知障碍,认知能力下降,和抑郁,从而诱发消极行为变化( 34- - - - - - 37]。upregulation促炎细胞因子和通路与在我们的研究观察大脑的损伤,但也没有明显损伤发生时可观察到的。这些途径能表明一些损害发生,和这些通路的调节可以表明危险的电流强度可能是一个主题。

我们也分析了RNA-sequencing数据通过使用豹数据库除了大卫生物信息学。豹的使用数据库允许我们使用额外的数据库和数据分析允许结果用稍微不同的生物信息学方法解释RNA-sequencing数据。黑豹数据库分析显示,tDCS修改大约90个不同的功能性生物学途径,13生物过程,26皮层中的蛋白质分子分类。如图 4,结果显示类似的模式见大卫分析,如炎症/免疫信号传导和细胞内的信号通路。许多基因在250年和500年的交集 μ函数作为细胞内的信号,而大多数的基因中发现的交集强度都归类为免疫和炎症信号。正如上面所讨论的,文献[ 30.)和未发表的数据显示,tDCS享年2000岁 μ在皮层引起某种程度的损害(特别是在上层)。这个,除了大卫•功能分析的数据表明,2000年观察到的一些基因表达变化 μ一个是组织损伤的结果,可能通过诱导过高电流强度,和可能,因此,干扰电流强度的增加。

豹路径分析表明,在不同强度tDCS修改一些神经递质受体的信号通路,包括羟色胺、肾上腺素、gaba ergic,多巴胺,acetylcholinergic,谷氨酸,催产素受体。如谷氨酸受体,这些受体需要形成突触可塑性与Ras信号通路,和我们的数据发现该信号通路影响阳极的tDCS。有趣的是,250年 μ最伟大的表达强度显示Ras信号pathway-related基因,随着电流强度的增加,更少的基因表达。这些发现可能表明,神经递质受体相关的突触可塑性影响的刺激,但各级信号通路相关的突触可塑性更依赖于刺激电流强度。

黑豹生物分析工具,确定的两个最大的生物过程类别修改tDCS的电流强度水平细胞和代谢过程(图 4(一))。当这些类别进一步分解成子目录(图 5),我们发现,大多数基因在细胞和代谢过程被subclassified进细胞通讯和初级代谢过程类别(至少70%以上在每个子类)。这些子类的基因检测是列在表中 1和 2。简而言之,基因与细胞内信号通路有关,受体,和炎症反应在细胞通讯的子类别,发现基因与跨膜蛋白,代谢途径和细胞内信号通路被发现在初级代谢过程的子类别。这些结果表明,tDCS电流强度水平是有效的修改细胞代谢和沟通。

黑豹分子蛋白质分析还产生显著的发现,如图 4 (b)。黑豹分析显示20分子类tDCS的皮层受到影响。最大的蛋白质类的名称是“受体”在所有的组,其次是核酸绑定,信号分子和酶调制器类。我们进一步分析了最大的蛋白质类,受体,并发现四个子类:g蛋白耦合的受体,细胞因子受体ligand-gated离子通道和受体蛋白激酶。最大的子类中受体类别,g蛋白耦合的受体,是相关神经递质受体,代谢途径,细胞外和细胞内信号通路。受体蛋白质类的一个有趣的发现是,最大的蛋白质子类之一是细胞因子受体的影响。这个结果,tDCS显著影响各种受体通路,可以支持从黑豹分析获得的结果显示细胞通讯将发生重大变革。未来的研究应该才能阐明潜在的机制tDCS-related这些细胞因子受体的表达和其他受体在大脑皮层。

评估tDCS强度的影响在转录组表达,WGCNAs计算和,15个模块被确定。基因从顶部两个模块在他们执行路径分析注释。如表所示 4,一些功能通路模块已经检测到通路由大卫和PANTHERDB一样重要。特别是功能通路响应从布朗模块有机物质和肝素结合从黑暗的灰色模块已经被大卫功能分析(图 2)。虽然有些通路被WGCNA是独特的,例如,细胞外空间,细胞外区域,组织发展,脉管系统开发、布朗和血管发展的模块,其他途径从其他生物信息学分析具有明显的类似物。细胞因子和趋化因子信号通路都被这三种方法我们进行这项研究。这些相似性结果从WGCNA和大卫生物信息学和豹数据库分析突出tDCS的结果导致信号通路的变化,特别是涉及细胞因子和趋化因子受体,进而对神经细胞是如何沟通有重要影响,代谢和结构。

虽然几类基因,参与代谢或免疫反应,显著调节强度,这并不表明修改基因表达的tDCS并不存在剂量依赖的相关性。相反,一个类别的基因可能是调节强度,但属于这个类别的特定基因可能与强度,强度不同。事实上,一些特定的途径可以调节电流强度却有不同的结果取决于监管基因的存在与否,基因明显存在剂量依赖的相关性。一个显著的例子功能通路激活intensity-dependent地,通过大卫的分析发现,NLRP3 inflammasome。参与神经发生、炎症和神经可塑性,inflammasome导致il - 1的生产 β可以进一步上调炎症通路,两极分化的巨噬细胞积极M1表型,招募其他免疫系统细胞,导致组织损伤。在250年和500年 μ,这个途径是由il - 10和DUSP1, il - 1 β从虚假的组没有明显调节。在2000 μ,这张照片是逆转:监管元素类似于虚假的集团和il - 1 β显示3年来upregulation。因此,显然是剂量依赖的一个因素的变化表达水平对一些人来说,但不是全部,tDCS影响的基因。调制治疗应包括频率刺激,但只有可接受的电流强度参数,通过实验确定。

此外,我们的研究结果可以提供证据来支持长期的影响一次性阳极的tDCS对大脑性能,如神经可塑性。最近的一个电生理学的研究( 14]显示,有利影响的一次性阳极的tDCS神经可塑性和长期势差(LTP),据报道和急性tDCS-induced变化持续时间( 12, 14, 38]。这种持久的一次性大脑刺激的影响可能引起基因的变化,因此蛋白质、表情,和通路发挥重要作用在神经可塑性和LTP。虽然提供更多的证据是必要的,目前的研究表明,即使一次性阳极的tDCS修改各种基因和通路的表达,从而将表明,持久的一次性影响阳极的tDCS的大脑性能可能是转录组表达变化的结果。此外,未来的研究调查在转录组变化将更详细的时间也是必要的。

 5。结论

在这项研究中,我们发现,阳极的tDCS修改各种基因的表达在大脑皮层。我们的数据提供了转录组的证据来解释的重要性,阳极的电流强度的tDCS基因模式的归纳。这些结果显示数量的增加转录组变化相关的神经功能和识别指定的路径可能导致对大脑性能tDCS的有益影响。因此,可以利用无创tDCS大脑中调节基因表达和转录组的模式和大小对tDCS强度依赖于当前应用。

 相互竞争的利益

作者声明没有竞争的经济利益。

 作者的贡献

本福尔摩斯和Seung Ho荣格的贡献同样应该考虑这个工作和co-first作者。

 确认

本研究支持格兰特支持美国空军科学研究办公室(AFOSR)(资助13 rh14cor 16 rhcor362)和批准公开发行由美国空军研究实验室(分布:批准公开发布。88 12/22/2015 abw清除;88年abw - 2015 - 6167)。作者感谢Naomi Bechmann拉奎尔·摩尔,盐水休斯,r .安迪·麦金利梅兰妮的下巴,迪克·戈弗雷和安德鲁·吉梅内斯对这个研究的贡献。

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