基于RNA-seq的胃食管反流大鼠模型食管及肺组织的转录组学研究

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背景和目的:
  胃食管反流病(GERD)是一种常见的消化道疾病。在西方国家,胃食管反流病的发病率已被为10%-20%;亚洲发生率略低于西方国家为约5.2%-8.5%。胃食管反流病不仅引起反酸烧心的症状,还可以引起有癌变倾向的Barrettt食管;有一部分胃食管反流病患者表现为呼吸道症状:咳嗽、呼吸困难、多痰。尤其需要注意的是GERD在以下疾病表现出较高的发病率:哮喘、咳嗽、慢性阻塞性肺病(COPD),与特发性肺纤维化(IPF)。而且,GERD在这些疾病的出现通常预示着更差的生活质量和预后。
  食管的症状与并发症通常与胃液中的胃酸、胆汁直接刺激和继发炎性微环境改变有关。而呼吸道症状则与神经反射、胃液误吸、胃液微量吸入导致的机能变化和炎性微环境改变有关。虽然有关GERD的相关研究很多,但是胃食管反流病的引起的食管和肺部整体的基因表达的改变仍然没有被研究。
  如今,二代测序技术为我们研究整体的基因表达的改变提供了强有力的工具。凭借着更高的测序速度和灵敏度,二代测序技术被用来识别差异表达的基因,发现新的转录。近年来,虽然有利用二代测序技术来研究胃食管反流的细胞实验和microRNA研究,但是还没有针对胃食管反流对更真实模拟胃食管反流影响的动物模型食管和肺部影响的转录组学研究。
  因此,本课题拟通过GERD在食管和肺部的转录基因组进行二代测序并进一步进行生物信息学的分析,对测序得到的差异表达基因结合OMIM数据库得到的相关疾病基因进行生物信息学分析:GO分析,KEGG通路分析,蛋白质–蛋白质相互作用网络分析,并对有关临床特征进行生物信息学分析和验证。初步探讨GERD对食管和肺部转录基因组表达的影响,以期为进一步GERD相关疾病的研究提供线索和参考。
  本研究分为以下两个部分:第一部分:对胃食管反流大鼠模型食管组织转录组学研究;第二部分:对胃食管反流大鼠模型肺组织转录组学研究。
  第一部分对胃食管反流大鼠模型食管组织转录组学研究
  目的:
  通过对胃食管反流大鼠模型食管组织转录组学研究分析胃食管反流对食管的影响,并找出可能联系胃食管反流和Barrett食管的分子基础。
  方法:
  1.建立胃食管大鼠模型;
  2.利用二代测序技术检测对照组大鼠、GERD大鼠模型食管组织转录基因组的表达情况,分析得到食管差异表达基因,并对其进行生物信息学分析:GO分析,KEGG通路分析,STRING蛋白质相互作用网络分析;
  3.结合在线人类孟德尔遗传数据库(OMIM)检索到的GERD及Barrett食管相关基因,对这些基因进行比较和分析,找出可能联系GERD及Barrett食管的基因。
  结果:
  1.GERD大鼠模型食管转录基因组测序得到749条差异表达基因;
  2.对这749条差异表达基因进行GO分析显示:分子功能(molecular functions, MF)、生物过程(Biological Process, BP)和细胞组分(Cellular Component,CC)聚类分析分别分为8组、12组、7组,过表达分析对应的出现富集程度改变的类别分别有17个、37个和13个(P<0.05);
  3.KEGG一共检索到相关的通路有237条,利用DAVID进行的富集分析显示41条通路富集程度改变明显(P<0.05);
  4.STRING识别出食管749条差异表达基因中的668条基因,有450条基因发生蛋白质-蛋白质相互作用,处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene)为Fos,Rac2,Mmp9,Agt,Fgr,Itgb2,Hck,Cd68,Itgam,Tyrobp等基因;
  5.在线人类孟德尔遗传数据库(OMIM)检索到的GERD及Barrett食管相关人类基因位点分别是205个和439个,对应的大鼠基因分别是176个和367个;
  6.同时出现在两个基因列表中的28条人类基因和对应的24条大鼠基因为可能联系两种疾病的基因;
  7.同时出现在差异表达基因和Barrett食管相关大鼠基因两个基因列表中的22条大鼠基因为可能联系两种疾病的基因;
  8.用GERD及Barrett食管相关大鼠基因在STRING检索得到的蛋白质-蛋白质相互作用网络中,可能联系两种疾病的基因为处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene):Tp53,Akt1,Mapk8,Stat3,Akt2,Mapk9,Mapk10,Ins2,Pten,Kras,Smarca4,Egfr,Erbb3,Hras,Crebbp等基因。
  9.用食管差异表达基因和Barrett食管相关大鼠基因在STRING检索得到的蛋白质-蛋白质相互作用网络中,可能联系两种疾病的基因为处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene):Tp53,Akt1,Stat3,FosIns2,Mapk8,Akt2,Il6,Fgr,Mmp9,Mapk9,Kras,Mapk10,Rac2,Egfr等基因。
  小结:
  1.GERD大鼠模型食管转录基因组有749条基因差异表达;
  2.GERD与Barrett食管之间存在有相互联系的基因,但各个可能联系两种疾病的基因还需要更深入的验证。
  第二部分对胃食管反流大鼠模型肺组织转录组学研究
  目的:
  通过对胃食管反流大鼠模型肺组织转录组学研究分析胃食管反流对食管的影响,并找出可能联系GERD和哮喘、咳嗽、IPF、COPD的分子基础。
  方法:
  1.利用二代测序技术检测对照组大鼠、GERD大鼠模型肺部组织转录基因组的表达情况,分析得到差异表达基因,并对其进行生物信息学分析:GO分析,KEGG通路分析,STRING蛋白质相互作用网络分析;
  2.结合在线人类孟德尔遗传数据库(OMIM)检索到的GERD及哮喘、咳嗽、IPF、COPD相关基因,对这些基因进行比较和分析,找出可能联系GERD与这些肺部疾病的基因。
  3.结合模型大鼠肺部病理特点利用Reactome进行相关分析,并对有关基因进行验证。
  结果:
  1.GERD大鼠模型肺部组织转录基因组测序得到380条差异表达基因;
  2.对这380条差异表达基因进行GO分析显示:分子功能(molecular functions, MF)、生物过程(Biological Process, BP)和细胞组分(Cellular Component, CC)聚类分析分别分为7组、12组、7组,过表达分析对应的出现富集程度改变的类别分别有9个、16个和5个(P<0.05);
  3.KEGG一共检索到相关的通路有194条,利用DAVID进行的富集分析显示9条通路富集程度改变明显(P<0.05);
  4.STRING识别出肺部380条差异表达基因中的345条基因,有203条基因发生蛋白质-蛋白质相互作用,处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene )为Actn2,Cxcr2,Il1b,Mmp9,Ccr1,Edn1,Tlr2,LOC497963,Ccl2,Itgam等基因;
  5.在线人类孟德尔遗传数据库(OMIM)检索到的哮喘、咳嗽、IPF、COPD相关人类基因位点分别是270个、50个、106个和436个,对应的大鼠基因分别是232个、44个、75个和318个;
  6.同时出现在GERD和哮喘两个基因列表中的8条人类基因和对应的7条大鼠基因为可能联系两种疾病的基因;
  7.同时出现在肺部差异表达基因和哮喘两个基因列表中的14条大鼠基因为可能联系两种疾病的基因;
  8.同时出现在GERD和咳嗽两个基因列表中的6条人类基因和对应的4条大鼠基因为可能联系两种疾病的基因;
  9.同时出现在肺部差异表达基因和咳嗽两个基因列表中的1条大鼠基因为可能联系两种疾病的基因;
  10.同时出现在GERD和IPF个基因列表中的3条人类基因和对应的2条大鼠基因为可能联系两种疾病的基因;
  11.同时出现在肺部差异表达基因和IPF两个基因列表中的3条大鼠基因为可能联系两种疾病的基因;
  12.同时出现在GERD和COPD两个基因列表中的13条人类基因和对应的10条大鼠基因为可能联系两种疾病的基因;
  13.同时出现在肺部差异表达基因和COPD两个基因列表中的10条大鼠基因为可能联系两种疾病的基因;
  14.用GERD及哮喘相关大鼠基因在STRING检索得到的蛋白质-蛋白质相互作用网络中,可能联系两种疾病的基因为处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene):Tnf,Stat6,Il4,Ptpn6,Stat4,Tyk2,Cxcl12,Il12b,Tgfb1,Ifng,Lep,Mmp9,Vegfa等基因;
  15.用肺部差异表达基因和哮喘相关大鼠基因在STRING检索得到的蛋白质-蛋白质相互作用网络中,可能联系两种疾病的基因为处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene):Tnf,Lep,Stat6,Il4,Tgfb1,Cxcl12,Il12b,Il1b,Itgam,LOC497963,Mmp9,Tlr4,Tyk2等基因;
  16.用GERD及咳嗽相关大鼠基因在STRING检索得到的蛋白质-蛋白质相互作用网络中,可能联系两种疾病的基因为处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene):Hdac8,Pten,Crebbp,Cdc6,Fgfr1,Ret,Csnk2a1,Ehmt1,Orc1,Ptpn11,Wnt5a等基因;
  17.用肺部差异表达基因和咳嗽相关大鼠基因在STRING检索得到的蛋白质-蛋白质相互作用网络中,可能联系两种疾病的基因为处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene):Cxcr2,Actn2,Il1b,Mmp9,Tlr2,Ccr1,Edn1,LOC497963等基因;
  18.用GERD及IPF相关大鼠基因在STRING检索得到的蛋白质-蛋白质相互作用网络中,可能联系两种疾病的基因为处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene):Egfr,Pten,Erbb2,Cav1,Hras,Ptpn11,Crebbp等基因。
  19.用肺部差异表达基因和IPF相关大鼠基因在STRING检索得到的蛋白质-蛋白质相互作用网络中,可能联系两种疾病的基因为处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene):Tgfb1,Fgr,Mmp9,Edn1,Egfr,LOC497963,Actn2,Erbb2,Cxcr2,Cdkn1a,Il1b,Tlr2等基因;
  20.用GERD及IPF相关大鼠基因在STRING检索得到的蛋白质-蛋白质相互作用网络中,可能联系两种疾病的基因为处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene):Stat3,Notch1,Egfr,Il6,Tgfb1,Crebbp,Erbb2,Pten等基因;
  21.用肺部差异表达基因和IPF相关大鼠基因在STRING检索得到的蛋白质-蛋白质相互作用网络中,可能联系两种疾病的基因为处于中心位置与较多蛋白有相互作用的枢纽基因(hub gene):Il6,Stat3,Tgfb1,Mmp9,Egfr,Edn1,Fgr,Kras,Nos3等基因;
  22.肺部比较明显的病理特点是细胞外基质重构,在Reactome查询到的与之相关的分类是细胞外基质组织(R-RNO-1474244),里面涉及了17条基因:Mfap4,Ceacam4,Ctsg,Itga7,Fn1,Mmp8,Mmp9,Elane,Vcan,Itgam,Lox,Itga2,Spp1,LOC103689942,A2m,LOC100911545,LOC102553715,其中表达变化程度最明显的是Ctsg,Mmp9和Mmp8。
  小结:
  1.GERD大鼠模型肺部转录基因组有380条基因差异表达;
  2.GERD与哮喘、咳嗽、IPF、COPD之间存在有相互联系的基因,但各个可能联系两种疾病的基因还需要更深入的验证;
  3.GERD大鼠模型肺部肺部变化最明显的特点是细胞外基质重构,与之有关的基因有17条基因,其中表达变化程度最明显的是Ctsg,Mmp9和Mmp8。
  结论:
  1.GERD大鼠模型食管转录基因组有749条基因差异表达;
  2.GERD大鼠模型肺部组织转录基因组有380条基因差异表达;
  3.GERD对食管基因组影响的范围和程度较肺部大;
  4.GERD大鼠模型肺部肺部变化最明显的特点是细胞外基质重构,与之有关的基因有17条基因,其中表达变化程度最明显的是Ctsg,Mmp9和Mmp8;
  5.GERD与Barrett食管、哮喘、咳嗽、IPF、COPD之间存在有相互联系的基因,但各个可能联系两种疾病的基因还需要更深入的验证。
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