利用规则推导方法预测人类非小细胞肺癌中microRNA介导的基因调控模块

摘要

microRNA是一类非编码小分子RNA,在转录后水平负性调控基因表达。越来越多的研究表明miRNA和多种癌症相关并在肿瘤的发生发展、转移及预后中起到重要的作用。肺癌是发病率和死亡率增长最快、对人类健康与生命危害最大的恶性肿瘤之一。目前在肺癌miRNA方面的研究绝大部分集中在发现新的miRNA及其靶基因。本研究尝试寻找miRNA与其靶基因在肺癌中的调控模块。miRNA调控模块(MRM)是参与到相似生物学过程具有相似的生物学功能的一组miRNA及其靶基因,用来揭示miRNA与其靶基因的关系和相互作用
　　 材料与方法
　　 本研究从EBI(www.ebi.ac.uk)的Arrayexpress中使用检索策略--“lungcancer”and“microRNA”,下载实验E-TABM-22中的miRNA表达数据。该数据集共有245个人类肺癌和肺癌细胞系样本的miRNA表达数据,其中包含104个非小细胞肺癌样本(65个腺癌和39个鳞状细胞癌)表达数据,135个miRNA。本研究所使用的基因表达数据是GSE2514、GSE3141、GSE4573、GSE5123,GSE5843和GSE6253。miRNA与靶基因结合数据从mirna.org(www.mirna.org)中下载。对比miRNA表达数据和miRNA靶基因结合数据确定需要分析的miRNA。将8个基因表达数据表分别与miRNA靶基因结合数据对比,确定共同存在于两种数据集中的基因数量和具体基因。确定需分析的miRNA和基因之后,利用相关分析的方法分别对这些miRNA和基因的表达情况进行两两相关分析,建立1个miRNA表达相关矩阵和8个基因表达数据相关矩阵。
　　 我们利用CN2-SD方法分析miRNA、靶基因表达相关矩阵及miRNA-靶基因结合数据推导产生miRNA调控规则。规则的推导形式是IF[Cond]THEN[ClassDistribution]。分别对8个GSE数据集相关矩阵与miRNA相关矩阵按照0.1、0.2、0.3、0.4和0.5等5个相关系数水平进行规则推导,得到对应规则集。对产生的规则过滤去除冗余规则,然后合并规则集,删除仅由一个基因表达数据表推导产生的规则。
　　 结果
　　 在经过规则筛选之后,我们使用信度和覆盖度对产生的MRM进行评价。为了保证产生规则的准确性,我们选取信度大于等于0.6,覆盖度大于等于3的MRM作为有效规则。随着相关系数水平的升高规则推导产生的规则数递减,规则所包含的靶基因数量也随之递减。合并规则集,去除只由单一基因表达数据表产生的MRM,我们最终得到非细胞肺癌相关的MRM。在PCC=0.2、信度≥10.75和覆盖度≥3水平,共产生166个MRM。本研究将MRM按照基因表达数据样本的组织类型分为三类。Ⅰ类是仅由样本的组织学类型是腺癌的基因表达数据推导产生的MRM；Ⅱ类仅由样本的组织学类型是鳞状细胞癌的基因表达数据推导产生的MRM；Ⅲ类是由两类样本的基因表达数据推导产生的MRM。
　　 本研究用G0stat软件验证非小细胞肺癌相关MRM(PCC=0.2)中基因的基因本体(G0)定义。共选取了119条G0注释条目,其中生物过程相关66条,细胞组件相关17条,分子功能相关36条。
　　 讨论
　　 miRNA在肺癌的发生发展中扮演着重要角色,miRNA表达异常可能导致肺癌发生。miRNA既可以是癌基因(如miR-17-92簇),也可以是抑癌基因(如let-7家族)。Let-7家族表达异常是人类肺癌的特征之一。在本研究中的非小细胞肺癌相关MRM(PCC=0.2)中,包含let-7家族的MRM有31个。在这些MRM中的基因主要有以下功能:正性调节生物学过程、蛋白质代谢调节和影响水解酶与ATP酶活性(G0stat)。其中模块14、模块19和模块34中所包含的miRNA和基因均有文献报导与非小细胞肺癌有关。miR-17-92簇过表达在肺癌的形成和进展中起到重要作用。模块111中基因的主要功能有:负性调控核苷酸代谢(ATR和ATXN1)、DNA损伤修复(ATR和ATRX)。模块60、模块63中基因与肿瘤的转移和细胞分化有关。本研究也结合文献分析了其它非小细胞肺癌相关MRM中包含的miRNA的功能。
　　 本研究探讨了一种改进的发现非小细胞肺癌相关MRM的方法,以Tran DH等人的研究为基础,改变数据选取来源,从权威的标准化数据库中下载数据。同时增加过滤规则,即去除由单一基因表达数据表推导产生的调控规则。改善方法后,本研究获得更小的MRM数据集,但是提高了MRM的生物学显著性。通过对产生的MRM结合非小细胞肺癌相关文献进行分析,miRNA-靶基因的相互作用与文献中报导的生物过程相一致。因此,本研究改进的方法能够用来寻找有意义的miRNA和其靶基因的集合。
　　 本研究结果可以为进一步阐明非小细胞肺癌与miRNA相关的发病机制提供理论基础,为肺癌患者发现新的早期诊断的生物标志物及进一步针对miRNA的靶基因治疗提供科学依据,特异的MRM还可能作为非小细胞肺癌亚型的分类依据。针对寻找到的肺癌调控模块中的miRNA及其靶基因的研究可能对深入阐释肺癌发生发展的内在机制有重要学术价值。
　　 结论
　　 本研究利用规则推导的方法得到了非小细胞肺癌相关的MRM。
　　 通过G0stat验证结合文献分析证明本研究得到的MRM具有生物学意义,本研究的方法可以用于肿瘤相关的MRM的分析。

目录

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材料与方法

结果

讨论

结论

本研究创新性的自我评价

参考文献

综述

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