阿爾茨海默病病因的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)分析.pdf

1、阿爾茨海默病是一種常見的慢性、進(jìn)行性中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其臨床主要表現(xiàn)為進(jìn)行性的記憶衰退和認(rèn)知功能的下降、行為異常和社交障礙，通常病情呈進(jìn)行性加重，病程緩慢不可逆。隨著社會(huì)人口的老齡化，阿爾茨海默病的發(fā)病率呈上升趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，老年人阿爾茨海默病(Alzheimer'sDisease，AD)的患病率僅次于心血管病和癌癥居第三位，全世界有近3600萬(wàn)人正在遭受著AD的折磨。目前阿爾茨海默病還是絕癥，沒有任何治療方法可以使患者痊愈

2、。阿爾茨海默病給社會(huì)和家庭帶來沉重的負(fù)擔(dān)，給患者本人也帶來精神上和身體上的極大痛苦。
　　阿爾茨海默病可發(fā)生在成年人的任何年齡，發(fā)病率隨年齡的增長(zhǎng)而成指數(shù)型增長(zhǎng)。女性的發(fā)病率較男性高，農(nóng)村人發(fā)病率較城市人高，受教育程度高的人群發(fā)病率相對(duì)較低。AD的致病危險(xiǎn)因素還包括受教育程度低、頭部外傷、性激素水平降低、家族遺傳史、吸煙、抑郁癥狀、心理壓力、血管因素、體溫較低、社會(huì)活動(dòng)較少、輕度認(rèn)知損傷以及病毒感染等。阿爾茨海默病病灶一般先出現(xiàn)在

3、大腦邊緣系統(tǒng)的海馬區(qū)、內(nèi)嗅皮層等部位，隨后蔓延到顳葉、扣帶回、頂葉、額葉等大腦皮層區(qū)，一般波及不到枕葉、小腦、運(yùn)動(dòng)和感覺皮層區(qū)域。阿爾茨海默病人大腦的病理病變有:神經(jīng)炎性老年斑（senile plaques，SPs），神經(jīng)原纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangles，NFTs），神經(jīng)細(xì)胞和突觸的消失，腦淀粉樣血管病以及顆?？张葑冃蔚?，整體表現(xiàn)為彌漫性大腦皮質(zhì)的萎縮和腦室的擴(kuò)大。
　　阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制仍然不清楚。

4、目前有分子遺傳和基因?qū)W說、炎癥學(xué)說、自由基學(xué)說、膽堿能學(xué)說、金屬離子假說、病毒學(xué)說、氧化應(yīng)激學(xué)說、雌激素水平降低學(xué)說等。大多數(shù)研究猶如盲人摸象，分不清哪些機(jī)制是病因哪些是造成的結(jié)果。因此很多研究所和大學(xué)機(jī)構(gòu)也投入了相當(dāng)多的人力物力來研究AD的發(fā)病機(jī)制，但效果很不理想。目前需要從整體宏觀上來認(rèn)識(shí)這個(gè)疾病，而且不能受到各個(gè)機(jī)制的單獨(dú)片面影響。需要從基因表達(dá)上入手，以基因表達(dá)差異的客觀現(xiàn)象來了解和研究AD的發(fā)病機(jī)制、治療手段以及早期檢測(cè)方法。

5、
　　由于神經(jīng)細(xì)胞的復(fù)雜，而且取樣有限，從基因表達(dá)水平篩選出和年齡相關(guān)的基因，成為阿爾茨海默病分子發(fā)病機(jī)理研究的最佳途徑。近年發(fā)展起來的基因芯片技術(shù)，顯示了其在功能相關(guān)差異基因篩選方面的優(yōu)越性，少量取樣就能獲得海量的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，這將增強(qiáng)對(duì)阿爾茨海默病了解，而且得到的數(shù)據(jù)更為客觀，具有較高的整體性。
　　目前，由于高通量基因芯片技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各個(gè)研究所和實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生出了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)的信息只用到了小部分，全部信

6、息往往沒有被完全挖掘出來。美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(National Center for BiotechnologyInformation，NCBI)建立的GEO(Gene Expression Omnibus)數(shù)據(jù)庫(kù)是當(dāng)前規(guī)模最大、收錄最全、免費(fèi)開放的公共基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)，包含大量的、各種各樣的復(fù)雜生物數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)從表面上看起來是雜亂無(wú)章，無(wú)可下手，但是海量的生物學(xué)數(shù)據(jù)中必然蘊(yùn)含著重要的生物學(xué)規(guī)律，這些規(guī)律將是解釋阿爾茨海默病病因的

7、關(guān)鍵。
　　基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)龐大復(fù)雜，變量數(shù)以萬(wàn)計(jì)。為此，通過使用Qlucore OmicsExplorer(QOE)3.0生物信息學(xué)軟件，把數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，快速轉(zhuǎn)換為3D可視化圖，再經(jīng)過主成分分析(Principle Component Analysis，PCA)和聚類分析，識(shí)別出數(shù)據(jù)中隱藏的結(jié)構(gòu)和模式，以標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到樣本與樣本之間、組與組之間以及數(shù)據(jù)集與數(shù)據(jù)集之間的差異與聯(lián)系。篩選出共同或差異的基因，再通過Databas

8、e for Annotation, Visualization and Integrated Discovery(DAVID)6.7在線基因注釋系統(tǒng)，對(duì)基因列表進(jìn)行Gene Ontology(GO)功能富集分析，從Cellular Component(CC),Biological Process(BP),Molecular Function(MF)三個(gè)方面對(duì)基因涉及的功能進(jìn)行注釋、富集、聚類。得出AD患者生物學(xué)過程、細(xì)胞組成以及分子功能

9、方面上的差異和變化。
　　因此，本人根據(jù)目前現(xiàn)有的人類阿爾茨海默病基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)集，從整體的基因表達(dá)差異、隨年齡增長(zhǎng)的基因表達(dá)差異、各個(gè)腦區(qū)的基因表達(dá)差異、不同發(fā)病階段的基因表達(dá)差異、性別相關(guān)的基因表達(dá)差異入手，對(duì)阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制進(jìn)行探究。
　　首先，使用數(shù)據(jù)集GSE36980，通過兩組比較，篩選出阿爾茨海默病患者和正常人的大腦的差異基因196個(gè)。對(duì)差異基因進(jìn)行表達(dá)和功能的聚類分析，結(jié)果分為42個(gè)注釋集群，涉及的GO主

10、要有蛋白質(zhì)定位、離子轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞信號(hào)、學(xué)習(xí)記憶、披網(wǎng)格蛋白小泡、突觸、細(xì)胞質(zhì)膜、細(xì)胞連接、線粒體、鈣離子綁定、離子通道、tau蛋白激酶以及脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)等。
　　這些差異功能都和阿爾茨海默病臨床表現(xiàn)以及病理有一定的聯(lián)系。這些結(jié)果證明并支持了阿爾茨海默病大腦內(nèi)神經(jīng)元的蛋白體破壞補(bǔ)償機(jī)制，神經(jīng)元突觸大量減少而且其功能受到嚴(yán)重影響，同時(shí)又發(fā)現(xiàn)了高爾基體在阿爾茨海默病患者的大腦中都會(huì)形成碎片的原因和相關(guān)差異基因。阿爾茨海默病的神經(jīng)元細(xì)胞膜遭到了

11、破壞，線粒體功能的異常使細(xì)胞能量供應(yīng)受損，并產(chǎn)生過量的自由基。陰離子通道和金屬陽(yáng)離子通道異常，致使細(xì)胞信息傳遞和信號(hào)通路的錯(cuò)誤發(fā)生。阿爾茨海默病人的學(xué)習(xí)記憶相關(guān)基因及生物學(xué)進(jìn)程發(fā)生變化，造成了記憶和認(rèn)知功能的下降。細(xì)胞骨架及微管也發(fā)生異常并導(dǎo)致神經(jīng)元的立體空間結(jié)構(gòu)和連接遭到破壞，其中磷酸化過程也出現(xiàn)異常，這將使tau蛋白過度磷酸化，并形成神經(jīng)元纖維纏結(jié)。
　　為了篩選出和年齡因素相關(guān)的阿爾茨海默病易感基因，本人同時(shí)使用GSE369

12、80和GSE53890數(shù)據(jù)集，通過線性回歸和兩組比較結(jié)合，篩選出來20個(gè)在阿爾茨海默病和正常人中有差異又在年齡上有線性趨勢(shì)的基因。差異基因涉及的GO生物學(xué)過程主要有蛋白質(zhì)代謝、細(xì)胞周期、神經(jīng)代謝正調(diào)控、軸突、質(zhì)膜、突觸、細(xì)胞骨架、和金屬離子綁定。這些功能隨著年齡增長(zhǎng)而減弱是阿爾茨海默病發(fā)病率和年齡有正相關(guān)性的原因，這也說明了正常人年齡的增加會(huì)導(dǎo)致大腦萎縮，大腦相關(guān)功能減弱，并出現(xiàn)類阿爾茨海默的相關(guān)癥狀。
　　不同大腦區(qū)域的阿爾茨海

13、默病發(fā)病率也不一樣。此部分使用GSE36980和GSE9770這兩個(gè)數(shù)據(jù)集，通過兩組比較和多組比較，篩選出11個(gè)在各個(gè)腦區(qū)差異表達(dá)的阿爾茨海默病易感基因。這些基因的功能主要涉及細(xì)胞極性的建立或維護(hù)、離子綁定、質(zhì)膜功能、鈣離子綁定，這些功能都和信號(hào)傳導(dǎo)和信息傳遞功能有關(guān)。邊緣系統(tǒng)的這些功能較其他區(qū)域活性較高，這是邊緣系統(tǒng)易受疾病的影響重要原因，也是阿爾茨海默發(fā)病后先出現(xiàn)學(xué)習(xí)、情緒和記憶障礙的原因。其中有兩個(gè)基因CBLN4和LRRTM1也是

14、年齡相關(guān)的阿爾茨海默差異表達(dá)基因。
　　通過秩回歸分析GSE1297數(shù)據(jù)集，篩選出了隨病程加劇而變化的基因，該數(shù)據(jù)集是不同病程的海馬區(qū)神經(jīng)元的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)。結(jié)果中有65個(gè)基因被篩選出來，其中32個(gè)隨疾病加重不斷上調(diào)表達(dá)，33個(gè)基因隨疾病加重下調(diào)表達(dá)。其中上調(diào)的基因涉及的GO功能包括轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、質(zhì)膜組分等。下調(diào)的基因涉及GO功能有線粒體功能、蛋白質(zhì)定位和運(yùn)輸、核苷酸綁定等。因此，對(duì)于不同發(fā)病程度的AD患者，應(yīng)根據(jù)其生物學(xué)相關(guān)功能的改

15、變采取個(gè)性化的治療方法以及精準(zhǔn)的藥物劑量。
　　男性女性的大腦基因表達(dá)有一定的差異，為探究阿爾茨海默病女性發(fā)病率男性高的基因表達(dá)層面上原因，研究采用了GSE36980數(shù)據(jù)集，并選用數(shù)據(jù)集中的阿爾茨海默病組，在組內(nèi)進(jìn)行性別的兩組比較，在滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的前提下篩選出了26個(gè)男女大腦表達(dá)差異基因。這些基因涉及的GO生物學(xué)功能包含細(xì)胞骨架、離子傳遞、蛋白質(zhì)運(yùn)輸與定位、核苷綁定以及膜功能等。這些功能的相關(guān)基因表達(dá)女性比男性較低，是女性較男性