利用生物信息学方法筛选胶质瘤的差异表达基因及其相关机制

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1、利用生物信息学方法筛选胶质瘤的差异表达基因及其相关机制Bioinformaticscreeningofdifferentiallyexpressedgenesandrelatedmechanismsingliomas作者姓名：胡国章专业名称：外科学研究方向：大脑胶质瘤基础研究指导教师：孙志刚教授学位类别：临床医学博士培养单位：吉林大学中日联谊医院论文答辩日期：2015年05月29日授予学位日期：年月日论文评阅人：答辩委员会组成姓名职称工作单位姓名职称工作单位蔡望青教授中山大学主席：刘娅教授吉林大学研究生院尹剑教授大连医科大学委员：赵国庆教授吉林大学中日联谊医院李小萌教授东北师

2、范大学杨海山教授吉林大学中日联谊医院张凯教授首都医科大学柳林教授吉林大学中日联谊医院刘恩重教授哈尔滨医大一院孙志刚教授内蒙古民族大学李松柏教授中国医科大学附属一院潘诗农教授中国医科大学中文摘要利用生物信息学方法筛选胶质瘤的差异表达基因及其相关机制神经胶质瘤是一种发病率较高的肿瘤之一，可分为多种亚型。各种亚型胶质瘤的基因表达情况及基因突变情况不尽相同，因此，研究阐明各种亚型胶质瘤及不同级别胶质瘤的发病机制具有重要的意义。本文采用多种生物信息学分析方法对三种不同肿瘤级别的胶质瘤进行综合分析，包括不同级别肿瘤的差异表达基因分析、蛋白质相互作用网络分析及差异表达基因参与的通路富集分析

3、等。以期进一步阐明胶质瘤不同级别的发生机制。系列号为GSE4290及GSE15824的基因芯片表达谱数据均下载于GEO数据库，相应数据平台均为GPL570。前者包括23个来自癫痫病患者的样本，157个为胶质瘤各种样本。其中，胶质瘤样本中包含26个星形细胞瘤样本，50个少突胶质细胞瘤样本及81个胶质母细胞瘤样本。81个胶质母细胞瘤样本都属于胶质瘤IV级，26个星形细胞瘤中有7个II级样本和19个III级样本；50个少突胶质细胞瘤样本中包括38个II级样本和12个III级样本。后者共包括45个样本，其中30个脑肿瘤组织样本包括15个胶质母细胞瘤脑组织样本，8个星形细胞瘤组织样本，

4、以及7个少突神经胶质瘤组织样本。此外还包含有10个来自胶质母细胞瘤细胞株样本和5个正常脑组织样本。首先采用稳健多芯片平均标准化（RMA）分析方法对数据进行标准化预处理，数据预处理取得较好的结果，可以进行进一步的研究。然后采用芯片显著性（SAM）分析（GSE4290）或limma包（GSE15824）分析筛选差异表达基因。随后，在分析筛选差异表达基因时，GSE4290分为23个非肿瘤对照组样本，及II级、III级和IV级样本共三组的测试组；GSE15824分析时被分为星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤及胶质母细胞瘤组和正常组。结果发现，三种亚型胶质瘤的基因差异表达倍数类似。前10个显著

5、上调表达基因几乎相同，显著下调差异表达基因也有一些共同基因。对不同级别的胶质瘤分析发现，肿瘤级别越高，差异表达基因数目越多，且差异表达倍数也越高。I通过对三种不同亚型胶质瘤的差异表达基因富集分析发现很多共同的GO条目如responsetowounding等。另外，通过对三种亚型胶质瘤的共表达基因及共调控基因分析发现一些可能与不同亚型胶质瘤均具有重要联系的基因如SRF等。三种不同亚型胶质瘤间存在的相同差异表达基因参与很多共同的分子机制，因此可以系统地将不同亚型的胶质瘤按照肿瘤级别进行综合分析。通过对三种不同级别的胶质瘤分析发现，显著的共同上调差异表达基因为：EGFR及SOX11

6、等；下调差异表达基因为：GABRA5及SST等。说明三种级别肿瘤具有共同的差异显著的基因，并可能同时包含这些基因参与的肿瘤相关作用机制。根据差异表达基因在肿瘤各级别中的差异化表达程度不同，采用短时间序列表达挖掘器（STEM）对它们进行分类。结果共得到9个重要的基因cluster，其中cluster1、6、7、8和9的基因差异化表达出现较早（grade=II）；随后是cluster3和4，grade=III；cluster2和5中的基因差异化表达出现最迟，grade=IV。这些结果说明cluster1、6、7、8和9的基因可能参与肿瘤的整个发生过程；cluster3和4的基因可

7、能参与II级、III级及IV级肿瘤的发展过程；cluster2和5中的基因可能参与III级及IV级胶质瘤的向发生发展进程。使用STRING和KEGG结合EnrichNet综合富集分析差异表达基因相关的PPI和通路。结果发现一些度较高的节点，如p53（degree=129)、CD44（degree=105）及EGFR（degree=100）等等。随后的KEGG通路分析得到6个显著富集的通路（q-value<0.05），富集显著的前两个通路分别为：上调的ECM受体相互作用通路（ECM-receptorint