基于生物信息学分析阿米巴痢疾基因表达谱的潜在生物靶标

刘鉴，张文飞

（贵州医科大学 寄生虫学教研室，贵州贵阳 550001）

阿米巴痢疾是一种常见的寄生虫肠道感染疾病，它是由内阿米巴组的任何变形虫引起的[1]。2015—2019年，中国共报告阿米巴痢疾4 366例，在部分边远落后地区病例数较多[2]，所以预防仍然具有挑战性。本文通过生物信息学的方法预测了阿米巴痢疾的生物标志物，获得核心基因5个，对揭示阿米巴痢疾发病机制及预防非常重要，也为临床诊疗提供新依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

从美国国家生物信息中心（National Center for Biotechnology Information ，NCBI）的基因表达综合数据库（Gene Expression Omnibus，GEO）中下载数据集GSE23750，该数据采用Affymetrix Human Gene 1.0 ST Array基因表达芯片平台的GPL6422检测获得。数据集中结肠活检样本来自8名急性患者在溶组织内阿米巴感染后第1天和第60天进行肠道活检而获得。

1.2 差异基因的筛选

差异基因筛选数据标准化后，通过R软件的limma包（Version 4.0.2）进行差异基因的分析，以P＜0.05和|log2 fold change|＞1为截断标准的基因为差异基因（Differentially Expressed Genes，DEPs）；使用Hiplot （https://hiplot.com.cn/online）在线分析工具绘制DEPs火山图。

1.3 差异蛋白的功能富集分析

利用Hiplot对DGEs进行富集分析并再次进行可视化分析，以P＜0.05为具有统计学意义。

1.4 核心基因的筛选

将DGEs的基因符号输入STRING（https://stringdb.org/，Version 11.0），选择最小要求的交互得分且中等置信度大于0.4的为显著性，并利用Cytoscape中的插件分子复合物检测（CytoNCA）挖掘出枢纽基因。

2 结果与分析

2.1 差异基因的筛选

通过R软件的limma包进行差异基因的分析后，最终得到207个差异基因，其中上调的差异基因有125个、下调的差异基因有82个。筛选出的差异基因用于后续的功能富集及网络分析。

2.2 GO功能和KEGG富集分析

为了了解差异基因的功能富集，以P值排名前5的上调DEPs富集分析结果（如图1），发现neutrophil degranulation、neutrophil activation involved inimmune response、humoral immune response、IL-17 signaling pathway等基因显著富集。

图1 基因富集分析结果

2.3 PPI网络分析

获得5个核心基因，共18个节点，29条边。核心基因分别为 PTGS2、MMP1、MMP3、MMP10和SERPINE1（图2）。

图2 网络模块、分析和中心基因选择

3 结论与讨论

阿米巴痢疾是由阿米巴原虫所导致的一种常见寄生虫肠道感染，是发展中国家儿童严重腹泻的十大原因之一[3-4]。严重的并发症包括炎症和穿孔，导致腹膜炎，甚至导致阿米巴肝脓肿。

本研究利用溶组织内阿米巴感染后的基因表达谱进行生物信息学的分析，筛选出差异基因207个，其功能主要富集于免疫反应的中性粒细胞活化，体液免疫应答，对细菌来源分子的反应等。获得5个核心基因（PTGS2、MMP1、MMP3、MMP10和SERPINE1），提示在阿米巴痢疾的病人中其疾病的发生发展受到以上基因组的调控。

MMP1、MMP3和MMP10参与正常生理过程以及疾病过程中细胞外基质的分解，与伤口修复、动脉粥样硬化进展和肿瘤发生有关，可作为多种疾病的潜在生物标志物[5-6]。本研究中，作为差异基因参与胶原蛋白的分解，说明阿米巴痢疾的发生发展被该家族成员所调控，参与了阿米巴感染后结肠的炎症反应。

PTGS2是前列腺素内过氧化物合酶的同工酶，参与炎症反应。在多种疾病中均发挥重要作用。在结直肠癌（CRC）患者中，PTGS2表达与CRC患者的生存期较差有关，抑制PTGS2活性可发挥其抗炎和抗肿瘤作用[7]。通常，宿主会对肠阿米巴做出免疫反应以清除病原体[4]，巨噬细胞在宿主对抗肠阿米巴病的反应中也起着至关重要的作用。用IFN-γ或TNF-α刺激巨噬细胞后具有杀灭阿米巴的作用[8]，虽然TNF-α会刺激中性粒细胞和巨噬细胞释放ROS和NO来对抗寄生虫，但过量的TNF-α会导致对宿主组织的直接损伤[9]。

综上所述，使用生物信息学方法筛选了阿米巴痢疾发病过程中的差异基因，并筛选出核心基因作为潜在的生物标记物，分析了其生物学功能，为阿米巴痢疾的发病机制及预防提供了新的参考。