IPA案例十六——采用IPA用网络发掘的方法重新探索Clomiphene对埃博拉感染的治疗作用

2018-07-30 20:27:49 来源:源资信息科技(上海)有限公司

新闻摘要:埃博拉病毒的最致命的病原体之一,其发病和宿主免疫应答机制尚不清楚,找到有效治疗方法至关重要。针对小鼠肾脏和肝细胞模型的化合物筛选表明,FDA批准的雌激素受体激动剂/拮抗剂克罗米芬Clomiphene能够显著控制埃博拉感染并提高小鼠的存活率。

摘要:埃博拉病毒的最致命的病原体之一,其发病和宿主免疫应答机制尚不清楚,找到有效治疗方法至关重要。针对小鼠肾脏和肝细胞模型的化合物筛选表明,FDA批准的雌激素受体激动剂/拮抗剂克罗米芬Clomiphene能够显著控制埃博拉感染并提高小鼠的存活率。


前言:

为了了解克罗米芬Clomiphene能够保护宿主抵御埃博拉感染的反应机制,本案例利用四种网络分析的途径来产生可用于检验的假说。

首先,用Ingenuity Pathway Analysis分析平台(IPA)及其基础数据库能得到受到雌激素和雌激素受体激动剂/拮抗剂影响的雌激素受体1和2(ER1和ER2)的下游分子列表。对ER1和ER2下游分子分析显示:IL-17信号转导、MAPK信号转导、树突状细胞成熟和Toll-like受体信号传导等过程会受到显著影响。

同时,从公共的数据集收集的,所有具有ER-alpha结合位点的,并可能受克罗米芬Clomiphene影响的基因列表被上传到IPA中进行分析。这一分析包含约700个基因的,主要富集在凝血系统、抗原呈递、细胞介导和体液免疫应答、免疫细胞转运和IL-10、IL-6和IL-17信号转导等过程。同时,Th1细胞应答和T细胞分化也受到影响。

第三,对公共来源获得的克罗米芬Clomiphene灌胃1、3、5天的大鼠肝脏样本的基因表达数据进行IPA分析。发现IL-10和TLMIKE受体信号通路受到显著影响。并且对克罗米芬Clomiphene敏感的生物学作用包括了Th2细胞、巨噬细胞、吞噬细胞和B淋巴细胞的分化,T淋巴细胞的运输和浸润,Th17细胞的发育等。根据基因表达值预测抗原呈递细胞发育过程被激活,并增强了巨噬细胞的敏感性。受到克罗米芬Clomiphene影响最突出的分子主要参与调控了网格蛋白介导的内吞过程、IH-7信号转导和树突状细胞成熟等过程。

最后,将公共数据库获得的埃博拉感染的非人灵长类PBMC细胞数据与克罗米芬Clomiphene处理表达数据进行对比分析,用以获得新的关键信息。很多埃博拉感染的PBMCs被抑制的通路,在克罗米芬Clomiphene数据中呈激活状态,比如,IL-10和Toll-like受体信号通路,以及T细胞分化通路。

综上所述,这些结果对克罗米芬对埃博拉感染的保护作用的机制提供了重要的线索,并给出多个可以在实验室验证的假说。除了更深入理解克罗米芬Clomiphene作用机制外,来自宿主的反应信息也为进一步开发治疗埃博拉感染的药物或开发疫苗提供了新的思路。


材料和方法:

1、从公共平台获得数据:1)具有ER-alpha结合位点的,并可能受克罗米芬Clomiphene影响的基因列表;2)克罗米芬Clomiphene灌胃1、3、5天的大鼠肝脏样本的基因表达数据;3)埃博拉感染的非人灵长类PBMC细胞基因表达数据数据。

2、上传到IPA中进行分析,采用Fold Change>=1.5, p<0.05为阈值

3、进行下游分子分析时,只寻找直接调控关系。


结果:

 


图一:ER1和ER2的下游调节基因及其参与的生物学过程和经典通路。A)ER1和ER2 的下游共360个基因,其中,蓝色边线的分子是在免疫细胞,肾和肝脏中特异表的基因。B)用IPA分析ER1及ER2下游靶基因获得的,参与病原体介导的、细胞免疫应答和细胞因子信号通路过程的信号通路列表。柱状图的高低代表显著性,橙色点线代表基因所占比例。



图二. 小鼠肝脏中具有ER-alpha结合位点的基因列表的通路和功能的聚类。A)由克罗米芬Clomiphene影响的,参与病原体介导的、细胞免疫应答和细胞因子信号通路过程的信号通路列表。B)由克罗米芬Clomiphene影响的基因参与的生物学功能。C)参与T淋巴细胞应答的具体的生物学功能,基因的列表。 上图中:柱状图的高低代表显著性,橙色点线代表基因所占比例。



图三. 克罗米芬Clomiphene处理的大鼠肝脏的基因表达数据揭示了药物介导的防御免疫应答的关键模型。A)参与病原体介导的、细胞免疫应答和细胞因子信号通路过程的信号通路列表。B) IL-10信号通路,分子表达值为克罗米芬Clomiphene处理第五天的表达数据,基因边上的小柱状图分别告知了该基因在处理第一天及第三天的表达值。(红色代表上调,绿色代表下调)C) 挑出最受克罗米芬Clomiphene处理影响的生物学功能列表。D) 克罗米芬Clomiphene处理五天后,被持续激活的生物学功能列表。E)受克罗米芬Clomiphene处理影响的上调表达的前十个基因。F)克罗米芬Clomiphene处理五天后,克罗米芬Clomiphene及其直接作用分子参与的经典通路。



图四. 由克罗米芬Clomiphene灌胃1、3、5天的大鼠肝脏样本的基因表达数据与埃博拉感染的非人灵长类PBMC细胞基因表达数据数据进行对比分析,以找到同时受到两处理影响的关键通路。A)同时受到埃博拉和克罗米芬Clomiphene影响的经典通路。B) 由埃博拉病毒感染的非人灵长类PBMC细胞的IL-10信号通路中的基因表达值。



图五. T细胞辅助细胞的基因表达图。A) 埃博拉病毒感染两天的非人灵长类PBMC细胞基因表达值。B) 克罗米芬Clomiphene灌胃五天的基因表达值。


结论:

综上所述,网络分析的结果对克罗米芬Clomiphene对埃博拉感染的保护作用的机制提供了重要的思路,并且提出了多个可供实验验证的假说。除了深入挖掘克罗米芬Clomiphene作用机制外,本文的结果能够提供宿主对感染的关键反应,能够进一步应用于疫苗开发或重新开发(批准)治疗埃博拉病毒感染的药物。

对Er1和Er2下游分子信号的分析表明,如IL-17信号转导、MAPK信号转导、树突状细胞成熟和Toll-like受体信号传导等过程受到克罗米芬Clomiphene显著影响,很可能是克罗米芬Clomiphene治疗染埃博拉病毒感染的切入点。

对具有雌激素受体α结合位点的约700个基因进行分析,这些基因可能受到克罗米芬Clomiphene调节,并揭示其会对抗埃博拉病毒感染的保护作用。这些基因调节凝血系统、抗原呈递、细胞介导和体液免疫反应、免疫细胞转运和IL-10、IL-6和IL-17信号转导,以及Th1细胞的反应和记忆T细胞分化等生物学过程。

从克罗米芬Clomiphene处理的大鼠肝脏中的基因表达数据分析表明,IL-10和Toll-like受体信号通路与Th2细胞、巨噬细胞、吞噬细胞和B淋巴细胞的分化、T淋巴细胞的运输和浸润、Th17细胞的发育相关过程都受到高度的影响。同样,增强了抗原递呈细胞的发育过程和巨噬细胞的敏化作用。差异变化最大的分子主要参与了网格蛋白介导的内吞作用、IL-17信号转导和树突状细胞成熟等过程。

从埃博拉感染的非人灵长类PBMC细胞表达数据分析表明,埃博拉病毒抑制的通路却会受到克罗米芬Clomiphene的影响而激活。例如IL-10和Toll-like受体信号转导,以及T细胞分化过程。可能从基本上阐释了克罗米芬药物的对宿主的保护作用。


参考文献及致谢:

1. “Potential Ebola Therapies from Phenotypic screening,” L. M. Johansen, J. Lehár, A. Stossel, B. Hoffstrom, C. Lear, D. Julias, M.S. Lee, L. Hensley, and G. Clinger, Feb 2008, ISM poster

2. “Genome-wide identification of estrogen receptor alpha-binding sites in mouse liver,” Gao H, Falt S. Sandelin A, Gustafsson JA, Fahlman-Wright K, Mol Endocrinol. 2008 Jan;22(1 ):1 0-22

3. “A gene expression biomarker provides early prediction and mechanistic assessment of hepatic tumor induction by nongenotoxic chemicals,” Fielden MR, Brennan R, Gollub J, Toxicol Sci. 2007 Sep;99(1):90-100

4. “The temporal program of peripheral blood gene expression in the response of nonhuman primates to Ebola hemorrhagic fever,” Rubins KH, Hensley LE, WahIJensen V, Daddario DiCaprio KM, Young HA, Reed DS, Jahrling PB, Brown PC, Relman DA, GeisbertTW, Genome Biol. 2007;8(8):R174.


The authors would like to thank Dr. Chan Whiting, Dr. Dan Richards and Dr. Megan Laurance for their valuable contributions, and to acknowledge that the datasets used in this poster are publically available and are obtainable from the reference cited here in this poster.

本案例采用的是Ingenuity科学家根据已发表的文章数据进行IPA的全新的栓释。




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