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外周血单个核细胞(Peripheral blood mononuclear cell,PBMC)是外周血中具有单个核的细胞,包括淋巴细胞和单核细胞。常作为免疫疾病(类风湿关节炎、系统性红斑狼疮)、传染病和癌症研究领域中的重要靶细胞。研究PBMC中的组学间相互调控网络和关联模式一方面可以为解释基因异常表达而导致的PBMC相关疾病的发生提供依据,另一方面可以为癌症、免疫系统疾病等PBMC相关疾病的生物标志物或药物靶点提供研究线索。然而目前PBMC中的组学研究更多的是针对基因组或miRNA与mRNA两组学的关联。因此我们设计了这项PBMC中组学水平miRNA、mRNA和蛋白质相互关联网络的研究,该研究主要可以分成三节:第一节,对mRNA表达水平和与其对应的蛋白质表达水平进行了总体层面、个体层面、基因层面以及生物功能类别层面的皮尔逊相关分析,以全面地阐述mRNA表达对蛋白质表达的预测能力;第二节,建立miRNA与蛋白质之间的整体相关模式和关联网络;第三节,通过整合分析建立miRNA-mRNA-蛋白质关联网络。并进行因果推理检验,找出miRNA-mRNA-蛋白质因果链,以阐释miRNA介导的蛋白质表达调控模式。研究目的:本研究的目的是探究PBMC中miRNA、mRNA和蛋白质三者之间组学水平上的相互关联,构建PBMC中的miRNA-mRNA-蛋白质相互关联网络,并确定在网络中起关键调控作用的miRNA。研究方法:提取28位中国女性受试者的PBMC,通过非标定量蛋白质组学方法定量蛋白质表达水平。使用Affymetrix mRNA 4.0微阵列技术进行mRNA表达谱分析。使用Affymetrix miRNA 4.0 Array 进行 miRNA 表达谱分析。筛选出在所有样本中mRNA和蛋白质同时有表达的基因(669个基因),并对筛选出的基因进行了基因本体论(gene ontology,GO)富集分析。接下来,我们对这669个基因对应的mRNA表达水平和蛋白质表达水平进行总体层面、个体层面、基因层面以及生物功能类别层面的皮尔逊相关分析以探究mRNA表达水平对蛋白质表达的预测能力。我们在数据库中筛选出miRNA的靶基因,结合组学表达数据,运用表达数量性状基因座(Expression quantitative trait locus,eQTL)方法进一步验证 miRNA 与靶蛋白的相关性,并对筛选出的基因进行了 GO富集分析。最后,我们对这些miRNA-蛋白质对进行4个不同层面的皮尔逊相关分析以描述miRNA与蛋白质之间的整体相关模式。最后通过整合分析建立miRNA-mRNA-protein相互关联网络,并进行因果推断检验(causal inference tests,CIT),找出 miRNA-mRNA-protein 因果链,以阐释 miRNA介导的蛋白质表达调控模式。研究结果:对于所有研究的基因,总体上我们观察到mRNA和蛋白质表达水平之间较强的相关性(r=0.26,p<0.0001)。在28个单独样本的基因组规模上,所有研究基因的相关性均显著且呈正相关。相关强度在不同的GO生物类别之间有所不同。例如,富集在囊泡膜(GO:0012506)类别中的基因所对应mRNA和蛋白质的r2值为0.766。而富集在细胞器组织的正调控(GO:0010638)类别中的基因所对应mRNA和蛋白质的r2值只有0.008。但是,对于单个基因mRNA和蛋白质表达水平的相关分析中,只有33对mRNA-蛋白质具有显著的正相关。在miRNA与蛋白质相关模式的研究中,皮尔逊相关分析显示,每个研究对象内部miRNA和蛋白质表达水平均为负相关,但相关强度相对较小。在371个构建的miRNA-蛋白质对(对应60种miRNA和150种蛋白质)中,有32对(占8.6%)的miRNA-蛋白质显著相关(Padj<0.05)。一些关键的 miRNA(例如 hsa-miR-590-3p,hsa-miR-34c-5p)对多个基因发挥了重要的调控作用。同时,某些基因(例如HSP90B1)被多个miRNA调控。与miRNA相关的基因富集在了一些重要的GO功能类别中:如基因表达,蛋白质结合、RNA结合等生物学过程,蛋白质结合、RNA结合等分子功能。最后,我们发现分别有44种蛋白质、17种miRNA和25种mRNA满足miRNA-mRNA-蛋白质相互作用,构成了 66条miRNA-mRNA-蛋白质链。其中3条miRNA-mRNA-蛋白质链通过了因果推断检验的鉴定,揭示了 2个关键miRNA的显著中介调控作用。对于miRNAhsa-miR-4448,它在2条确证了因果关系的miRNA-mRNA-蛋白质链中都有出现,提示我们它可能在PBMC中起到重要的表达调控作用。研究结论:首先,我们的研究揭示了 PBMC中mRNA和蛋白质表达水平之间整体的正相关。但是,相关强度并不强并且在不同的生物学功能类别中差异很大。这表明使用mRNA的表达水平预测蛋白质的表达水平是有局限性的。其次,我们描述了 PBMC中miRNA-蛋白质表达相关性的全面视图,这将有助于深入研究关键miRNA/蛋白质的生物学功能,提高对人类PBMC相关疾病分子发病机理的认识。最后,通过多组学整合网络分析和因果推断检验在PBMC中构建miRNA-mRNA-蛋白质相互关联网络,同时发现了 3条确证存在因果关系的调控链。研究结果一方面为解释PBMC相关疾病的分子病因提供了证据,另一方面也为癌症、免疫系统疾病等PBMC相关疾病的生物标志物或药物靶点鉴定提供了线索。