与尼古丁成瘾相关的信号通路与蛋白质相互作用网络分析

摘要

目的：
　　作为烟草中主要的致瘾性物质，尼古丁对中枢神经系统具有广泛的影响。研究表明，在尼古丁作用的影响下，生物体中多个分子与生化通路的表达状态都会发生改变。然而对于其成瘾机理，我们的理解还比较有限。本文通过利用基于通路富集分析与蛋白质相互作用网络(Protein-Protein Interaction Network，PPIN)分析的方法，对220个与尼古丁成瘾相关的候选基因(Nicotine Addiction-related candidate Genes，NAGenes)进行系统分析，确定在尼古丁成瘾过程中起主要作用的信号通路，构建与其相关的蛋白质相互作用网络并进行分析，从而为理解与构建尼古丁成瘾的分子机制模型奠定基础。
　　研究方法：
　　1.数据来源。本文所用数据是通过使用基于多个数据源的基因优选方法所获取的220个NAGenes。
　　2. GO富集分析。利用WebGestalt识别220个NAGenes中富集的GO术语，并通过DAVID工具进行功能注释的聚类，了解NAGenes中富集的生物过程。
　　3. Pathway和pathway crosstalk分析。应用工具IPA确定NAGenes中显著性富集的信号通路，并通过分析 crosstalk观察通路之间的相互作用以及利用软件Cytoscape对结果进行可视化。
　　4. PPIN分析。在人类PPIN背景下，计算尼古丁成瘾的PPIN拓扑测量值，估测其网络拓扑特性；对该网络进行聚类分析，以便直观地观察网络中所涉及的主要生物功能。
　　5.尼古丁成瘾特定的子网络。利用施泰纳最小树算法，提取尼古丁成瘾特定的子网络，并验证该子网络的非随机性。同时，通过提取的子网络识别新的潜在基因。
　　6.尼古丁成瘾的分子网络。通过综合通路富集分析和PPIN分析的结果，初步构建尼古丁成瘾的分子网络。
　　研究结果：
　　1. GO富集分析。通过GO富集分析发现，许多与神经发育或突触传导相关的生物过程以及与离子通道活性或神经递质活性相关的分子功能在NAGenes中显著性富集。例如，突触传递、神经冲动的传递、神经递质受体活性、兴奋性细胞外配体门控离子通道活性以及神经元的投射等GO术语。
　　2. Pathway和pathway crosstalk分析。结果显示，与神经传导系统、免疫系统和代谢过程相关的通路在NAGenes中显著性过表达，如单胺类神经递质受体信号、cAMP-调控信号、钙离子信号、G蛋白耦合受体信号、长时程增强/抑制信号及多巴胺降解等通路。同时还发现三条与维甲酸 X受体相关的通路，即LPS/IL-1调控的抑制RXR功能的信号、PXP/RXR激活信号和LXP/RXR激活信号，在NAGenes中富集。另外，一条与昼夜节律相关的通路也出现在富集的通路列表中，表明尼古丁成瘾与昼夜节律的异常或紊乱之间可能存在某种联系。
　　3. PPIN分析和尼古丁成瘾特定子网络的构建。拓扑特性分析显示，NAGenes的度分布具有右偏特性。并且与酒精成瘾基因和癌症基因相比，NAGenes的拓扑参数即节点度、聚类系数和接近度中心性具有较小的趋势，而偏心率中心性则相反。通过PPIN与特定子网络的分析，我们获得了一些新的与成瘾相关的潜在基因，如CALM2、CAV1、CANX以及PPP1CA等。
　　4.尼古丁成瘾分子网络的构建。在构建的分子网络中，我们观察到一些新的基因或通路如MAPK、NF-κB及MAPK信号和NF-κB信号通路等。此外，还发现分子网络中存在一些反馈回路，它们中的部分循环彼此之间通过分子 CaM和CAMKⅡ相连。
　　研究结论：
　　1.尼古丁成瘾的分子机理极其复杂。在尼古丁作用下，机体内许多基因的表达状态都会发生改变，从而调节与神经传导、免疫及代谢等相关的生物过程，最终引起神经系统功能的改变。
　　2.与酒精成瘾和癌症基因相比，NAGenes倾向于较低或中度连接，且其相邻节点之间的连接紧密度较小，节点分布于网络边缘的可能性较大。
　　3.分子 CaM和CAMKⅡ在突触可塑性发展过程中可能具有重要作用，可作为尼古丁成瘾不可逆特性研究中的潜在靶点。
　　4.本文所得结果为构建尼古丁成瘾的分子机制提供了有价值的信息，同时亦表明本论文所采用的分析方法是探索复杂疾病分子机制的一条有效途径。