相信许多人对Mark Kelly 和 Scott Kelly 这对双胞胎宇航员实验还记忆犹新，美国航空航天局（NASA）为了研究外太空对人体的影响，让Scott于2015~2016年期间，在国际太空站上生活340天，而他的双胞胎哥哥Mark则留在地球上作为对照组。研究发现，太空的微重力环境（即失重环境）会导致宇航员发生了一系列生理和病理变化，包括免疫应激、血管变化和骨质丢失（处于失重环境时，作用于人体承重骨的压力骤减）。

今天小编要给诸位分享的文章和NASA的双胞胎实验类似，是从TF-miRNA 前馈环（feed-forward loops, FFLs）的角度研究微重力对人体系统及肿瘤发生过程的影响，发表在International Journal of Molecular Sciences，影响因子为4.556。

研究背景：

理解微重力如何影响人体健康，这对宇航员来说是至关重要的。

TF和miRNA作为转录水平和转录后水平调节基因表达的主要因子，可以通过形成TF-miRNA FFL来协同调控同一靶基因。对于微重力下的TF-miRNA FFL，目前尚未进行系统研究。

微重力和各种癌症的关系仍然不清楚。

研究数据：

从GEO数据库（GSE57408和GSE57400）下载了基因和miRNA表达谱，该数据是由Girardi等人分别在微重力和正常重力环境下检测五名健康供体的外周血淋巴细胞所得；

从TCGA数据库中下载癌症的基因表达数据（level 3）；

从TRANSFAC Professional数据库中获得TF对基因的调控；

从TarBase v8，miRTarbase和TRANSFAC Professional数据库中获得miRNA对基因的调控；

从TransmiR v2.0和TRANSFAC Professional数据库中获得TF对miRNA的调控。

研究方法：

失调FFL的识别：

对TF-miRNA调控网络中的每个节点的差异表达程度进行打分；

Snode= φ − 1(1 − 2 × (1 − φ(Diffnode)))Diffnode= ( − log10pi) × |log2FC| 

对TF-miRNA调控网络中的每条边的差异共表达程度进行打分——根据微重力和正常样本之间的基因共表达差异；

FFL分数等于节点分数与边分数的加权和，并用置换检验来评估每个FFL分数的显著性，p值小于等于0.05的FFL被认为是失调FFL。

研究结果：

TF-miRNA调控网络的特征

该调控网络包含647个TF，888个miRNA和3794个基因。通过分析网络的拓扑属性，发现其与大多数生物网络相似，背景调控网络的度分布显现出幂律分布，满足无标度性。

微重力下的FFL失调情况

在TF-miRNA调控网络中鉴定出4064个FFL和230个失调FFL。FFL包含以下三种类型（如）：

TF-FFL：TF在转录水平调控miRNA和基因，miRNA在转录后水平抑制基因表达；

miRNA-FFL：miRNA抑制TF和基因，TF调控基因；

FB-FFL：TF和miRNA相互调控，并且都调控相同的靶基因。

. 三种FFL类型

通过对失调FFL中的基因和miRNA进行功能富集分析，发现它们主要富集到免疫系统相关通路和癌症相关通路（如D,E）。

将TF-miRNA调控网络中度大于等于10的FFL定义为hub FFL，共获得31个hub FFL；通过连接hub FFL来构建hub FFL子网（如F），其中包括10个TF，8个miRNA和5个基因。

hub FFL子网中的8个（〜53％）基因是已知的CGC癌症基因，其比例明显高于失调FFL网络和背景调控网络（如G）。

. 失调FFL的功能分析

微重力对多体系统的影响

通过DAVID和DIANA-miRPath对失调FFL中的基因和miRNA进行了KEGG功能注释分析；若FFL中的所有节点都参与人体系统（包括免疫系统，心血管系统，骨骼系统，内分泌系统、神经系统）相关的通路，那么就将其定义为”系统功能相关FFL”。

.系统功能相关FFL

通过合并每个系统功能相关FFL，构建了五个子网：

. 五种人体系统子网

作者展示了五个子网中节点的overlap情况（如A,B）；并发现存在三个模块被三个（及以上）的子网所共享（如C），即失调FFL会对人体产生系统性影响，不同身体系统可能会相互协作。

. 五种人体系统的子网分析

微重力对骨质丢失的影响及药物筛选

作者分析了骨骼系统子网中的基因和miRNA表达（如D）。

基因和miRNA失调可能导致骨质丢失，这是宇航员在太空飞行中最常见疾病之一。为减轻微重力对骨质丢失的影响，作者借助SM2miR数据库来筛选能够改变子网中miRNA和基因表达的药物，发现大黄素和人参皂甙Rh2两种中药可以抑制hsa-miR-221-3p和hsa-miR-125b-5p的表达（如E）。

. 筛选骨质丢失相关候选药物

深入理解微重力与癌症之间的关系

通过Wilcoxon秩和检验分析了20种癌型中显著差异表达的基因表达值与微重力下基因表达值的log2FC分布相对变化（如A）；

用DAVID分析了微重力环境下和癌症中共同存在的显著被干扰的通路（如B）。

作者还发现存在六个基因，同时在微重力下和直肠癌中表达下调（如C），并且富集到“肠道免疫网络以产生IgA”通路（如D）。

. 微重力和癌症的关联

文章小结：

在这项研究中，作者系统地分析了微重力对五个人体系统的影响，以及微重力和癌症之间的关联。作者在微重力环境下发现了230个功能失调的FFL，并根据FFL的功能构建人体系统子网，包括免疫，心血管，骨骼，内分泌和神经系统子网。作者还预测了候选药物大黄素和人参皂苷Rh2可以逆转miRNA的失调表达，从而来预防或减少由于微重力引起的骨质丢失。最后作者研究了微重力与癌症之间的关系，发现微重力可能促进大多数癌症。例如，微重力通过减少抗原呈递和抑制分泌IgA抗体的细胞迁移来抑制免疫保护，从而促进了直肠腺癌的形成。