B细胞和单核细胞基因表达谱的相关分析与骨密度关联基因网络鉴定

摘要

随着人口老龄化趋势加剧，骨质疏松已经成为公共卫生领域的难题。骨密度是骨质疏松的主要风险因子，作为替代表型被广泛用于骨质疏松遗传机制研究。基于家系和同胞对的研究表明骨密度变异的遗传率约为60-90％，但大部分骨密度遗传决定因素依然未知。
　　 B细胞和单核细胞为两类与骨代谢密切相关的细胞，以往旨在鉴定骨质疏松遗传机理的研究常将这两类免疫细胞作为研究靶细胞，但是这些研究大都只是局限在一种细胞，或只是研究基因的差异表达与骨质疏松的关系。为系统深入探索这两类细胞对骨代谢的影响，本研究专注：1)量化研究B细胞和单核细胞的表达相关性，探索它们对骨代谢是否存在协同影响；2)构建骨密度关联的基因共表达网络，并揭示其生物学意义。
　　 本研究量化了B细胞和单核细胞的表达相关性。在36个高骨密度和40个低骨密度白人女性样本中，从外周静脉血中提取B细胞和单核细胞，采用AffymetrixHG-U133AGeneChip()芯片进行基因表达检测，应用GCOS1.2软件将原始数据除噪和归一化，过滤低表达和不表达的基因后，共有4279个基因在B细胞和单核细胞都表达，从以上基因中筛选出1107个可能影响骨代谢的基因。分析显示这些基因在B细胞和单核细胞中的表达存在较强的相关性(R=0.900，P<0.001)，且这种正相关表达关系的样本差异小；这1107个基因中有251个在B细胞和单核细胞中存在显著的正相关表达关系(P<0.05)；两条与骨代谢存在显著相关的生物学通路RANKL/RANKOPG和Wnt/β-cateninsignaling在B细胞和单核细胞中的表达也存在显著相关(Pearson's相关系数分别为0.918和0.508)。综上，无论在基因还是生物学通路层面，B细胞和单核细胞的表达存在正相关关系，且可能存在影响骨密度的协同表达机制。
　　 构建骨密度关联的基因共表达网络研究的材料为79个白人女性样本(高骨密度39人、低骨密度40人)的B细胞和80个白人女性样本(高低骨密度各占一半)的单核细胞的基因表达谱数据。细胞提取、芯片平台和数据预处理过程与第一部分研究相同。采用加权基因共表达网络构建算法(WeightedGeneCo-expressionNetworkAnalysis，WGCNA)构建基因模块，并计算其和骨密度关联的显著统计量(ModuleSignificance，MS)作为衡量基因网络和骨密度间关联程度的指标。应用B细胞表达谱数据构建了10个基因共表达基因网络，这些网络和骨密度间不存在显著关联关系；应用单核细胞表达谱数据构建了7个基因共表达模块，模块blue和brown被证实与骨密度之间存在显著关联，该关系进一步得到全基因组关联研究(Genome-wideassociationstudies，GWAS)结果的验证。基于GO(GeneOntology)的功能注释分析得出blue模块主要参与转运、细胞蛋白代谢过程和蛋白代谢过程，而brown模块主要参与细胞内运输、小泡介导运输和细胞蛋白定位过程。结果表明以上生物学过程可能影响骨代谢，而对blue和brown模块中的基因及对应的GO过程的进一步功能研究将加深我们对其在骨代谢和骨质疏松中作用的理解。
　　 本研究首次探索并揭示了B细胞和单核细胞中的基因表达存在显著的正相关关系、且可能存在潜在的影响骨密度的协同表达机制；研究首次应用白人样本的B细胞和单核细胞的基因表达谱数据创建基因共表达网络，并鉴定出两个与骨密度显著关联的基因网络。研究加深了我们对B细胞和单核细胞调控骨代谢的认识并对以后同类研究奠定基础。