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共病+机器学习+分子对接,想做共病思路的可作为模版!!

生信分析手册 • 1 年前 • 602 次点击  
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导语

今天给同学们分享一篇生信文章“The shared mechanism and potential diagnostic markers for premature ovarian failure and dry eye disease”,这篇文章发表在Sci Rep期刊上,影响因子为3.8。


结果:


全球环境展望信息
从 GEO 中筛选出与 DED 和 POF 相关的数据集,获得符合研究条件的基因芯片数据集GSE44101(微阵列平台GPL1261)、GSE39501(微阵列平台GPL6887)、GSE171043(微阵列平台GPL28441)和GSE48873(微阵列平台GPL13607)。这些数据集包含正常样本和疾病样本。经过筛选,作者选择了与 DED 相关的数据集GSE44101进行分析,并选择了GSE171043进行验证;选择了与 POF 相关的数据集GSE39501进行分析,并选择了GSE48873进行验证。


DED 和 POF 的加权基因共表达网络分析(WGCNA)
对GSE44101和GSE39501数据集的数据进行预处理后分析,得到样本聚类。选取β值分别为20和9作为构建共表达网络的软阈值(图2A, B),满足以下条件:①无标度拟合指数˃ 0.8;②网络的平均连通性良好;③网络符合非标度拓扑网络分布。模块识别采用动态切树算法和合并相似模块的方法。模块内的基因组高度相关。最终的GSE44101数据集获得了 33 个模块,GSE39501数据集获得了 50 个模块(图2C、D)。将GSE44101和GSE39501数据集的模块与样本的临床特征(治疗和对照)相关联,并将 MM 阈值设为 0.8,GS 阈值设为 0.1,权重阈值设为 0.1,作者发现GSE44101数据集 darkolivegreen4 模块与组织的临床特征高度相关(r = 0.99,P= 0.00)。因此,作者选择了绿色的GSE44101数据集 darkolivegreen4 模块和GSE39501数据集 deeppink1 模块进行进一步的关键基因筛选分析。通过分析 WGCNA,考虑到 DED 和 POF 的交集,得到了 151 个共表达基因(图4A)。


DED 和 POF DEGs 分析
GSE44101和GSE39501的差异基因表达分析显示,GSE44101 中有 1089 个 DEGs,其中 553 个基因上调,536 个基因下调。在GSE39501 中发现了 166 个 DEGs,其中 131 个基因上调,35 个基因下调(图3)。如图4B和 C 所示,GSE44101和GSE39501有 10 个共同的 DEGs,其中 9 个基因上调,即BC048546、LCN2、LTF、PADI1、HDC、PLVAP、GNG13、S100A8 和 C3,1 个基因下调,即 MFAP4。

富集分析和功能注释
在合并和剔除重复基因后,结合从 WGCNA 和差异表达基因分析中获得的所有基因,得到了 158 个 DED 和 POF 合并基因。使用 R 对基因进行了富集,以进一步明确筛选出的基因的功能及其在信号通路中的作用。结果表明,所发现的基因主要富集在DNA复制、细胞周期、糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚生物合成、恰加斯病(美洲锥虫病)、TNF信号通路、利什曼病、卡波西肉瘤相关疱疹病毒感染、IL-17信号通路中、如图 5 所示,其主要基因的功能主要体现在染色体、染色体部分、细胞周期、染色体区、染色体、着丝粒区、有丝分裂细胞周期、浓缩染色体、着丝点、浓缩染色体着丝点、浓缩染色体、着丝粒区。

PPI 网络构建和模块分析
将从 WGCNA 和差异表达基因分析中获得的基因导入 STRING10.0 数据库,并将物种设为 "智人",以获得 DED 和 POF 的共病基因。如图6A所示,利用 PPI 对这些基因进行了分析,筛选出了关键的共病基因。使用分子复合体检测(MCODE)插件提取了两个密切相关基因的聚类模块(图6B、C)。聚类 1 包含 7 个节点和 19 条边。聚类 2 包含 10 个节点和 32 条边。


中心基因的选择和分析
此外,使用 CytoHubba 插件以 MCC、MNC 和 Degree 值为参考标准进行网络分析,发现了 15 个关键的枢纽基因,包括 CDC20、BIRC5、PLK1、CDCA8、TOP2A、MCM5、MCM6、MCM7、MCM2、CENPA、FOXM1、GINS1、TIPIN、MAD2L1 和 CDCA3(图6D、E、F)。随后,作者利用 GeneMANIA 数据库评估了共表达网络和枢纽基因的相关作用。网络结果显示,共表达占 46.7%,物理相互作用占 22.85%,预测占 18.15%,通路占 5.39%,共享蛋白结构域占 2.51%,遗传相互作用占 2.27%,共定位占 2.14%(图6G)。

中心基因表达的验证
利用 POF 相关数据集GSE48873和 DED 相关数据集GSE171043 验证了 15 个关键基因的表达水平。对数据集的每个子集进行了 t 检验。显著性水平设定为P<0.05。在此,作者发现在另一个 POF 相关数据集中表达了 PLK1、CDCA8、TOP2A、MCM5、MCM6、MCM2、CENPA、MCM7、TIPIN、GINS1、MAD2L1、CDCA3、BIRC5、FOXM1 和 CDC20,其中 MCM7、TIPIN、GINS1 和 MAD2L1 的表达水平明显更高(P< 0.05),而 CDC20 表达水平明显较低(P< 0.05),如图7 所示。此外,在另一个 DED 相关数据集中,CDC20、PLK1、TOP2A、MCM5、MCM6、MCM7、MCM2、CENPA、FOXM1、GINS1、TIPIN、MAD2L1、CDCA3 和 CDCA8 也有表达(图8)。因此,我们假设 CDC20、CDCA8、PLK1、TOP2A、MCM5、MCM6、MCM7、MCM2、CENPA、FOXM1、GINS1、TIPIN、MAD2L1 和 CDCA3 在 POF 和 DED 中同时存在。TIPIN、GINS1、MAD2L1 和 CDC20 也有不同程度的表达。

识别常见的 RNAs,构建微 RNAs (miRNAs) - 长非编码 RNAs (lncRNAs) 共享基因网络
研究人员从 miRanda、miRDB 和 TargetScan 这三个数据库中找出了与 DED 和 POF 相关的 210 个 miRNA 和 296 个 lncRNA。利用 SpongeScan 数据库匹配 miRNA,获得相应的 lncRNA 数据。通过将这些非编码 RNA 与共享基因相交,构建了 miRNA-lncRNA-基因网络。该网络由 57 个 lncRNA、174 个 miRNA 和一些常见基因组成,包括 14 个中心基因(BIRC5、FOXM1、CDCA8、CDCA3、MCM6、CENPA、TOP2A、MAD2L1、PLK1、MCM5、TIPIN、MCM2、GINS1 和 MCM7)(图9)。

药物预测和药物基因相互作用分析
利用 DGIdb 数据库进行预测,共得到 293 种预测药物,其中 BIRC5 对应 36 种预测药物,PLK1 对应 176 种预测药物,TOP2A 对应 80 种预测药物。作者构建了一个药物-基因相互作用网络(图10A),发现盐酸依达比星和 myricetin 是 TOP2A 和 PLK1 的常见候选药物。多柔比星、氟尿嘧啶、紫杉醇、表柔比星、喜树碱和染料木素是常见的 TOP2A 和 BIRC5 候选药物。根据上述研究,作者在排除抗肿瘤药物后,根据相互作用得分对这些药物进行了筛选。表1 列出了各枢纽基因相互作用得分最高的药物。其中,BIRC5 预测药物为缬癸昔布,PLK1 预测药物为amorfrutin A,TOP2A 预测药物为山柰素。中枢基因与预测药物之间的分子对接显示,中枢基因与对应药物的结合能小于0,表明两者可以自发结合。一般认为,能量越低,配体与受体的结合构象越稳定,发挥作用的可能性越大。分子对接结果分析表明,BIRC5 与缬癸昔布的结合能最低(- 5.51 kJ/mol),表明配体与受体的构象最稳定。对接结果见图10B、C、D。

建立机器学习模型
利用最小绝对收缩和选择算子(LASSO)回归算法和支持向量机递归特征消除(SVM-RFE)分析法,对这 15 个已识别基因进行了潜在标记物的发掘(图11)。在对GSE39501 中的枢纽基因进行 LASSO 回归算法分析时,CDC20、CDCA3、MCM5、PLK1 和 TOP2A 这五个特征基因被认为是与样本显著相关的特征基因。同样,在GSE44101 中,MAD2L1 和 TIPIN 这两个特征基因也被认为是特征基因。值得注意的是,在 SVM-RFE 分析中,GSE39501和GSE44101中的所有枢纽基因都被认定为特征基因。作者将这两个结果结合起来进行了中枢基因的接收者操作特征(ROC)分析,结果显示 CDC20、CDCA3、MCM5、PLK1、TOP2A、MAD2L1 和 TIPIN 作为特征基因具有良好的诊断性能,曲线下面积(AUC)为 1。

总结

DED 和 POF 的病理生物学涉及错综复杂的多因素相互作用,包括一系列基因靶点、通路、信号模式和调控框架。这些因素相互作用复杂,往往是双向的,既有协同作用,也有拮抗作用。包括 CDC20、BIRC5、PLK1、CDCA8、TOP2A、MCM5、MCM6、MCM7、MCM2、CENPA、FOXM1、GINS1、TIPIN、MAD2L1 和 CDCA3 在内的共轭基因,其过程包括 DNA 复制、细胞周期和 IL-17 信号通路,是这一生物镶嵌的核心,在催化一系列关键实体的生物合成方面起着关键作用。CDC20、MAD2L1 和 TIPIN 是这组基因中的焦点,它们与异常凋亡和衰老密切相关。这些基因的功能,无论是在激活还是抑制代谢途径方面,都是 DED 和 POF 发病机制中不可或缺的代谢多功能性的象征。


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