基于转录组数据的药物重定位

摘要

虽然计算药物重定位分析已经鉴定了大量重定位药物，但是它们的临床试验鲜有进展。究其原因，除知识产权问题外，整合的计算药物重定位数据库匮乏阻碍了实验药物开发人员有效地获取并转化计算分析结果；现有的基于转录组药物重定位方法分析疾病环境下药物作用方式的“黑箱”属性是计算重定位药物在预临床和临床试验阶段失败的重要原因；基因排序效果欠佳是基于转录组药物重定位假阳性结果出现的关键原因之一。这些问题反映了构建开放的药物重定位数据库、鉴定疾病核心靶基因、探索疾病环境下的药物作用方式和发展高效基因排序方法在药物重定位中的重要性。
　　本文提出了共表达基因集富集分析方法（co-expressed gene set enrichment analysis，cogena），实现并发布了Bioconductor软件包。该方法结合基因共表达信息和多种不同功能的基因集进行富集分析，可以更深层次地多角度理解基因的功能。首先将cogena应用于帕金森综合症的共表达通路分析、靶标发现及基于靶标的药物重定位中，鉴定了39个帕金森综合症核心靶基因，得到了靶向其中13个基因的药物，包括具有神经保护作用的quercetin、cholic acid和oprozomib。第二，提出了如果一个药物基因表达谱与疾病的关键共表达基因群表达谱反相关，那么该药可能用于治疗该疾病的假说，基于该假说设计了cogena的药物重定位和药物作用方式分析流程，并将其应用于一种疾病——银屑病的研究，计算得到了2个具有不同作用方式的已用于治疗银屑病的药物methotrexate和ciclosporin，预测了若干治疗银屑病的候选药物及其作用方式，例如细胞周期阻断剂resveratrol、ciclopirox、etoposide和trifluridine。另一方面将该分析流程应用于一种药物——methotrexate的药物重定位中，鉴定了与cogena的银屑病分析结果高度一致的细胞周期阻断剂药物，得到了methotrexate已经用于治疗的6种疾病，预测了该药新的适应症。第三，整合7275个药物和疾病基因表达谱，基于参数的基因集富集分析方法计算它们之间的相似性，构建了可视化的交互式数据库和网络服务器D2Dpage，从多个角度验证了D2Dpage在药物重定位方面的用途和效果。在银屑病的药物重定位分析中，计算得到了银屑病抗体类药物etanercept,鉴定了超药品说明书使用的银屑病药物pimecrolimus。D2Dpage是目前唯一基于基因表达谱的包含大量药物和疾病的药物重定位数据库。第四，结合上述分析开展了银屑病的转化系统生物学研究，通过整合分析银屑病共表达基因簇、抗体类药物基因表达谱和自身免疫病基因表达谱之间的相关性及对抗体类药物转录组进行cogena药物重定位分析，计算验证了已上市药物etanercept和ixekizumab治疗银屑病的有效性，分析发现未上市药物brodalumab和guselkumab可以用于治疗银屑病，基于抗体类药物转录组计算得到了methotrexate和超药品说明书使用的银屑病药物isotretinoin，也预测了若干治疗银屑病的候选药物，这些候选药物与基于银屑病转录组的cogena药物重定位分析结果高度一致，发现了鲁棒地存在于银屑病、抗体类药物和多种自身免疫病转录组的关键共表达基因聚类簇，鉴定了32个银屑病核心靶基因，并基于靶基因进行药物重定位分析，预测了若干银屑病候选药物，包括靶向TOP2A的etoposide。最后，针对RNA-Seq转录组数据，实现了判别非负矩阵分解DNMF的R软件包，提出了基于DNMF的基因排序模型，证明了基于DNMF的基因排序分析方法优于当前通用的方法。

目录

声明

第一章 概述

1.1 背景

1.2 计算药物重定位基本假设

1.3 计算药物重定位综述

1.4 基因排序综述

1.5 问题与挑战

1.6 论文组织结构

第二章 共表达基因集富集分析

2.1 背景

2.2 共表达基因集富集分析方法

2.3 针对帕金森综合症的通路分析和靶标发现

2.4 结论

第三章 基于共表达基因集富集分析的药物重定位

3.1 背景

3.2 基于cogena的药物重定位分析管道设计

3.3 基于cogena针对银屑病的药物重定位

3.4 基于cogena针对methotrexate的药物重定位

3.5 结论

第四章 基于基因表达谱的药物重定位数据库和网络服务器

4.1 背景

4.2 方法

4.3 基于D2Dpage的药物重定位

4.4 讨论

4.5 结论

第五章 银屑病的转化系统生物学分析

5.1 背景

5.2 方法

5.3 结果

5.4 结论

第六章 基于判别非负矩阵分解的RNA-Seq数据的基因排序

6.1 背景

6.2 方法

6.3 结果

6.4 讨论

6.5 结论

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 不足与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果