生物信息学分析斑马鱼脊髓损伤后轴突再生的关键通路

发布时间：2020-03-30 16:29

【摘要】：【目的】脊髓损伤是一种常见的中枢神经系统损伤疾病,严重时可以导致感觉及运动功能的丧失。导致神经功能丧失的主要原因是因为哺乳动物脊髓损伤后神经轴突无法再生。而和哺乳动物不同的是斑马鱼脊髓损伤后的轴突可以再生,并且在损伤后6-8周内恢复感觉及运动功能。然而斑马鱼脊髓损伤后并不是所有的轴突都可以再生,这其中的机制尚未明确。本研究拟应用生物信息学方法分析斑马鱼脊髓损伤后有轴突再生的神经元和无轴突再生的神经元之间的差异基因,进而探讨斑马鱼脊髓损伤后轴突再生的关键基因和通路,并为哺乳动物脊髓损伤的治疗提供新的研究方向。【方法】基因芯片GSE56842包含斑马鱼脊髓损伤后有轴突再生的神经元样本和无轴突再生的神经元样本及两种样本中基因的表达情况。在Gene Expression Omnibus(GEO)数据库中应用在线工具GEO2R分析基因芯片GSE56842的差异基因,然后以p0.05及[logFC]1为筛选选条件,得到有统计学意义的差异表达基因。下载GSE56842的原始系列数据及平台数据,应用在线工具Morpheus得到该基因芯片差异基因表达的热图。使用在线工具DAVID对差异表达基因进行Gene ontology(GO)条目及Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)信号通路富集分析。用Cytoscape对差异表达基因进行蛋白互作网络分析,并筛选出相关性最高的关键基因及互作模块,对互作模块中的基因进行信号通路富集分析。最后在数据库中进行检索分析差异表达基因及所有生物信息学结果,筛选可能在斑马鱼及哺乳动物脊髓损伤后发挥修复作用的基因及通路。【结果】1.本研究共得到显著差异表达基因636个,其中在轴突再生神经元中上调的差异表达基因为255个,下调差异表达基因为381个。2.差异表达基因的GO条目富集分析结果发现,差异基因主要富集在神经元分化、细胞骨架、线粒体电子传递等条目。其中上调的差异表达基因主要富集于细胞色素氧化酶活性、细胞骨架、线粒体电子传递、离子运输、神经系统发育等相关条目。下调的差异表达基因主要富集在多细胞生物的发育、神经发生的负调节、细胞分化、Notch信号通路、髓鞘形成等相关条目。3.差异表达基因的KEGG信号通路富集结果显示,在脊髓损伤后出现轴突再生的神经元中上调的差异表达基因主要富集在氧化磷酸化、Wnt信号通路、减数分裂、脂肪酸降解等信号通路。下调基因主要富集在氨基酸代谢、氨基酸合成、TGF-β信号通路、Notch信号通路。4.蛋白互作结果显示,互作网络共包含480个节点基因和1976个节点连接。并得到相关性最高的10个节点基因及得分最高的2个互作模块。第一个富集模块中的基因主要富集在焦点黏附、紧密连接、细胞骨架的调节。第二个富集模块中的基因主要富集在细胞因子相互作用、TGF-β信号通路、黑素形成、氧化磷酸化。【结论】本研究应用生物信息学方法分析斑马鱼脊髓损伤后有再生轴突的神经元和无轴突再生神经元之间的差异基因,并且找到一些可能参与斑马鱼和哺乳动物SCI后修复的基因和通路,本研究有助于我们更好地了解斑马鱼SCI后的修复机制,并为哺乳动物脊髓损伤提供新的研究靶点。其中血影蛋白可能具有促进斑马鱼脊髓损伤后轴突再生的作用,并且血影蛋白在哺乳动物SCI后的修复作用也值得进一步研究;而TGF-β信号可能具有抑制斑马鱼SCI后修复的作用。另外局灶粘连或紧密连接可能在斑马鱼脊髓损伤后一些细胞如雪旺细胞或神经祖细胞的迁移和增殖等方面发挥重要的作用。
【图文】：

11图 2 差异表达基因的火山图。红色表达上调基因，绿色代表下调基因。1.2 差异表达基因的 GO 富集结果应用 DAVID 分析差异表达基因，，我们得到了 GO 条目及 KEGG 信号通路集结果。前 30 个富集的 GO 条目如图 3 所示，主要分布在生物过程组 (B多细胞生物发育、细胞分化、神经发生负调控等。在分子功能组(MF)中，表达基因主要富集于细胞骨架结构成分、细胞色素-c 氧化酶活性和蛋白质活性。在细胞组分组(CC)中仅有线粒体呼吸链复合物 IV 和血影蛋白两个目。上调的差异表达基因主要富集在细胞色素-c 氧化酶活性、细胞骨架结成、线粒体呼吸链复合物 IV、PDZ 结构域结合及血影蛋白(表 3)。下调的差达基因主要富集在多细胞生物发育，神经发生负调控，转录调控，DNA 模板列特异性 DNA 结合转录因子活性和转录正调控，DNA 模板化(表 4)。

GO:0006355 regulation of transcription, DNA-templated 46 3.60E-05GO:0051091positive regulation of sequence-specific DNAbinding transcription factor activity5 7.20E-05GO:0006351 transcription, DNA-templated 30 1.34E-04GO:0045666 positive regulation of neuron differentiation 5 2.26E-04GO:0007219 Notch signaling pathway 7 2.73E-04GO:0046983 protein dimerization activity 12 3.39E-04GO:0030154 cell differentiation 14 3.63E-04GO:0042803 protein homodimerization activity 10 4.14E-042.1.3 差异表达基因的 KEGG 信号通路富集结果如图 4 所示，我们得到了富集前 30 的 GO 条目。差异表达基因主要富集在为抗生素的生物合成、心肌收缩、脂肪酸降解、碳代谢、Wnt 信号通路。如表 5和表 6 所示，上调的基因主要富集于心肌收缩、氧化磷酸化、心肌细胞肾上腺素能信号、Wnt 信号通路、卵母细胞减数分裂。下调基因主要富集在抗生素的生物合成；甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢;TGF-β 信号通路;氨基酸的生物合成。
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R651.2;R-332

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本文编号：2607777