MetaCore应用分析案例二：如何通过MetaCore进行复杂疾病分子机理研究

点击数：10802011-07-10 00:00:00　来源: 源资科技官网

MetaCore应用分析案例二：如何通过MetaCore进行复杂疾病分子机理研究
通过MetaCore的通路分析工具来理解胰岛素抑制的糖尿病机理

背景介绍：

    目前为止的研究表明疾病的致病途径往往非常复杂，在人类流行病学研究发现2型糖尿病的产生和发展包括遗传/家族病史在内的多方面危险因素：最初的基因序列的改变、产前和产后的环境因素、低出生体重、肥胖、营养过剩、缺乏运动、妊娠糖尿病和年龄增长都与之相关。以上这些风险因素，每一个都可以通过尚未确定的机制导致骨骼肌、脂肪、肝脏胰岛素抑制，β-细胞功能紊乱和显性糖尿病。另一方面，糖尿病相关的高血糖和相关的代谢异常，可进一步改变的信号转导和基因表达，从而造成恶性循环。有可能这些风险因素会改变基因的表达，这个过程可能存在一个唯一的但部分重叠的路径，因此，需要叠加多个相关风险和组织特异性基因表达的变化导致产生2型糖尿病的最终表型。这里我们使用MetaCore来研究大鼠疾病模型中的胰岛素抑制（IR）的网络和通路分析报告。

材料方法：

●人的脂肪细胞（HuGeneFL, Hu35KsubA-D表达芯片分析）：
– 血糖正常
– 家族史
– 非肥胖型
– 正常胰岛素*
– 胰岛素抗性*
*包括对照和胰岛素抑制（IR）样本在内的三个生物学重复

●Zucker肥胖大鼠脂肪组织：（RAE230A表达芯片分析）：
– 血糖正常
– 瘦素抗性, 摄食过量
– 肥胖型
– 高胰岛素
– 胰岛素抗性
– roziglitazone 处理的 (TZD, PPAR Agonist) – 对胰岛素敏感*
* 4个生物学重复：对照及TZD处理4天，8天，12天，16天后的样本

表达数据及通路分析：

    将人的表达谱数据（IR样本及对照）和大鼠的表达谱数据（TZD敏感样本及IR样本）同时上传到MetaCore中，进行富集实验分析和网络构建。将表达基因结果进行如下分类：

1 – Human Down (在人的样本中基因表达下调)
2 – Rat Down (在大鼠样本中基因表达下调)
3 – Human Up (在人的样本中基因表达上调)
4 – Rat Up (在大鼠样本中基因表达上调)

结果和讨论：

    TCA循环是经典通路分析中的一个重要的图谱。在MetaCore中，用TCA循环相关基因和化合物构建一个直接的相互作用的网络（Fig 1）。在构建的网络结果中，发现人类和大鼠的数据在胰岛素抑制转换上的结果是完全相反的，在人的结果中伴随着多个关键基因的抑制和下调（蓝色）而在大鼠实验的结果中则是上调（红色）的。

Figure 1  Direct Interaction networks built for TCA cycle gene list (TCA folder annotated by GeneGo)

    
    PPAR规则图谱作为最显着和经典的通路图之一能显示出更多人类和鼠之间表达数据的差异（Fig 2）。烯酰辅酶A水合酶-短链-1是编码蛋白酶HADHA的线粒体基因，HADHA用于催化线粒体脂肪酸β-氧化途径的第二步（4.2.1.74）。在人体中HADHA表达是下调的，而在大鼠中则显著上调（1.5倍），这提示了胰岛素抑制的逆转是可能的。这种酶也可以被PPAR-alpha/RXR-alpha复合体转录激活，并在人体细胞中下调。在这张图谱上其他能被PPAR / RXR激活的蛋白也显示了这种人和大鼠的物种差异，比如HADHB和FABP，FABP更是在大鼠中存在高达8倍的过度表达。

Figure 2 Canonical Pathway map PPAR regulation of lipid metabolism

    
    关于线粒体和细胞质蛋白的翻译，人体的数据和大鼠的TZD处理后的数据（图3）之间也有明显的区别。人类的数据显示，构成线粒体核糖体以及细胞质核糖体的蛋白都是失活的。而大鼠TZD处理后的样本中合成线粒体核糖体的蛋白是有活性的。这也许可以解释线粒体蛋白的合成如何激活以及代谢过程如何发生。

Figure 3 Protein biosynthesis in mitochondrion versus cytoplasm

    
    我们从所有的数据中挑出表达变化大于1.25倍的数据进行网络算法分析，从而找出更突出的亚群。Fig 4中显示的主要是脂肪细胞分化的主题，富集实验数据后，分析表明药物作用规范了脂肪细胞分化过程。

Figure 4  Fat Cell Differentiation

    
    通过分析网络算法的网络构建，我们获得了脂肪细胞分化过程中最重要的网络。将人和大鼠的数据映射其上，方框圈出的就是两者最主要差异表达的基因，图中蓝色方框表示下调，红色方框表示上调。我们同时还做了富集分析，结果显示在人体中特异下调而在大鼠中不上调的基因，意味着没有发生胰岛素抑制逆转。其中一个显著的非反转通路途径是雌激素受体信号通路（Fig 5）。

Figure 5  Estrogen Receptor Signaling

    
    由雌激素受体α（ERalpha）转录激活的生物过程是一个复杂的多步骤过程，这一过程受共激活因子和共抑制蛋白质调控，这两个蛋白分别正向和负向调节ERalpha介导的转录激活过程。共抑制蛋白被认为用于平衡雌激素诱导的转录激活，并且这可能是一个调节激素反应的细胞中存在的一个潜在机制。Estradio1/ ESR复合体已有报道与乳腺癌相关，另外已经发现乳腺癌和糖尿病之间也存在某种联系：患有2型糖尿病的女性与没有糖尿病的女性相比乳腺癌的发病率略有升高（风险比[HR] = 1.17; 95％CI 1.01-1.35），这一升高与年龄、肥胖或乳腺癌家族史无关。在雌激素受体阳性的乳腺癌女性患者中这一关系占主导地位。在这项研究中，雌激素受体以及上游激活因子NCOA1_HUMAN/Nuclear receptor coactivator 1（Fig 5）在人体中都是下调。后者是一种核受体共激活因子，它直接结核受体绑定，在激素依赖型的方式中刺激转录活动。这一共激活因子可以作用在不同的核受体上，如类固醇类受体（PGR，GR和ER），维甲酸类受体（RXR），甲状腺激素受体（TR）以及前列腺素受体（PPAR）。NCOA1也参与共激活作用并由STAT3、STAT5A、STAT5B和STAT6转录因子介导。此外，NCOA1连同NCOA2被用于调节类固醇激素的应答和控制白色脂肪组织和棕色脂肪组织之间的能量平衡。

结论：

◆  在人体中胰岛素抗性相关的几个通路与经rosiglitazone 处理的 Zucker肥胖大鼠模型有着相反的调控结果。
◆  减少电子传输/氧化磷酸化所造成的氧化应激可能是胰岛素抗性的产生机制，这一机制与其他与衰老相关的疾病如动脉粥样硬化和阿尔茨海默氏症有相同的模型。
◆  发现新的药理指标：雌激素受体和Notch信号通路。
◆  MetaCore的通路和网络分析能帮助寻找用于治疗2型糖尿病的潜在重要分子靶标。

原文链接：http://www.genego.com/pdf/DiabetesMetacoreCS3.pdf