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主要成果

方法应用研究

整合生物学实验室建立的多基因变化协同效应分析方法GSLA在细胞系转录组、组织器官转录组、表观遗传特征等一系列分析应用中展现了其广泛适用的解析多基因协同改变导致生理功能变化的能力。使用其它的常用组学数据分析方法(例如GO富集分析、GSEA、Cluster Enrichment、商业软件IPA等)均无法得到其中的关键结论。


案例一:作为 GSLA方法提出时的一个验证案例,我们用GSLA重新分析了他人已发表的洛伐他汀处理四个多发性骨髓瘤细胞系所产生的表达谱数据。其中两个细胞系敏感,他汀处理后凋亡;另外两个细胞系不敏感。所有的表达谱变化均在凋亡发生前测得。由于表达谱测定时凋亡尚未发生,测定时表达谱的变化并不对应于现有概念体系中的“凋亡”概念,因此传统的富集分析方法不能发现凋亡相关途径功能改变,也不能预期凋亡即将发生(这也是这批数据的原作者的结论 (Blood, 115:4787) )。而GSLA能够准确区分敏感和不敏感的细胞系,准确判断敏感细胞系当前的表达谱变化将造成远期的凋亡途径功能改变 (Bioinformatics, 29:2024)。


案例二:暴发性肝衰竭是死亡率极高的疾病,目前仅有肝移植是有效的治疗手段。有文献报道人骨髓间充质干细胞可以在D-Gal诱发的猪暴发性肝衰竭模型中产生很好的疗效,但干细胞需要在D-Gal注射造模的同时移植。对于临床应用而言,这一干预方式是预防手段而非治疗手段。整合生物学实验室与国家传染病诊治重点实验室合作,用GSLA分析了这一干预过程中肝组织的表达谱变化,发现与肝恢复进程相关的基因转录变化协同调控了一个生物途径,因此该途径可能是干细胞促进肝脏复原的主要治疗途径之一。在大鼠和猪两个动物模型的验证中,我们发现该生物途径的一个特异性调控因子,在D-Gal注射8小时后(大鼠模型)或注射12小时后(猪模型)给药,均可以显著提升实验动物的存活率。这一发现具有作为新治疗方法和新治疗靶标的意义 (Gut, 66:955)。


案例三:流行病学调查显示低出生体重的新生儿具有二型糖尿病,心血管疾病等多种成年慢性疾病风险。学界猜测这些长期疾病的致病机制可能与表观遗传相关,但多年来多项大型研究均只能发现几个差异甲基化基因可能与某些疾病风险相关,而无法解释低出生体重相关的多种疾病风险的协同改变,也无法提供可能具有诊断或者治疗意义的线索。整合生物学实验室与生殖遗传教育部重点实验室合作,利用同卵双胎模型获得了出生体重相关的差异甲基化基因。GSLA分析显示它们协同调控IFNG介导的免疫响应。文献证据表明,过量的IFNG可以导致几乎全部与低出生体重相关的疾病风险的协同改变。特别是,已知小鼠低出生体重导致胰岛发育不良 (British medical bulletin, 60:123),这是一型糖尿病风险,但人类流调显示低出生体重人群的糖尿病风险是二型升,一型降 (NEJM, 356:2053; BMJ, 322:889)。这一矛盾观察长期以来无法解释。而我们发现的机制,恰好可以解释这一现象:在小鼠中有实验证明IFNG有保护一型糖尿病不发生的作用 (Diabetes, 47:32; Adv Exp Med Biol, 321:85)。我们采集了54个低出生体重新生儿和83个正常出生体重新生儿的脐血进行免疫刺激响应的评估,发现在免疫相关的八个细胞因子中,只有IFNG在转录水平和血清细胞因子水平上同时表现出低体重新生儿样本对免疫刺激的显著过敏(图1)。论文已完成,正在投稿中。




图1. 免疫相关的8个细胞因子在新生儿脐血中对刺激物的响应。其中mRNA水平由定量PCR测定。细胞因子水平由只有IFNG在mRNA水平和血清细胞因子水平上同时表现出低体重新生儿样本对免疫刺激的显著过敏。


案例四:作为验证GSLA策略是否可以用于匹配对同一药物具有相同响应的患者,整合生物学实验室完成了一项概念验证分析。四个多发性骨髓瘤细胞系对洛伐他汀具有不同的敏感性 (Blood, 115:4787)。这四个细胞系同为多发性骨髓瘤细胞系,可以理解为同一癌种的不同个体病例。其中H929、KMS11在洛伐他汀处理后凋亡,LP1、SKMM1处理后不凋亡。假定H929是旧病例,已知洛伐他汀有效。KMS11、LP1、SKMM1是新病例,需要通过与H929的匹配(比较用药前转录组差异)来判断洛伐他汀是否对它们有效。结果显示,无论基于文献知识还是实际观察来定义洛伐他汀诱发H929凋亡的机制,均能够得出结论(表一),KMS11(敏感)细胞系与H929的差异不影响药物作用机制,而LP1、SKMM1(不敏感)细胞系与H929的差异可能影响药物作用机制,所得的匹配度量具有明显差异(最佳区分阈值需要通过大样本拟合确定)。


表一:匹配方法概念验证实验结果:判断个体差异是否影响已知的药理途径

药物机理相关生物途径

细胞系差异信号分子集

匹配度量

脂代谢途径
(来源于文献/知识)


H929(敏感)对照 KMS11(敏感)
细胞系给药前转录差异基因

0.047

H929(敏感)对照LP1(不敏感)
细胞系给药前转录差异基因

0.000

H929(敏感)对照SKMM1(不敏感)
细胞系给药前转录差异基因

0.000

H929细胞系给药前后差异
(来源于实际观察)

H929(敏感)对照 KMS11(敏感)
细胞系给药前转录差异基因

0.984

H929(敏感)对照LP1(不敏感)
细胞系给药前转录差异基因

0.235

H929(敏感)对照SKMM1(不敏感)
细胞系给药前转录差异基因

0.152


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