与帕金森病相关基因的生化通路与蛋白质相互作用网络分析

摘要

研究目的：
　　作为一种常见的神经退行性疾病，帕金森病不仅严重影响病人及家人的生活质量，同时给社会造成了巨大的经济负担。尽管已经有很多研究致力于揭示帕金森病的致病机制，对于其分子机制的认识仍然很不充分。本研究旨在系统性地收集由遗传学研究确定的与帕金森病相关的人类基因，通过生物学功能富集和蛋白质互作网络（Protein-Protein Interaction Network, PPIN）分析，确定在帕金森病发生与发展过程中起主要作用的生物学通路，并构建与其相关的蛋白质互作网络，进而为理解与构建帕金森病的分子机制模型提供基础。与此同时，鉴于阿尔兹海默病和帕金森病存在普遍的共患病状态，本文又通过生物学功能和网络分析方法，对与两种疾病对应的相关基因进行比较，以探索两种疾病的分子机制的相互关系。
　　研究方法：
　　1.数据来源本研究通过特定检索关键词，对帕金森病和阿尔兹海默病的遗传相关研究报告进行筛选，分别收集由人类遗传学研究确定的与帕金森病或阿尔兹海默病相关的基因，即与帕金森病相关的基因集(Parkinson’s disease related gene set; PDgset)和与阿尔兹海默病相关的基因集(Alzheimer’s disease related gene set;Alzgset)。
　　2. 与帕金森病相关基因的功能富集分析 利用 WebGestalt 挖掘并分析PDgset中富集的GO Biological Process（BP）条目，从而确定与这些基因相关的主要生物学过程。
　　3. 生物学通路和通路串话分析 应用ToppGene工具确定PDgset显著富集的生物学通路，进一步通过分析通路间的串话，观察通路之间的相互联系，并利用Cytoscape软件将通路串话结果可视化。
　　4. PPIN分析 基于人类PPIN背景，计算PDgset的网络拓扑量值，以估测其网络拓扑性质。
　　5. 帕金森病特异蛋白网络的推断 利用结点加权施泰纳最小树算法，推断帕金森病特定蛋白网络，并验证该蛋白网络的非随机性。同时，通过该网络预测帕金森病相关潜在基因。
　　6. 基于生物学功能和PPIN的PDgset和Alzgset的比较 通过生物学功能富集分析和蛋白质互作网络拓扑分析，比较PDgset，Alzgset和78个两个数据集共有基因（Common gene set for PDgset and Alzgset, PAgset）三个基因数据集，探索帕金森病和阿尔兹海默病分子层面的关联性。
　　研究结果：
　　1. 数据集的来源通过筛选遗传相关研究，收集到242个帕金森病相关基因和430个阿尔兹海默病相关基因。
　　2. GO富集分析 经由GO富集分析可以发现，很多与药物反应及代谢、神经发育或者突触传递、免疫反应等相关的GO生物学过程在PDgset中显著富集。例如，尼古丁反应、异生物的代谢、突触传递过程中多巴胺的摄取、神经突触可塑性的调控、白细胞介素6产物的正向调控等GO生物学过程条目。
　　3. 生物学通路和通路串话分析 生物学通路富集分析结果显示，PDgset显著富集在与神经递质、免疫系统和代谢相关的生物学通路，如多巴胺能突触信号、5-羟色胺能突触信号、酪氨酸代谢通路、IL10抗炎信号、经由IL1R的信号传导等通路。此外，与雌激素信号和脂肪细胞因子信号相关的通路，也在PDgset中显著富集，表明帕金森病与雌激素信号和脂肪细胞因子信号介导的相关生命活动间可能存在联系。通路串话分析得出，PDgset 富集通路主要分为两个互相联系的模块：一个与神经信号及其相关代谢通路相关，另一个主要与免疫系统通路相关。
　　4. PPIN 分析和帕金森特定蛋白网络的推断 通过网络拓扑分析可以发现， PDgset的结点度分布具有显著的右偏特性。并且与尼古丁和癌症基因集相比较，较癌症基因集，PDgset 的结点度分布和平均结点度与尼古丁基因集更接近且都具有较小的结点度，与癌症基因集差异很大，表明至少在网络层面上，可以观察到神经性疾病与癌症的显著差异性。通过构建帕金森特异蛋白网络，我们发现一些帕金森病相关的潜在基因，如SLC9A3R2、YWHAB及TYROBP等。
　　5. 基于生物学功能和 PPIN的PDgset和Alzgset的比较 通过比较PDgset和Alzgset富集到的GO生物学过程条目和生物学通路，发现两个基因集共有的GO条目和通路，在Alzgset相关GO条目和通路的排序更靠前；同时，通过比较PDgset、Alzgset和PAgset的网络拓扑量值，可以得到PAgset的网络特征值较PDgset和Alzgset更接近。综合生物学功能和网络特征值分析，我们可以得到，至少从分子层面上，PAgset与Alzgset更为接近，帕金森病和阿尔兹海默病的共有部分与阿尔兹海默病更为接近。
　　研究结论：
　　1. 帕金森病的分子致病机制非常复杂。本研究结果显示，与突触传递及相关代谢、免疫等相关的生物学过程发生异常紊乱，最终引起多巴胺能神经元的退化、死亡。
　　2. 与癌症基因相比，PDgset 和尼古丁成瘾相关基因，具有较少的蛋白相互连接数目，反映出神经病变与癌症具有显著差异。
　　3. 分子SLC9A3R2、YWHAB和TYROBP在帕金森病发生发展过程中可能起到重要作用，可作为帕金森病后续研究的潜在靶点。
　　4. 本文得出在分子层面上，帕金森病和阿尔兹海默病共有部分与阿尔兹海默病更为接近，为后续科学研究提供有价值的参考。同时，本文的方法亦可作为研究其他特定疾病的可选择分析框架，为探索复杂疾病致病分子机制提供了一条有效途径。

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缩略语/符号说明

一、前言

1.1 研究背景

1.2 研究目的及意义

1.3 研究内容及方法

1.4 论文创新点

1.5 论文结构安排

二、原理与方法

2.1 数据

2.2 Gene Ontology（GO）富集分析

2.3 生物学通路分析

2.4 通络串话分析

2.5 PPIN拓扑分析

2.6 推断PD特异蛋白网络

2.7 基于生物学功能和PPIN的PD和AD的比较

三、结果与分析

3.1 核心数据集

3.2 GO富集分析

3.3 通路富集分析

3.4 通路串话分析

3.5 PPIN分析

3.6 PD特异蛋白网络的构建

3.7 基于生物功能和PPIN的PD和AD的比较

四、结论与讨论

4.1 结论

4.2 讨论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录1 PDgset

附录2 Alzgset

附录3 PDgset显著富集GO BP条目

附录4 Alzgset显著富集GO BP条目

综述: 与帕金森病相关的生物学通路研究现状及展望

致谢

个人简历