基于KEGG通路和基因网络对慢性萎缩性胃炎靶点基因的筛选

王佳慧 郑洋 王嘉孺 李卫民

[摘要] 目的 运用DAVID数据库得到通路和基因的相关信息，分析出重要基因的功能和分布，筛选出与慢性萎缩性胃炎（CAG）相关的靶点基因，促进对CAG发病机制的研究以及新药的开发。 方法 2018年6月以“chronic atrophic gastritis”为关键词在NCBI数据库中检索CAG的相关基因，将得到的基因数据导入DAVID数据库，得到基因富集的通路数据。15个非冗余基因富集在20条KEGG通路上进行了分析，将15个基因输入String数据库做相互作用的网络图，将富集在通路上的关键基因也做网络图，并且将这两个网络图进行比较。 结果 在两张网络图中，FASLG、FAS、ICAM1、IL1B、AKT1、STAT3、TGFβ1、IL4R、IL11、IL23A是位于关系度排名靠前的基因。 结论 STAT3、ICAM1、IL1B、TGFβ1和AKT1五个基因与CAG相关，需要进一步深入研究，通过分析与疾病相关基因的所在通路和基因之间互作的网络图，有利于了解疾病的发病机制，并为新药研发提供可靠的靶点。

[关键词] 慢性萎缩性胃炎;基因互作网络;KEGG通路;富集分析

[中图分类号] R573.32          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）01（b）-0159-06

[Abstract] Objective By means of DAVID database， the information related to pathway and gene was obtained， the function and distribution of important gene was analyzed， the target gene related to chronic atrophic gastritis （CAG） was screened， so as to promote the research on CAG pathogenesis and the development of new drug. Methods By taking “chronic atrophic gastritis” as key words， the gene related to CAG was retrieved in NCBI database in June 2018 and the obtained gene data was imported into DAVID database， then the pathway of gene enrichment was figured out. Next， 15 pieces of non-redundant gene enrichment were analyzed on 20 KEGG pathways. Besides， 15 genes were input into String database to draw interaction network diagram， another network diagram for the key genes of enrichment on pathway was also made， the two network diagrams were compared. Results In the two network diagrams， the top-ranked genes in terms of relational hierarchy turned out to be FASLG， FAS， ICAM1， IL1B， AKT1， STAT3， TGFβ1， IL4R， IL11 and IL23A， etc. Conclusion The five genes of STAT3， ICAM1， IL1B， TGFβ1 and AKT1 have something to do with CAG and an in-depth research should be conducted. Moreover， the diagram which shows the interaction between the pathway and the genes related to CAG should be analyzed， which can do good to the understanding on the pathogenesis of CAG and can provide reliable target for the development of new drug.

[Key words] Chronic atrophic gastritis; Gene interaction network; KEGG pathway; Enrichment analysis

慢性萎縮性胃炎（chronic atrophic gastritis，CAG）是发生在中老年人群中的常见消化系统疾病，是胃癌早期病变的必经过程[1]。中国CAG患者发病率居亚洲首位。该病发病缓慢，治疗周期长，西医治疗不能根除病因易反复，严重影响我国居民的生活质量，如何防治CAG是目前社会关注的热点问题[2-3]。CAG和胃癌密切相关，临床上把CAG称为胃癌前病变，是我国慢性消化道疾病需要突破的重要难点[4-5]。CAG的发病机制尚未明确，目前尚无特效治疗药物。本研究结合KEGG通路和基因互作网络进行整体分析，寻找CAG的药物靶点。

1 研究方法

1.1 检索CAG相关基因

以“chronic atrophic gastritis”为关键词检索NCBI数据库，选择物种为Homo sapiens，得到36个与CAG相关的基因。

1.2 运用DAVID数据库对CAG通路进行分析

KEGG数据库可以分析基因功能、基因组信息，将基因及表达信息作为一个整体网络进行研究。DAVID是一个在线的基因和通路功能注释的数据库[6]。本研究用的DAVID v6.8数据库（https：//david.ncifcrf.gov/）。该数据库可以查找基因富集通路的数据，如果要研究与疾病发生关系密切的通路，可以根据P值（P < 0.01）筛选出重要的通路进行重点分析，这样有利于对疾病发病机制的了解，也可以为新药的研究提供可靠的靶点。

1.3 DAVID数据库的操作

将得到的36个基因输入DAVID数据库进行分析，具体步骤如下：①进入DAVID数据库的首页，点击Start Analysis;②在Paste a list里面输入要分析的36个基因;③选择基因ID的类型为“ENTREZ_GENE_ID”;④选择“Gene List”;⑤提交“submit list”;⑥在list中选择物种为“Homo sapiens”;⑦在Background中选择“Homo sapiens”为基因背景。

1.4 显著富集在通路上的基因互做网络分析与文本挖掘

根据DAVID数据库分析的结果，将富集在通路上的基因以及在通路上出现频次达到5次以上的基因输入STRING数据库，做出这些基因之间的网络关系。网络图中的度反映了节点的重要性，度大的节点是与疾病有密切联系的重要节点基因。将富集在通路上的总基因网络和出现频次达到5次以上的基因网络图进行对比匹配，找出共有的基因交集，而这些共有的基因交集可能就是疾病发生和药物治疗重要的靶点基因。用COREMINE[7-8]進行文本的挖掘。

2 结果及分析

2.1 DAVID通路分析

在DAVID数据库中，将36个相关基因输入，对其KEGG的路径进行分析，154个基因富集在37条通路上，根据P < 0.01筛选出20条通路，见表1。共有15个非冗余基因被注释到这些通路上。在20条通路上出现5次及以上的共有7个基因，即AKT1、FAS、FASLG、IL1B、TGFβ1、STAT3、ICAM1。富集在20条通路频次在10次以上的基因有AKT1、FAS、FASLG、IL1B、TGFβ1。

2.1.1 细胞因子-受体相互作用通路（cytokine-cytokine receptor interaction）  细胞因子-受体相互作用通路包含了15个基因中的7个，包括FAS、FASLG、IL1B、IL11、IL23A、IL4R、TGFβ1。TGF-β是参与胃癌浸润、转移的重要刺激因子，其功能表现为抑制免疫系统杀伤肿瘤细胞，并在CAG、肠化生、胃癌中表达上调[9]。TGF-β与Ⅱ型受体结合，同时磷酸化Ⅰ型受体，激活R-SMAD，并与coSMAD、Smad4结合。同时有研究表明Smad4的表达异常与胃癌病理学特征相关，可作为临床诊断胃癌的生物学标志物[10]。

2.1.2 TNF信号通路（TNF signaling pathway）  CAG为胃癌最主要的癌前病变，其演变规律为正常胃黏膜-炎症-萎缩-肠上皮化生-不典型增生-胃癌[11]，由此可大胆推测，在CAG向胃癌演变发展过程中之中的炎症刺激因子和癌症启动因子有可能是相互重合甚至是相同的。TNF家族是炎症发生和肿瘤启动的重要因子，同时也是CAG治疗药物的重要靶点群，其在CAG Hp感染、胃癌、消化道溃疡等疾病过程中持续高表达[12]。TNF-α与受体相结合后，激活下游NF-κB、JNK和Caspase蛋白酶等，促进了一系列的炎性细胞因子，如IL-1、IL-6、IFN-γ等的分泌[13-14]，介导炎性反应，同时IL-1和IL-6在传递信息激活与调节免疫细胞，介导T、B细胞活化增殖与分化及在炎性反应中起重要作用[15]。

2.1.3 Jak-STAT信号通路（Jak-STAT signaling pathway）  Jak-STAT信号通路在消化系统炎症及肿瘤中的作用是目前的研究热点。当细胞因子与相应的受体结合后，JAK磷酸化而活化，同时催化酪氨酸残基磷酸化，从而使得与受体偶联的STAT分子释放进入细胞核与靶基因的特异序列结合而启动转录[16]。研究指出STAT3在人低分化胃癌细胞株的表达明显高于人中分化胃癌细胞株和人高分化胃癌细胞株，由此得出STAT3的过度表达可能在胃癌的恶性演变中发挥重要作用[17]。蔺焕萍等[18]实验研究表明，中药参佛胃康逆转CAG癌前病变的机制可能与下调STAT3信号转导蛋白的表达有关。韦维等[19]指出安胃汤可能通过调节JAK1/STAT3信号传导通路关键因子JAK1、STAT3、c-myc、SOCS-3的表达，缓解炎症并防治CAG。

2.2 富集的基因以及出现的高频次基因做网络分析

有15个基因非冗余基因富集在20条通路上，有7个基因在20条通路上出现的频次达到5次及以上。这7个基因可能与CAG的发病有十分密切的联系，因为它们参与了多条通路的信号传导。为了研究基因之间的相互作用，将15个基因与高频次的7个基因输入String数据库做出相互作用的网络图，并将2个网络图进行对比，在图中节点的度直接反映了与疾病的关联程度，富集在20条通路上的15个基因，在20条通路上出现频次达到5次及以上的7个基因，在2个图中节点的度排名均靠前的基因可能会是我们寻找的靶点基因。有15个节点、96个相互作用的关系。有7个节点、42个相互作用的关系。用COREMINE进行文本的挖掘，更进一步说明15个富集基因与CAG疾病之间的相互关系。以CAG、各个基因名称为关键词进行检索，发现除了IL23A之外，其他14个基因均与CAG疾病发生直接的联系，这些基因也存在相互作用，例如FAS和FASLG之间相互作用显著。

2.3 对度排名靠前的基因功能进行富集分析

将排名靠前的基因，输入到DAVID数据库，进行GO功能富集分析，这个过程包括分子功能、细胞组分、生物过程三个部分[20]。排名靠前的基因分子功能主要集中在与蛋白质结合、细胞因子活性。生物过程包括RNA聚合酶Ⅱ启动子对转录的正调节作用、信号传导、炎症应答等。细胞组分主要集中在细胞外间隙、细胞质。

3 讨论

CAG是临床常见的一种消化系统疑难疾病，目前已经被公认为胃癌前状态。目前临床尚无特效药可以治愈该病，中医药治疗CAG能有效缓解患者症状，提高其生活质量。CAG病因病机复杂，尚待开发有效的药物靶点及其相应的治疗药物。只有发现合适的药物靶点并对相关药靶基因参与的通路进行抑制才有可能治愈该疾病。

本研究从NCBI数据库收集与CAG相关的基因，利用DAVID数据库对36个CAG相关的KEGG通路进行分析，结果得到154个基因富集在37条通路上，根据P值筛选出20条通路进，共有15个非冗余基因富集在20条通路上。出现频率达到5次以上的共有7个基因，出现频率达到10次以上的有5个基因。将15个非冗余基因和7个高频词基因分别制作PPI网络图。其中含有15个CAG相关基因的子网络具有15个节点、94对互做关系;含有7个CAG相关基因的子网络具有7个节点、42对互做关系。富集在信号通路上的非冗余基因和高频出现的基因，因此在2个网络中都具有较高节点度的基因可能与CAG具有更紧密的关系。总结2张网络图度排名靠前的基因相同的有5个。综上所述，基因STAT3、ICAM1、IL1B、TGFβ1、AKT1可能是CAG的治疗靶点。

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（收稿日期：2018-07-20  本文编辑：张瑜杰）