基因Coexpression分析确定创伤性脑损伤后功能模块动态改变

文摘

创伤性脑损伤(TBI)是一种发病率和死亡率的主要原因,在成人和儿童人群。然而,创伤性脑损伤后基因表达谱的动态变化并没有完全理解。在这项研究中,我们确定了创伤性脑损伤后差异表达基因(度)。LOC100366216,值得注意的是,Serpina3n、Asf1b Folr1 Clec12a, Olr1, Timp1, Hspb1, Lcn2, Spp1被确认为最高的十大统计学意义。加权基因coexpression分析(WGCNA)确定12度的功能模块,显示特定的表达模式随着时间的推移和被浓缩的特点分析。具体来说,黑色和绿松石模块主要是参与能量代谢和蛋白质翻译。黄色绿色和黄色模块包括Hmox1 Mif, Anxa2, Timp1, Gfap, Cd9、Gja1, Pdpn,和Gpx1相关应对受伤,表明这些基因的表达,如Hmox1 Anxa2, Timp1可以保护大脑免受脑损伤。绿色黄色模块强调基因参与小胶质细胞的激活,如Tyrobp Cx3cr1,入库单,Trem2, C1qa, Aif1,表明这些基因负责创伤性脑损伤引起的炎症反应。这些基因的upregulation一直在验证一个独立的数据集。这些结果表明,小神经胶质细胞激活的关键基因可能作为一种有前途的治疗创伤性脑损伤的目标。 In summary, the present study provided a full view of the dynamic gene expression changes following TBI.

1。介绍

创伤性脑损伤(TBI)通常是由突然头部创伤,但其对患者有害的影响可以终身和动态1,2]。是全球死亡率和长期残疾的突出原因,和一个公认的危险因素神经系统和心理疾病,如阿尔茨海默氏症、慢性创伤性脑病,抑郁,和精神病3,4]。等慢性创伤性脑损伤引起的后果现在构成巨大的创伤性脑损伤的幸存者和社会负担,然而建立治疗慢性创伤性脑损伤的组织损伤和神经退行性变的进程仍然是一个挑战,因为我们的知识的长期和不断变化的致病机制背后post-TBI后果是非常有限的。

相信慢性创伤性脑炎症中起关键作用post-TBI神经退化,并努力解决代谢组学,蛋白质组学,在一系列post-TBI间隔和基因组的变化,希望能识别潜在的长期生物标记来定义损伤进展(2,5,6]。一项研究提供了时间的12个生物标志物在外伤性脑损伤患者的体液,演示了创伤性脑损伤的严重程度与峰高的分子,并暗示释放不同类型的分子机制可能不同,这进一步暗示连续测量是必不可少的创伤性脑损伤的诊断(7]。利用微阵列分析,最近的一项研究描述了异常表达的免疫介质和脑创伤性因素,随着再生免疫调节基因,在创伤性脑损伤动物模型,并指出这些基因表达的失调可以长期在最初的伤害(8]。还在实验创伤性脑损伤,高水平的表达Serpina3n, astroglial激活标记,发现在神经元损伤的早期阶段9]。与此同时,在另一项研究发现,淘汰赛的Serpina3n导致神经元,神经元细胞凋亡增加,MMP2-specific抑制剂可能作为治疗创伤的目标(10]。此外,Trem2和Tyrobp已经被确认为主要监管机构和治疗目标在创伤性脑损伤11,12]。在目前的研究中,为了更好地捕捉基因表达及相关生物功能的动态连续post-TBI时间点,我们进行微分表达式分析和coexpression分析来识别coexpression模块,他们的功能特征和传播的富集分析,预测,揭示一些关键基因post-TBI动态变化。

2。材料和方法

2.1。基因表达数据

皮层组织的基因表达数据下载从基因表达综合(GEO)加入GSE111452 [8]。共有60个样本收集的分析研究中。表达式值归一化到第75个百分位强度。此外,验证得到的基因表达数据从GEO加入GSE79441 [13)和归一化每kilo-million片段(FPKM)。

2.2。差异表达基因

微分表达式控制分析是由成对比较,骗局,和创伤性脑损伤样本在每个时间点。logarithm-transformed FPKM-based基因表达数据。对于每个比较,R limma包是用来确认差异表达基因(14]。的值调整的错误发现率(罗斯福)由多个统计测试,避免假阳性。

2.3。Coexpression网络和功能模块

加权基因coexpression网络分析(WGCNA)是用于识别功能模块(15]。具体来说,对振动能量最低的无标度拓扑适合被选中。重叠拓扑矩阵(汤姆)相似性计算使用的力量和表达数据差异表达基因。

2.4。传播的富集分析(奥拉)

浓缩传播的分析来确定基因的生物过程本体(去)丰富的基因功能模块内。超几何测试被用于计算值为每个术语,是在R中实现clusterProfiler包(16]。

2.5。随机森林分类器

中心基因的表达水平的7个功能模块用于分类器训练和验证。被随机分为训练集和验证集和被用来构建分类器和评估预测分类器的性能。建筑和预测模型实现的R e1071包(https://cran.r-project.org/web/packages/e1071/index.html)。

2.6。统计分析

两个示例和multisample对比测试的学生 - - - - - -分别测试和方差分析(方差分析)。斯皮尔曼相关系数和相应的值特征和中心之间的基因计算评价module-trait关系。Kolmogorov-Smirnov测试用于测试的浓缩六小胶质细胞activation-related基因在创伤性脑损伤的调节基因。

3所示。结果

3.1。创伤性脑损伤识别特异表达的基因

识别特异表达的基因在创伤性脑损伤(TBI),我们收集大鼠皮层的基因表达数据,得到在24小时,2周,3个月,6个月,1年受伤后,相应的消极控制(天真组)和四个复制。具体来说,我们发现了806,628,113,114,和94个差异表达基因(度)5个时间点,分别为(图1(一))。度的数量减少。此外,24小时和2周时间点共享度远远高于其他时间点(图1 (b);确切概率法,值< 0.001),表明时间间隔越短,越相似的基因表达谱。相比之下,中期到后期,从3个月到1年,共享度少得多,这表明基因表达谱在创伤性脑损伤后动态改变。

此外,我们确认了前十度排名的值,包括Serpina3n Asf1b、Folr1 LOC100366216, Clec12a, Olr1, Timp1, Hspb1 Lcn2, Spp1(图1 (c))。值得注意的是,Serpina3n最高达到了统计学意义和被观察到的调节在创伤性脑损伤组在早期和中期影响(数据1 (c)和1 (d))。这些结果表明,Serpina3n可能作为重要的监管机构在创伤性脑损伤。

3.2。功能模块参与创伤性脑损伤的识别

随着基因相互配合,可以coexpressed作为一个功能模块,然后构造加权基因coexpression网络识别功能模块使用加权基因coexpression网络分析(WGCNA),可用于发现集群(模块)的高度相关的基因。具体来说,我们发现由WGCNA 12度的功能模块(补充表S1,图2(一个))。值得注意的是,这些基因在每个模块(图显示高度相似的表达模式2 (b))。进一步将功能模块与样品的特点,我们进行了相关分析,并观察到黄色,青绿色,绿色和棕色的模块是高度相关的创伤性脑损伤在24小时和2周,而这些模块是很少与创伤性脑损伤中末项(图2 (c);值< 0.05)。微分特征基因的表达分析显示模块包括黄色、绿黄、青绿色,黑色,棕色,紫色,粉红色在创伤性脑损伤样本高度特异表达与控制(图2 (d);值< 0.05)。

3.3。WGCNA模块的功能描述

进一步描述WGCNA生物功能的模块,我们进行了基因集富集分析基因在7 TBI-related模块。具体来说,黑色和绿松石模块主要是参与能量代谢和蛋白质翻译(图3(一个))。黄色绿色和黄色模块相关应对受伤(图3(一个))。此外,棕色,粉红色和紫色模块在神经系统相关的生物功能(图的特征3(一个))。值得注意的是,这个基因编码核糖体蛋白质像RPL和rp的家人基因经常绿松石模块(图中标识3 (b))。Hmox1, Mif、Anxa2 Timp1、Gfap Cd9、Gja1, Pdpn, Gpx1参与应对受伤,表明这些基因可能对创伤性脑损伤(图3 (b))。绿色黄色模块强调基因参与小胶质细胞的激活,如Tyrobp Cx3cr1,入库单,Trem2 C1qa, Aif1(图3 (b)),这表明这些基因负责创伤性脑损伤引起的炎症反应。

3.4。预测疾病表型的基因中心内的模块

如图4(一),共有962个基因包括七个模块。特别是,黄色和棕色模块在学期初调节和表达下调,分别,但在中期到后期恢复正常(图4 (b))。绿松石模块是调节在早期和中期影响,但是在学期末恢复正常。此外,粉红色的模块被观察到的调节在6个月,但下调1年。这些结果表明,TBI-related模块是动态变化的。

作为7模块内的基因表现出明显不同的表达模式之间的创伤性脑损伤和控制,然后测试他们对创伤性脑损伤和控制样品分离能力。样本随机分为培训( )和测试( )集和分类器建立了基于训练集的中心基因。分类器达到一个更高的曲线下面积(AUC)为0.895的创伤性脑损伤的预测验证集( )。这些结果表明,中心基因与创伤性脑损伤密切相关。

3.5。小胶质细胞的激活负责炎症反应在创伤性脑损伤后的早期和中期影响

小胶质细胞的激活是丰富的基因在绿色黄色的模块中,然后测试关键基因的表达模式在小胶质细胞的激活和炎症反应。具体来说,我们观察到的关键基因,包括Trem2 C1qa, Aif1,入库单,Cx3cr1, Tyrobp始终调节早期和中期影响(图5(一个);值< 0.05)。来证实这一发现,我们收集到一个独立的基因表达数据和创伤性脑损伤和3控制样本。一致,6键在创伤性脑损伤样本基因调节与控制(值< 0.05;图5 (b))。此外,这些基因是高度集中在调节基因的创伤性脑损伤(Kolmogorov-Smirnov的测试,值< 0.05;图5 (c))。此外,六个基因也参与白细胞激活和炎症反应(图3 (b))。这些结果表明小胶质细胞的激活和六个关键基因负责炎症反应在创伤性脑损伤后的早期和中期影响。

4所示。讨论

创伤性脑损伤(TBI)是一种发病率和死亡率的主要原因,在成人和儿童人群。然而,创伤性脑损伤后基因表达谱的动态变化并没有完全理解。具体来说,我们发现度的数量随着时间的推移,减少后期和介质而言,从3个月到1年,共享度少得多,这表明基因表达谱在创伤性脑损伤后动态改变。因此,epigenetically动态变化也被观察到具有创伤性脑损伤后大脑组织(17]。度中,Serpina3n Asf1b、Folr1 LOC100366216, Clec12a, Olr1, Timp1, Hspb1, Lcn2, Spp1被确认为最高的十大统计学意义。值得注意的是,Serpina3n被发现是一种很有前途的创伤性脑损伤后神经炎症的目标(18]。Timp1已被视为对创伤性和缺血性脑损伤神经保护老鼠(19]。此外,Lcn2 (Lipocalin-2)是调节通过thrombin-induced脑损伤protease-activated receptor-1激活(20.]。这些结果表明,这些度高度与创伤性脑损伤有关。

WGCNA确定12度的功能模块,显示特定的表达模式随着时间的推移和被浓缩的特点分析。具体来说,黑色和绿松石模块主要是参与能量代谢和蛋白质翻译。先前的研究表明,葡萄糖代谢已经改变了创伤性脑损伤后(21]。黄色绿色和黄色模块包括Hmox1 Mif, Anxa2, Timp1, Gfap, Cd9、Gja1, Pdpn,和Gpx1相关应对受伤,表明这些基因的表达,如Hmox1 Anxa2, Timp1可以保护大脑免受脑损伤(19,22,23]。绿色黄色模块强调基因参与小胶质细胞的激活,如Tyrobp Cx3cr1,入库单,Trem2, C1qa, Aif1,表明这些基因负责创伤性脑损伤引起的炎症反应。这些基因的upregulation已验证测试数据集。一致,Tyrobp和Trem2被确定为主要中心在人类APOE-expressing小鼠创伤性脑损伤后通过基因coexpression网络(12]。此外,Tyrobp和Trem2可能是一种有前途的治疗目标在创伤性脑损伤。入库单蛋白与活化的小胶质细胞和溶酶体生物起源的增加将加剧创伤性脑损伤后神经损伤(24]。这些结果表明,小神经胶质细胞激活的关键基因可能作为一种有前途的治疗创伤性脑损伤的目标。

此外,目前的研究也有一些局限性,如小样本大小,一个独立的验证数据集基因表达谱的动态变化,以及缺乏实验验证。然而,目前的研究仍然提供了一个完整的动态的创伤性脑损伤后基因表达的变化。

数据可用性

在这项研究中使用的数据是可以在基因表达综合(地理,https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gds),已在相关地方引用文本中引用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

f . l ., X.X.本研究设计。Z Z。,D. W., and R. Z. conducted the data analysis, visualization, and experiments. Z. Z., D. W., X. X., F. L., and T. P. contributed to the writing of the paper and setting of figures. Zhi-jie Zhao, Dong-po Wei, and Rui-zhe Zheng contributed equally to this work.

确认

这项研究是由同仁医院的人才培养计划,上海交通大学医学院:“铜仁Newstar”(2019号shtrxx10)。

补充材料

补充表S1: coexpression的功能模块及其对应的基因。(补充材料)

引用

1. l·威尔逊•斯图尔特(george w . bush), k Dams-O’connor et al .,“长期进化神经创伤性脑损伤的后果,”《柳叶刀神经病学,16卷,不。10日,813 - 825年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. s . l .出售k·约翰逊,d . s .德威特和d s Prough”持续的行为赤字在旁矢状面的流体冲击损伤后大鼠,”杂志上的创伤,34卷,不。5,1086 - 1096年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. a . i r .马斯河d·k·梅农p·d·阿德尔森et al .,“创伤性脑损伤:集成的方法来提高预防、临床护理和研究,“《柳叶刀神经病学,16卷,不。12日,第1048 - 987页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 人工智能法登和d . j . Loane“慢性创伤性脑损伤后神经退化:阿尔茨海默病,慢性创伤性脑病,或持续存在?”神经病治疗,12卷,不。1,第150 - 143页,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 公元前看,c . Bachmeier a铁et al .,“慢性神经病理和神经行为的变化在一个重复的轻度创伤性脑损伤模型中,“神经病学年鉴,卷75,不。2、241 - 254年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. c . Smith, s m .绅士,p·d·勒克莱尔et al .,“创伤性脑损伤后神经炎症反应在人类,”神经病理学和应用神经生物学,39卷,不。6,654 - 666年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. h .艾德里安,k .貂:萨拉,诉Lasse“创伤性脑损伤的生物标志物:颞体液的变化,“Eneuro,3卷,不。6,ENEURO.0294-ENEU16.2016, 2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. h·e·d·r·布恩·h·a .•薇开松机et al .,“创伤性脑损伤导致持久的免疫和再生信号的变化,“《公共科学图书馆•综合》,14卷,不。4篇文章e0214741 2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. r·胡默尔s Ulbrich d Appel et al .,”——政府反式视黄酸实验创伤性脑损伤后大脑的保护,”英国药理学杂志》上的报告,卷177,不。22日,第5223 - 5208页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. Z.-M。c·刘,y y。王et al .,“缺SerpinA3N恶化障碍小鼠学习和记忆的海马锐器伤后,“发现细胞死亡》第六卷,没有。1,p。88年,2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. m .军刀o . Kokiko-Cochran s . s . Puntambekar j . d . Lathia b . t .羊肉,“在髓细胞触发受体表达2缺乏改变急性巨噬细胞分布和改善创伤性脑损伤后恢复,”杂志上的创伤,34卷,不。2、423 - 435年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. e . l . Castranio a . Mounier c·m·沃尔夫et al .,“基因co-expression网络识别Trem2和Tyrobp作为主要中心在人类APOE表达小鼠创伤性脑损伤后,“疾病的神经生物学卷,105年,页1 - 14,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 程j .钟l .江c . et al .,“改变长非编码RNA和mRNA的表达在创伤性脑损伤后小鼠皮层,“大脑研究卷,1646年,第600 - 589页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. m·e·里奇b . Phipson黄懿慧Di, c . w .法律,w•史和g·k·史密斯,”limma权力RNA-sequencing和微阵列研究微分表达式分析”核酸的研究,43卷,不。7篇文章e47 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. p . Langfelder和美国阅读“WGCNA: R包加权相关网络分析,“BMC生物信息学,9卷,不。1,p。559年,2008。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. y . g . Yu l . g . Wang汉,他问:y,“clusterProfiler: R包比较生物基因簇之间的主题,“组学,16卷,不。5,284 - 287年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. v . s . Wong和b·兰利表观遗传变化后创伤性脑损伤和对结果的影响,恢复和治疗,”神经学字母卷。625年,26-33,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. s . y . Xi, m . Liu徐et al .,“抑制SERPINA3N-dependent神经炎症对褪黑素改善至关重要trimethyltin chloride-induced神经毒性,”松果体研究期刊》的研究e12596条,卷。67年,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. e . Tejima郭,y村田et al .,“神经保护效应overexpressing的金属蛋白酶组织抑制剂TIMP-1,”杂志上的创伤,26卷,不。11日,第1941 - 1935页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 毛s, g . Xi, r . f .保持和y华,“Lipocalin-2在thrombin-induced脑损伤中的作用。”中风卷,47号4、1078 - 1084年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. s e x h . Li Li Smerin et al .,“线粒体基因表达谱和代谢途径的杏仁核与夸张的恐惧在创伤后应激障碍动物模型,”神经学前沿,5卷,p。164年,2014年。视图:谷歌学术搜索
22. j.y.涌江y . n . Liu, et al .,“膜联蛋白A2不足和长期的神经赤字加剧神经炎症在小鼠创伤性脑损伤后,“国际分子科学杂志》上,20卷,不。24,6125年,页2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. j . Chen-Roetling w .歌曲,h . m . Schipper c·s·里根和r·f·里根“星形胶质细胞过度的血红素oxygenase-1改善脑出血后的结果,“中风,46卷,不。4、1093 - 1098年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. y田中,t . Matsuwaki k .我去地狱谷野生猴园,m . Nishihara“活化的小胶质细胞和溶酶体生物起源增加加剧了创伤性脑损伤后神经元损伤progranulin-deficient老鼠,”神经科学卷。250年,8-19,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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