肥厚型心肌病中核编码线粒体基因的系统生物信息学分析大家好，今年给大家分享的是今年5月12日发表在Frontiers in Genetics[IF=3.258]期刊上面的一篇文章，它主要介绍了肥厚型心肌病是一种常染色体显性遗传病，线粒体在HCM的发病过程中起关键作用。作者分析了核编码的线粒体基因(NMGene)在HCM中的整体表达模式，并为HCM的分子机制提供了创新性的见解。数据来源从GEO数据库下载了归一化处理后的基因表达数据集GSE36961，其中包括107个HCM样本和40个对照样本。NMGene是来自MitoCarta、MitoMiner、IMPI和UniProt数据库。主要方法差异表达分析：为了识别HCM和正常健康心脏之间的差异表达基因，研究者使用了R包“Limma”，并选择BH校正后p值<0.01且FC>1.2的基因作为显著的差异表达基因；功能富集分析：使用在线功能注释工具DAVID对差异表达的NMGene(DE-NMGene)进行GO BP和KEGG通路富集分析，以了解基因的生物学意义；PPI网络构建：使用STRING数据库构建了DE-NMGene的PPI网络，保留了互作评分>0.7的DE-NMGene之间的PPI；网络模块分析：网络模块被定义为参与相同生物功能的一组基因，使用Cytoscape中的插件MCODE从构建的PPI网络中挖掘出网络模块。参数设置为：度阈值为2，节点得分阈值为0.2，k得分为2，最大深度为100。筛选得分>3且节点数>5的模块以进行下一步分析；调控DE-NMGene的转录因子预测：为了预测调控DE-NMGene的转录因子(TF)，研究者使用了Cytoscape中的插件iRegulon。iRegulon插件使用一组共调控基因中的motif和track发现来识别调节子。归一化富集评分(NES)越高，TF越可靠。结果核编码的线粒体基因在HCM中显著变化在差异表达分析中，共获得了2927个差异表达基因(DEG)，其中1499个上调，其余1428个下调(A)。为了探索NMGene在HCM中的表达模式，从MitoCarta、MitoMiner、IMPI和UniProt数据库中收集了1943个线粒体基因(B)。去除13个线粒体DNA编码的基因后，保留了1930个NMGene用于进一步分析。在这些基因中，芯片检测到1562个基因，其中包括316个差异表达基因。与芯片上检测到的全部基因相比，NMGene中DEG的比例明显更高(C)。NMGene在HCM中的普遍表达变化表明线粒体在HCM的进程中起关键作用。表1列出了HCM中前10个上调和下调的NMGene。在这些基因中，4个上调基因(即PDK4、STAT3、HCLS1和FKBP11)和4个下调基因(即GATM、ATPIF1、CPT1B和GJA1)已经被证明在病理性肥大中起重要作用。

HCM中NMGene的表达模式 表1 前10个上调和下调的DE-NMGene

下调的DE-NMGene比上调的DE-NMGene在功能上更加多样化使用DAVID工具对316个DE-NMGene进行了GO BP和KEGG通路富集分析。尽管上调和下调的DE-NMGene数目相似，但下调的DE-NMGene在功能上比上调的DE-NMGene更具多样性。通过设定BH校正后的p值<0.05，研究者获得了141个上调DE-NMGene的4个GO term和4个KEGG通路，以及175个下调DE-NMGene的16个GO term和17个KEGG通路(A，B)。在下调的DE-NMGene中，前3个富集GO term是“氧化还原过程”、“支链氨基酸分解代谢过程”和“脂肪酸β-氧化”。GO term“氧化还原过程”和“翻译”均富集在141个上调和175个下调的DE-NMGene中。KEGG通路富集分析显示，下调的DE-NMGene在“碳代谢”、“丙酮酸代谢”、“脂肪酸代谢”和“柠檬酸循环”等能量代谢相关通路中显著富集。对于上调的DE-NMGene，KEGG通路为“抗生素的生物合成”和“氨基酸的生物合成”。 141个上调DE-NMGene和175个下调DE-NMGene的GO和KEGG富集结果215个DE-NMGene构成的生物网络研究者对316个DE-NMGene进行了综合分析来构建PPI网络，通过使用STRING数据库获得了包含440个互作对和215个节点的PPI网络，为了获得高置信度的结果，互作得分应大于0.7。因此，316个DE-NMGene中有215个被纳入最终的PPI网络(A)。316个DE-NMGene的互作明显多于从基因组中随机抽取一组相同大小的蛋白质的互作。在PPI网络中，高度连接的节点被称为关键节点，可能在理解疾病的生物学机制方面发挥重要作用。研究者计算了每个节点的度，并选择度排名在前5%的基因作为关键基因。在PPI网络的215个节点中，有13个节点排在前5%并被作为关键基因(表2)。DLD是度最大的关键基因，与PPI网络中的19个蛋白相互作用。表2 PPI网络中的hub基因

Cytoscape中的MCODE插件用于检测来自PPI网络的网络模块。模块是一组密切相关的蛋白质，它们通过PPI网络协同作用，执行特定的生物功能。从PPI网络中共挖掘了12个模块，其中5个模块(模块1- 5)节点≥5个(B)。模块1、模块2、模块4和模块5的相关生物学过程分别为“线粒体呼吸链复合体I组装”、“线粒体翻译”、“天冬酰胺介导的蛋白质N-连接糖基化”和“含叶酸化合物生物合成过程”，模块3中无GO term显著富集。 316个DE-NMGene的网络分析潜在调控DE-NMGene的TF在HCM中发挥关键作用iRegulon作为Cytoscape的插件，用于预测可能调控316个 DE-NMGene的TF。最终，总共获得了17个TF(NES> 3，FDR <0.001)(表3)。靶点最多的TF是PBX3，它调控了145个DE-NMGene。17个TF其中的8个，即BACH1，ATF3，XBP1，KLF4，MEF2C，JUND，MYC和YY1，已被证明在病理性肥大中起重要作用。表3 TF潜在调控316个DE-NMGene的表达

差异表达的NMGene在体内的验证为了在体内验证已识别的基因，从对照组和主动脉缩窄(TAC)小鼠中提取样本，以确定还未被证明在心肌肥厚中起重要作用的前5个基因的mRNA水平是否与生物信息学分析一致。在TAC组中，MYH7、ANP和BNP表达水平升高(A-C)，表明在小鼠TAC模型中压力负荷过度诱发了心肌肥厚。值得一提的是，与假手术组相比，小鼠TAC模型中DDIT4、TKT、CLIC1、DDOST和SNCA的表达均升高(D-H)。 差异表达的NMGene在TAC小鼠中的验证参考文献：Systemic Bioinformatic Analyses of Nuclear-Encoded Mitochondrial Genes in Hypertrophic Cardiomyopathy有生信相关问题联系：18501230653欢迎关注转录组| 甲基化 | 重测序 | 单细胞 | m6A|多组学  cytoscape | limma | WGCNA |水熊虫传奇|linux电泳 | PCR | 测序简史 | 核型 | NIPT | 基础实验 基因| 2019-nCoV | 富集分析 | 联合分析 |微环境 瘟疫追凶| 思路汇总| 学者 | 科研 | 撤稿| 读博|工作