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北京蛋白质组学——基于WGCNA的矽肺进展关键途径和基因的鉴定

2022-08-15 14:04:11

近年来,基因组学和蛋白质组学的快速发展已积累了大量的生物数据,为揭开生命神秘的面纱提供了良好的数据基础。生物信息学为其发现差异表达基因(DEGs)高通量的方式提供了良好的时机和平台,打破了低效率的限制、敏感性和特异性的传统策略。青莲专注于科研服务、药学服务、转化医学、大数据处理等多模块业务,为广大研究人员提供一体式平台。



北京蛋白质组学



标题:Identification of key pathways and genes in the progression of silicosis based on WGCNA

期刊:Inhal Toxicol(IF =3.011)

时间:2022.08

背景

矽肺是全球常见的职业病之一,尤其是在包括南非和中国在内的发展中的。其主要原因是长期吸入大量含有游离二氧化硅颗粒,导致以肺部结节性纤维化为主的疾病,由于治疗方式有限且缺乏对疾病机制的了解,矽肺及其导致的纤维化的预后很差。在本研究中,通过气管内注入不同浓度的二氧化硅建立了Wistar大鼠矽肺纤维化模型,提取肺组织严重纤维化病变的RNA进行测序,检测差异表达基因(DEGs),并通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)鉴定矽肺纤维化相关模块和hub基因(北京青莲百奥提供技术支持)。

文章重要点

本研究通过测序和数据挖掘技术,进一步详细描述矽肺纤维化的潜在分子机制。

研究思路



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结果速递

1:矽肺纤维化大鼠模型建立并通过病理组织切片染色和WB-Biomaker验证

作者将48只Wistar大鼠随机分组,分别在不同浓度的二氧化硅环境中饲养14 d或28 d,后收集肺组织切片进行HE(图1:上左)和Masson(图1:上右)染色。结果显示:对照组肺组织未见明显异常;相反,游离二氧化硅暴露组肺泡壁增厚程度不同,肺泡壁及周围血管均有不同程度的炎症细胞浸润,特别是200 mg/mL游离二氧化硅颗粒暴露的大鼠肺组织。用Western-Blot验证了四种典型炎症和纤维化蛋白(转化生长因子-b1、肿瘤坏死因子-a、COL I、COLIII)的水平,与生理盐水处理组相比,二氧化硅暴露大鼠肺组织中炎症和纤维化中这四种代表性蛋白的水平显著升高且展示出时间依赖趋势(P<0.01和P<0.05)。



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图1:游离二氧化硅处理大鼠肺组织切片染色和WB结果



2:矽肺纤维化大鼠模型中DEGs的分析

200 mg/mL游离二氧化硅处理组的病理改变和典型炎症和纤维化蛋白表达为显著,因此提取200 mg/mL游离二氧化硅颗粒和生理盐水处理组14 d和28 d的大鼠肺组织RNA并进行后续实验测序。根据RNA-seq数据,测定了30016个基因(200 mg/mL二氧化硅暴露14 d与生理盐水处理14 d)和30501个基因(200mg/mL硅胶暴露28 d与生理盐水处理28 d)的总表达水平,其中有458个基因(14 d)和1221个基因(28 d)属于差异表达基因(|log2F.C.|>1,P<0.05)。



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图2:矽肺纤维化大鼠模型中DEGs的聚类热图



3:加权基因共表达网络的构建及模块间相关性

通过R中的blockwiseModules函数探索了17个具有高度相似性的基因模块。重要的是,应该注意,灰色模块中的基因不能聚类到任何其他模块中,因此它不包括在以下分析中。为了筛选出与二氧化硅暴露密切相关的模块,通过Pearson相关分析评估了ME与盐水/二氧化硅暴露之间的关系。结果显示,200 mg/mL游离二氧化硅暴露组(14 d)的black和brown模块以及200 mg/mL游离二氧化硅暴露组的purple和tan模块(28 d)的相关系数具有统计学意义(P<0.05)。

接下来对相关性系数较高的模块(C200组中的black(14 d)和C200组的purple(28 d))中Top30基因进行功能分析。black模块中的RNF187和purple模块中的生长分化因子2(Gdf2)、脱氢酶/还原酶SDR家族成员9(Dhrs9)、Wt1和染色质可及性复合物亚基1(CHRAC1)直接或间接参与调节Hippo信号通路,增强其参与矽肺纤维化病理发生和发展的潜力。

GO分析发现,black和purple模块中基因主要集中在生物过程(BP)类别中,包括生物调节、刺激反应、细胞增殖、生物粘附、细胞聚集、免疫系统过程等术语(P<0.05)。这些项与为DEG形成的GO分析筛选出的项部分一致。关于这两个模块涉及的具体途径,作者进行了KEGG途径分析。从black和purple模块中的20富集途径来看,值得注意的是在两个模块中都检测到了Hippo信号通路(P<0.05)。



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 图3:WGCNA构建及相关性系数高的模块中基因进行功能富集分析



总结

本研究中采用腹腔滴注法建立的大鼠矽肺纤维化模型,模拟纤维化病变的形成,将WGCNA在IPF(矽肺纤维化密切相关的特发性肺纤维化)上的研究经验应用于矽肺纤维化机制的研究,提出了一种与Hippo信号通路相关的矽肺纤维化的机制,为治疗矽肺病提供了以靶点药物为治疗手段的理论依据,为长期以来仅仅依靠肺移植来根治矽肺患者带来了新的希望。

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