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导语
今天和大家分享的是2019年12月份发表在Pharmacogenomics and Personalized Medicine杂志(IF=3.264)的一篇文章“Identification of Candidate Genes and Therapeutic Agents for Light Chain Amyloidosis Based on Bioinformatics Approach ”。文章使用生物信息学方法，确定AL淀粉样变性的候选基因（ITGAM, ITGB2 , ITGAX , IMP3,FBL）和通路，以及发现小分子药物（AT-9283，利托那韦和PKCβ抑制剂）是AL淀粉样变性病的潜在治疗药物。
Identifification of Candidate Genes and Therapeutic
Agents for Light Chain Amyloidosis Based on Bioinformatics Approach
基于生物信息学方法的鉴定轻链淀粉样变性候选基因和治疗剂
一、研究背景
淀粉样蛋白轻链（AL）淀粉样变是会危及生命的蛋白质沉积疾病，是系统性淀粉样变性病的最常见类型。癌症的早期诊断和靶向治疗对于AL淀粉样变性病患者获得更好的预后至关重要。对于AL淀粉样变性的早期诊断，淀粉样沉积是使用最广泛的生物标志物，但是AL淀粉样变性病发生和发展的分子机制仍不清楚。因此，有必要发现AL淀粉样变性病的原因，以鉴定新的分子生物标志物并发现潜在的分子药物。
二、研究思路
三、结果解读
1 AL淀粉样变性和对照组之间的DEGs
作者在AL淀粉样变性组与正常对照组之间总共鉴定出1464个基因是差异表达基因，包括AL淀粉样变性中的727个上调基因和737个下调基因。如下热图所示，根据聚类分析结果将DEG分为2个聚类。同时，正常和AL淀粉样变性样本也被分为2个不同的组。
图1.DEG的热图和聚类分析
2 DEGs的基因富集和途径分析
为探索DEG的特定功能模式，用DAVID进行了功能富集分析。GO分析显示，上调的DEG主要在生物过程中显着丰富，包括rRNA加工，线粒体翻译延伸和终止。下调的DEGs主要集中在生物过程，包括免疫应答，免疫应答调节和白细胞迁移。对于分子功能，上调的DEG富含poly（A）RNA结合，核糖体的结构成分和未折叠的蛋白质结合；下调的DEG富集RAGE受体结合，蛋白质结合和受体活性。此外，GO细胞成分分析显示DEGs主要富集在核仁，线粒体。
表1.下调DEG和上调DEG的前五种富集GO
此外，通过上调DEG和下调DEG进行的KEGG通路富集分析列于表2。其中，前三个上调的DEG富集真核生物，代谢通路和核糖体的核糖体生物发生，而下调的DEG则富集造血细胞谱系，肺结核，金黄色葡萄球菌感染和细胞粘附分子（CAMs）。
表2.DEG的五种最丰富的KEGG途径
3 PPI网络和子网构建
作者筛选出得分大于0.4的组合，根据STRING构建PPI网络，并在Cytoscape中可视化，涉及1270个节点（DEG）和7818个交互，占所有DEG的86.74％。
图2.从PPI网络提取的1270个节点和7818个边缘组成的巨型网络
PPI网络的拓扑参数表明PPI网络的节点度分布处于幂律分布。根据巨型网络中的连通度，筛选出基因/蛋白质拥有的PPI对的数量，确定了5个关键节点基因：ITGAM (degree, 129), ITGB2 (degree, 103), ITGAX (degree,94), IMP3 (degree, 62),FBL (degree, 62)。
图3.根据巨型网络对拓扑参数进行分析
此外，发现生物网络由几个功能模块组成，其中复合物的这些组件和相互作用通常导致相同的生物过程。使用MCODE分析从PPI网络中提取了几个模块。
图4.从巨型网络中提取的重要模块
提取的连接度最高的的子网（cluster rank 1; Score 26.741）来自PPI网络联合体，包含28个节点和361个交互（涉及IMP3和FBL）。另一个子网（cluster rank 3; Score 17.537）也是PPI网络联合体，由96个节点和833个交互（其中富含ITGAM，PTPRC，ITGB2和ITGAX）组成。因此，对于在此PPI子网中识别的基因，总共增加了20条KEGG通路。前两个通路是造血细胞谱系和原发性免疫缺陷。
表3.DEG识别出的具有统计意义的子通路（前5名）
利用qRT-PCR检测AL淀粉样变性患者中关键基因的表达。与健康对照组相比，AL淀粉样变性患者的FBL和IMP3表达上调，而AL淀粉样变性中ITGAM，ITGB2和ITGAX的表达均低于健康对照组。这些结果将支持FBL和IMP3作为AL淀粉样变性的生物标记。
图5.AL淀粉样变性患者克隆浆细胞中关键基因的表达
4 小分子试剂的鉴定
根据cMap数据库映射的结果，发现了几种可能与AL淀粉样变性相关的小分子药物。如图所示表4，根据排名和得分选择了排名前5位的小分子药物，表明它们与AL淀粉样变性相关性相对较高，例如AT-9283，利托那韦，靛蓝素，PKCβ抑制剂和胆酸。
表4.鉴定出DEG的小分子物质（前5名）
四、小结
作者基于GEO数据库在AL淀粉样变性样品与对照样品中共鉴定出1464个DEGs，利用DAVID进行GO、KEGG富集分析来对作功能注释，然后构建DEGs的PPI网络和模块化分析，得到关键基因候选基因，包括ITGAM，ITGB2，ITGAX，IMP3和FBL，进而确定小分子药物（AT-9283，利托那韦和PKCβ抑制剂）是AL淀粉样变性病的潜在药物。