2024年3月15日发(作者：)

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doi:10.3969/.1009-4393.2021.15.003--

论著

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基于生物信息学方法分析颈动脉粥样硬化的关键通路

和枢纽基因

李先芳，林璋

（福建省老年医院心血管内科，福建

摘要：目的

福州350000）

从GEO数据库获得颈动脉斑块的基因利用生物信息学分析初步探索颈动脉粥样硬化进展的枢纽基因和关键通路。方法

表达谱GSE43292数据集，利用GEO2R分析颈动脉斑块和正常组织的差异基因，利用R语言clusterprofile包对差异基因进行GO富集分析和

KEGG功能富集分析。利用STRING工具和Cytoscape构建蛋白互作网络，并筛选关键基因。结果

差异基因蛋白互作网络的枢纽基因为CD163、MMP9、CXCL10、CCR1。结论

脉粥样斑块的预后和治疗提供新的分子靶点。

关键词：生物信息学；颈动脉粥样斑块；差异基因；基因富集；枢纽基因

GEO2R分析GSE43292数据集共含有97个差

异基因，包括46个上调基因和51个下调基因；基因富集分析发现差异基因主要富集cAMP信号通路、色氨酸代谢、PPAR信号通路等相关通路。

CD163、MMP9、CXCL10、CCR1为颈动脉斑块形成的枢纽基因，可能为动

Analysisofkeypathwaysandhingegenesofcarotid

atherosclerosisbasedonbioinformatics

LIXianfang,LINZhang

(DepartmentofCardiology,FujianGeriatricHospital,Fuzhou,Fujian,350000,China)

Abstract:ObjectiveTousebioinformaticsanalysistopreliminaryexplorethepivotalgenesandkeypathwaysofcarotidatherosclerosis.

MethodsThegeneexpresferentialgenesofcarotidplaqueand

ichedanalysisofGOandKEGGfunctionalenrichmentofthedifferentialgeneswasperformed

INGtoolsThere

were97differentiallyexpressedgenesinGSE43292byGEO2Ranalysis,richment

analysisfoundthatdifferentialgenesmainlyenrichedcAMPsignalingpathway,tryptophanmetabolism,PPARsignalingpathwayandotherrelatedpathways.

ThekeygenesofthedifferentialgeneproteininteractionnetworkareCD163,MMP9,sionCD163,MMP9,CXCL10,and

CCR1arepivotalgenesforcarotidplaqueformation,andmayprovidenewmoleculartargetsfortheprognosisandtreatmentofatheroscleroticplaques.

Keywords:Bioinformatics;Carotidatheromatousplaque;Differentialgenes;Geneenrichment;Pivotalgenes

颈动脉粥样硬化是心脑血管疾病发生的主要因素，明确

颈动脉粥样硬化的发病机制是预防心脑血管的关键

[1-3]

，尽

管影响颈动脉粥样硬化的相关因素较多，但目前颈动脉粥样

硬化的分子机制尚未完全明确，因此，研究颈动脉粥样硬化

的分子机制具有重要意义。随着测序技术的发展及公共数

据库的建立，利用生物信息学探索疾病的相关机制越来越普

遍

[4]

。本研究利用生物信息学和GEO公共数据库进行分析，

获得颈动脉斑块与斑块旁组织的差异基因（differential-

lyexpressedgenes，DEGs)，并利用GO和KEGG对差异基因

进行富集分析，同时利用PPI网络和cytoscape技术筛选差

异基因的枢纽基因，探索经颈动脉粥样硬化潜在的治疗靶

点，为心脑血管疾病的早期预警奠定一定的理论基础，现报

道如下。

1材料与方法

1.1差异基因的筛选在GEO数据库分析GSE43292数据

集，该数据集含有32例颈动脉粥样斑块组织和32例斑块旁

组织，利用GEO2R在线工具分析获得DEGs，利用R语言进行

火山图绘制。

1.2GO和KEGG分析GO富集分析是按照生物学进程（bi-

ologicalprocess，BP）、分子功能（molecularfunction，MF）

和细胞组分（cellularcomponent，CC）进行富集调查的方法，

对基因功能进行注解；KEGG是将基因按照所在生物学通路进

行富集分析。利用R语言包clusterprofile对DEGs进行GO和

KEGG分析。

1.3蛋白互作网络构建和枢纽基因的筛选蛋白互作

资助项目：福建省卫生厅青年科研课题基金（2012-2-29）

—6—

2

（proetin-proteininteraciton，PPI）网络是用于预测和分析

蛋白之间的潜在相互作用，利用STRING在线数据库构建PPI网

络（/cgi/），将蛋白互作网络

导入cytoscape软件，利用cytohubba筛选枢纽基因。

2结果

利用GEO2R分析GSE43292共获得97个DEGs，包括46个上

调DEGs和51个下调DEGs，所获结果可视化为火山图，见图1。

图3差异基因的GO注释功能细胞组分分析

Figure3ThecellularcomponentofGOanalysis

图1GSE43292的火山图

Figure1VolcanomapofGSE43292

注：红色代表显著上调的基因，绿色代表显著下调的基因，黑色

代表表达不显著的基因

2.1差异表达基因的GO功能富集及KEGG通路分析利用

R语言对97个DEGs进行GO功能注释和KEGG信号通路富集

分析，按富集基因数目排序，分别取位于前10的分析结果。

GO功能注释结果显示：在生物学过程中，DEGs主要涉及细胞

外结构组织、平滑肌细胞增殖的负调控、吲哚烷基胺代谢过

程等，见图2；在细胞组分中，DEGs主要与细胞外基质、受体

复合物和细胞膜面有关，见图3；在分子功能上，DEGs主要涉

及碳水化合物结合、酰胺键、金属内肽酶活性等。KEGG通路

分析显示，DEGs主要富集cAMP信号通路、色氨酸代谢、PPAR

信号通路等相关通路，见图4～5。

图4差异基因的GO注释功能分子功能分析

Figure4ThemolecularfunctionofGOanalysis

图5差异基因的KEGG富集通路分析

Figure5KEGGpathwayanalysis

2.3PPl网络构建及枢纽基因建立将97个DEGs的String

图2差异基因的GO注释功能生物学过程分析

Figure2ThebiologicalprocessofGOanalysis

蛋白互作分析结果导入Cytoscape进行可视化，见图6，然后在

MCODE插件中找出得分最高的蛋白互作模块，最后在cytoHubba

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图6差异基因PPI网络图

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Figure6PPInetwolkofDEGs

插件中利用MCC法筛选MMP9、CXCL10、CD163和CCR1等5个枢纽

基因，见图6。

注：红色代表上调基因；蓝色代表下调基因

3讨论

本研究利用生物信息学分析技术对颈动脉斑块组织和

斑块旁组织进行分析，共获得97个DEGs，其中上调基因46

个，下调基因51个。DEGs可能与颈动脉斑块的发生和发展

相关

[5-6]

。KEGG基因富集分析发现颈动脉粥样硬化的发生、

发展可能与cAMP信号通路、色氨酸代谢、PPAR信号通路等有

关

[7]

。PPI网络分析筛选出CD163、MMP9、CXCL10、CCR1为枢

纽基因，可能在动脉粥样斑块进展中发挥重要的作用

[8-9]

。

CD163为清道夫受体半胱氨酸富集结构域家族成员，其通

常在单核巨噬细胞膜上表达，通过调控炎症因子的表达而发

挥抗炎、抗氧化作用，与清道夫的功能相关

[10-11]

。而清道夫是

与颈动脉斑块的危险因素。MMP9属于基质金属蛋白酶家族，

是一种基质溶解素。大量研究表明，血清MMP-9与颈动脉粥样

硬化性斑块形成及其稳定性密切相关

[12-13]

。动脉粥样硬化初

期，激活的血管内皮细胞表达CXCL10粘附分子，发挥粘性趋化

炎性细胞的渗入，随着血小板的转移，炎性细胞随之渗入血管

壁和血管平滑肌细胞，所以在动脉粥样硬化中至关重要

[14-15]

。

迄今为止，动脉粥样硬化的潜在机制未完全清楚，但其重要环

节中均发现炎性细胞的局部浸润及CXCL10的表达量增

加

[16-17]

。CCR1即趋化因子C-C基元受体1，该基因编码β趋化

因子受体家族的成员，此受体有7个跨膜区，而其与正常T淋

巴细胞的分泌、单核细胞趋化蛋白3（MCP3）以及骨髓祖细胞抑

制因子-1（MPIF）均有关，影响巨噬细胞的功能

[18]

。

综上所述，本研究通过生物信息学方法分析颈动脉粥样

硬化斑块的相关通路变化，为颈动脉斑块发生机制研究奠定

基础，本研究筛选的枢纽基因，可能成为颈动脉粥样硬化斑

块的潜在治疗靶点。

参考文献

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