Translating Mendelian and complex inheritance of Alzheimer's disease genes for predicting unique personal genome variants

Objective

Although trait-associated genes identified as complex versus single-gene inheritance differ substantially in odds ratio, the authors nonetheless posit that their mechanistic concordance can reveal fundamental properties of the genetic architecture, allowing the automated interpretation of unique polymorphisms within a personal genome.

Materials and methods

An analytical method, SPADE-gen, spanning three biological scales was developed to demonstrate the mechanistic concordance between Mendelian and complex inheritance of Alzheimer''s disease (AD) genes: biological functions (BP), protein interaction modeling, and protein domain implicated in the disease-associated polymorphism.

Results

Among Gene Ontology (GO) biological processes (BP) enriched at a false detection rate <5% in 15 AD genes of Mendelian inheritance (Online Mendelian Inheritance in Man) and independently in those of complex inheritance (25 host genes of intragenic AD single-nucleotide polymorphisms confirmed in genome-wide association studies), 16 overlapped (empirical p=0.007) and 45 were similar (empirical p<0.009; information theory). SPAN network modeling extended the canonical pathway of AD (KEGG) with 26 new protein interactions (empirical p<0.0001).

Discussion

The study prioritized new AD-associated biological mechanisms and focused the analysis on previously unreported interactions associated with the biological processes of polymorphisms that affect specific protein domains within characterized AD genes and their direct interactors using (1) concordant GO-BP and (2) domain interactions within STRING protein–protein interactions corresponding to the genomic location of the AD polymorphism (eg, EPHA1, APOE, and CD2AP).

Conclusion

These results are in line with unique-event polymorphism theory, indicating how disease-associated polymorphisms of Mendelian or complex inheritance relate genetically to those observed as ‘unique personal variants’. They also provide insight for identifying novel targets, for repositioning drugs, and for personal therapeutics.     

甲基转移酶样蛋白27是结肠癌预后的生物标志物并与免疫浸润相关

目的 探讨甲基转移酶样蛋白27（METTL27）在结肠癌中的表达、基因功能、免疫浸润和临床预后意义。方法 运用R语言,通过公共数据库TCGA、GEO、HPA数据库分析33种癌谱METTL27表达水平,并鉴定结肠癌中METTL27的差异基因,通过基因功能注释和富集分析鉴定相关信号通路;应用GSVA中的ssGSEA算法进行免疫浸润分析;Wilcoxon秩和检验(连续变量)、Logistic分析评价METTL27表达与临床病理特征的相关性;Kaplan-Meier分析、单因素和多因素Cox回归分析,构建列线图和校准图分析评价METTL27表达与临床预后的相关性。qPCR及Western blot实验验证METTL27在肠癌细胞株以及16例肠癌组织中的表达水平。结果 METTL27在21种肿瘤中显著高表达,结肠癌中METTL27的表达明显高于癌周组织（P<0.001）;METTL27进行差异分析,并鉴定了METTL27相关的差异基因,绘制了差异表达正负相关前10基因（P<0.001）;通过鉴定了METTL27的差异表达基因,初步对其进行了基因功能注释,发现METTL27在跨膜物质转运以及脂质代谢进程中显著富集,进一步GSEA识别了与之相关的5条信号通路;同时分析了METTL27表达与辅助T细胞、辅助T细胞2型、中央记忆型T细胞呈负相关关系（P<0.001）;在临床特征与预后分析中,METTL27 mRNA高表达的患者OS、DSS较差,Cox回归分析显示,METTL27表达是OS的独立预后因素;修改为：在不同肠癌细胞株以及16例肠癌组织样本中,METTL27的mRNA表达水平高于正常细胞及组织（P<0.05）;配对的4例肠癌组织蛋白检测也证实这一结果（P<0.001）。结论 METTL27在结肠癌中异常高表达,并代表了不良的临床预后;高表达的METTL27显示了更少的T细胞免疫浸润,提示METTL27可能为结肠癌的预后标记物。     

基于生物信息学方法筛选结直肠癌转移的相关基因

目的：　应用生物信息学对基因芯片数据进行分析,探讨结直肠癌的转移机制,寻找潜在的转移及预后标记物。方法：　从GEO数据库选取GSE41568、GSE68468进行分析,使用R语言limma包筛选结直肠原发癌与转移瘤之间的差异基因,获得2个数据集的共同差异基因;运用clusterProfiler包进行功能富集分析并进行可视化;通过STRING数据库、Cytoscape软件进行蛋白质互作网络分析及关键模块的筛选;使用TCGA数据库的结直肠癌数据对差异基因进行表达分析和生存分析。结果：　共筛选出108个共同差异基因;通过基因富集分析发现,差异基因主要富集在补体及凝血级联等通路及生物学过程中;通过蛋白质互作网络分析发现3个关键模块;基于TCGA数据对共同差异基因分析发现,CLCA1、COLEC11、FCGBP、PDZD2、SERPINA1、SPINK4共6个基因在Ⅰ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅳ期结直肠癌的表达有显著差异（P<0.05）,并且与结直肠癌的预后显著相关（P<0.05）。结论：　通过生物信息学筛选出108个共同差异基因及3个关键模块,并得到6个预后相关基因,为研究结直肠癌的转移机制及预后、靶向治疗提供了一定的理论支持。     

乳腺癌易感蛋白1序列结构特征及致病性突变的分析

目的:利用生物信息学方法分析乳腺癌易感基因1(BRCA1)序列结构特征,并预测BRCA1功能编码区突变与致病性遗传效应的关系?方法:采用Maximum Likelihood?ClustalW?SMART和Selecton等在线生物信息学分析工具,对BRCA1进行分子系统发育?保守性?选择压力?结构域?三维结构和错义结构的分析?结果:分析获得195个固定残基位点(10.5%)和393个保守位点(21.1%),其分布是非随机性的;发现人BRCA1序列中的保守结构域BRCT的三维结构与其他物种存在着较大的差异,表明BRCT结构域在不同物种中具有不同的生物学功能;关联性分析证实发生在保守位点的突变致病性高?结论:基于生物信息学的BRCA1序列结构分析,能充分利用相关数据的资源,加深对BRCA1基因变异与肿瘤发生的相关性的认识?     

胃癌中P53诱导相关微小RNA靶基因预测及生物信息学分析

目的：利用生物信息学预测胃癌中 P53诱导相关微小 RNA（miRNA）的靶基因及功能。方法通过胃癌的限定,用在线数据库mir2disease、Gene Expression Atlas缩小目的基因范围。利用在线预测软件miRNA 靶基因数据库 miRGen（v3．0）预测目标miRNA的靶基因。通过在线软件DAVID和Pathway Miner对预测的靶基因数据集进行功能富集和信号转导通路分析。结果胃癌中P53诱导相关miRNA包括miR-21、miR-25、miR-103等,预测miR-21靶基因共1090个,其中在胃癌中下调共115个;Pathway Miner分析显示miR-21的靶基因涉及黏附连接、胰岛素信号转导通路、细胞凋亡、钙信号转导通路、JAK-STAT信号转导途径等。结论 miR-21靶基因涉及多个肿瘤发生、发展相关信号通路。     

人SRGAP1蛋白结构和功能预测

目的: 利用生物信息学对人Slit-Robo GTP 酶激活蛋白1（SRGAP1） 蛋白质的理化性质,信号肽,亲水性/疏水性,跨膜区域,蛋白质二级结构、三级结构,蛋白质间的相互作用及GO注释进行预测分析。方法:使用多种分析软件对SRGAP1蛋白进行在线预测分析。结果:SRGAP1理化性质分析结果显示,人SRGAP1 蛋白有1 085个氨基酸,等电点为6.36;生物信息学预测分析结果显示,SRGAP1无信号肽,无跨膜结构的亲水不稳定蛋白质。二级结构存在19个α螺旋和11个β折叠,预测到10个与SRGAP1存在相互作用的蛋白。SRGAP1蛋白在调控GTP酶活性,细胞迁移,信号通路中有重要的作用。结论:系统预测分析了等电点为6.36的人SRGAP1蛋白理化性质、结构和功能,为将来探索SRGAP1具体功能和分子机制提供了一定的思路和理论基础。?     

新基因AY358935的生物信息学分析及功能预测

目的对新基因AY358935的功能性质进行生物信息分析,为深入研究该基因功能奠定基础。方法利用生物信息学分析软件,分析新基因AY358935及其编码蛋白的性质、定位、结构、表达谱等特征,并根据相关信息预测其生物学功能。利用Western blotting检测病毒感染早期AY358935的表达变化。结果AY358935基因进化保守,与马、小鼠、斑马鱼、非洲爪蟾的相似性分别为74%、60%、38%、33%。亚细胞定位于线粒体的可能性大。含有一个N末端信号肽序列和单次跨膜结构,多个磷酸化位点,二级结构主要是α螺旋和无规则卷曲。在正常组织和癌组织表达广泛,并受双链RNA依赖蛋白激酶的表达调控。AY358935蛋白表达在水泡性口炎病毒感染2h后即明显上调。结论初步预测AY358935为具有重要功能的小分子分泌蛋白,可能参与细胞增殖和抗病毒天然免疫调控。     

SARS-CoV-2核衣壳蛋白的生物信息学分析、纯化及多克隆抗体制备

目的分析新型冠状病毒(SARS-CoV-2)核衣壳(N)蛋白的生物学性质、纯化及多克隆抗体制备。 方法NCBI检索感染人的冠状病毒N蛋白氨基酸序列,采用Clustal Omega软件对其进行序列比对。利用SOPMA软件预测SARS-CoV-2 N蛋白的二级结构;应用Pondr和IUPred软件预测SARS-CoV-2 N蛋白的固有无序结构域;运用MoRFchib软件预测SARS-CoV-2 N蛋白的分子识别特征序列;利用IEDB网络分析其B细胞表位。纯化的N蛋白免疫BALB/c小鼠,分离小鼠血清,制备多克隆抗体;ELISA法测定血清中多克隆抗体滴度;MTT法检测N蛋白刺激小鼠脾细胞增殖情况。 结果SARS-CoV-2 N蛋白与SARS-CoV N蛋白的同源性高于97%。N蛋白二级结构的无规卷曲占55.13%,α螺旋占21.24%,β折叠占16.71%,β转角占6.92%。N蛋白含有大量固有无序样结构,具有4个分子识别特征序列和11个线性B细胞表位。全长为51.5 kDa N蛋白可诱导BALB/c小鼠分泌高滴度抗体,并能导致淋巴细胞增殖。 结论SARS-CoV-2 N蛋白含有大量固有无序结构域并获得了高滴度多克隆抗体。     

棘球绦虫主要虫卵抗原蛋白分子特性的生物信息学分析

目的 采用生物信息学软件分析棘球绦虫主要虫卵抗原（MEAs）蛋白的分子特性。方法 从NCBI蛋白质数据库中下载棘球绦虫MEAs蛋白的氨基酸序列,采用ProtParam、NetSolP-1.0、SignalP-5.0、TMHMM 2.0、ProtComp 9.0、Structure、NetPhos 3.1、BCPREDS等在线分析程序预测理化性质、在大肠杆菌中的表达特性、信号肽、跨膜结构域、亚细胞定位、保守结构域、磷酸化位点及B细胞表位,并通过MEGA 6.06程序对不同物种来源的MEAs蛋白构建进化树。 结果 对11条棘球绦虫MEAs蛋白序列进行分析,序列长度为314~503 aa,等电点为5.73~7.26,分子量为35 843.76~ 54 356.24;在大肠杆菌中表达的可溶性为0.488 0~0.563 2,可用性为0.254 5~0.283 5;均具有典型的α晶体结构域,属于HSP20超家族;均含有丝氨酸磷酸化位点、苏氨酸磷酸化位点和酪氨酸磷酸化位点;均不存在信号肽序列及跨膜结构域,为非分泌、非跨膜蛋白;主要定位于胞质、胞核,在线粒体、胞外和质膜上也有分布;棘球绦虫MEAs蛋白优势B细胞抗原表位的数量为1~3。不同物种来源的MEAs蛋白分为两大枝,其中EmMEAp40_1、EgMEA_4、EgMEAp40_1 与微小膜壳绦虫MEAp40等聚为一枝,其余8条棘球绦虫MEAs蛋白与日本血吸虫MEAs等聚为一枝。结论 通过生物信息学软件筛选了棘球绦虫MEAs蛋白的优势B细胞抗原表位,为进一步研究棘球绦虫MEAs蛋白的生物学功能提供参考。     

蛋白质组学技术用于功能性胃肠病研究

目的:探讨将蛋白质组学方法用于功能性胃肠病发病机制研究的可行性。方法:选择发病率较高的肠易激综合征(irritable bowel syndrome,IBS)亚型患者作为研究对象,运用蛋白质组学方法,双向凝胶电泳后应用不同染色方法进行染色,Image Master 2D Elite分析软件对图像进行分析。结果:考马斯亮蓝法染色用于腹泻型IBS患者,平均得到蛋白质点426个;硝酸银染色法用于便秘型IBS患者,平均得到蛋白点581个。结论:双向凝胶电泳法可得到IBS患者结肠黏膜组织的蛋白质组图谱;硝酸银染色法的分辨率明显高于考马斯亮蓝法。     

AsTP1的生物信息学分析及其细胞中的定位

目的 分析三氧化二砷反式激活基因1 (AsTP1)的结构及细胞定位.方法 采用生物信息学软件对AsTP1结构进行真核生物细胞定位预测;利用融合绿色荧光蛋白(greenfluorescent protein ,GFP)定位的方法,通过构建pEGFP-C1-AsTP1重组质粒,将重组质粒pEGFP-C1-AsTP1转染Jurkat T 细胞和HepG2细胞,在荧光显微镜下观察AsTP1蛋白的亚细胞定位.结果 生物信息学预测AsTP1蛋白为胞内定位,大多数定位在细胞核,部分在细胞质内.有2个可能的酪蛋白激酶II磷酸化位点分别在26 aa和38 aa;1个蛋白激酶C磷酸化位点在40 aa.荧光显微镜下观察发现,AsTP1蛋白主要定位在细胞核,在细胞质中也有表达.结论 初步明确了AsTP1的蛋白亚细胞定位,为进一步研究AsTP1基因的功能建立基础.     

充分利用网络资源开展生物信息学教育

生物信息学主要是一门研究生物学系统和生物学过程中信息流的综合系统科学，同时又是未来生物医学的重要研究工具。生物信息学在基因克隆、基因表达和蛋白质结构分析以及药物设计中发挥十分重要的作用，因此充分利用网络资源开展生物信息学教育具有重要意义。     

非酒精性脂肪性肝病患者的肝组织差异蛋白的定量分析:基于iTRAQ技术

目的 应用蛋白质组学在非酒精性脂肪性肝炎（NASH）肝脏组织中筛选差异蛋白,寻找关键的作用靶点。方法 收集符合纳入标准的肝脏组织,通过 HE 染色病理切片筛选出非酒精性脂肪性肝炎样本（NASH组）3例和正常对照样本3例。提取NASH组及正常对照组的肝脏蛋白,使用iTRAQ试剂对多肽进行标记进行液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）检测,用蛋白质鉴定软件Mascot2.3.02比对UniProt蛋白数据库搜索鉴定,应用GO数据库对差异表达蛋白质进行注释和富集,应用KEGG数据库进行差异蛋白质涉及信号通路富集。实时荧光定量PCR（qPCR）检测显著差异表达蛋白对应的mRNA表达水平。结果 NASH组和对照组相比,以差异倍数（>1.2或<0.8）且P<0.05为阈值质谱分析鉴定到648个显著差异蛋白,其中表达量上调的蛋白有246种,下调的蛋白有402种。GO功能富集分析结果显示,差异表达蛋白主要参与小分子代谢、有机酸代谢、含氧酸代谢等生物学过程,在代谢途径、补体凝血级联、核糖体等KEGG通路上富集。荧光定量PCR对差异倍数（>2.0或<0.5）且P<0.05的25个显著差异表达蛋白进行筛选,共有6个蛋白与蛋白组学的结果趋势一致,包括5个下调蛋白：Jumonji 蛋白（JARID2）、莱伯西林样蛋白（LCA5L）、突触素1（SYN1）及胶原α-1（XIII）链（COL13A1）、FYVE,RhoGEF和PH结构域蛋白5（FGD5）,以及1个上调蛋白：谷胱甘肽S-转移酶Mu 4（GSTM4）。结论 iTRAQ技术和生物信息学方法在NASH肝脏组织筛选出差异表达蛋白648个,其中JARID2、SYN1、COL13A1、FGD5、GSTM4可能是NASH的关键靶向蛋白。     

microRNAs调控基质金属蛋白酶与乳腺癌发生发展和转移的生物信息学分析

目的:利用生物信息学方法研究microRNAs调控基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)乳腺癌的潜在靶向基因、信号传导通路及分子机制.方法:从GEO和TCGA数据库下载正常乳腺组织和乳腺癌样本的基因芯片;使用R软件包limma分析正常乳腺组织和乳腺癌样本之间的差异表达基因;对筛选...     

白三烯B4受体在急性髓系白血病中的预后价值和功能富集分析

目的 运用生物信息学分析白三烯B4受体（LTB4R）在急性髓系白血病（AML）患者中的表达模式、预后价值和潜在生物学功能。方法 从癌症基因组图谱（TCGA）数据库和美国国立生物技术信息中心（NCBI）公共基因芯片数据平台（GEO）下载mRNA基因芯片数据集和临床基线资料数据集,利用R studio进行表达分析、生存分析、Cox风险回归分析、相关性分析研究LTB4R的表达模式和预后价值。利用UALCAN 平台研究 LTB4R表达水平与临床特征的关联。利用linkedomics平台筛选出LTB4R共表达基因进行GO和KEGG信号通路富集分析。应用STRING平台构建蛋白质相互作用网络。基于LTB4R表达水平将LAML数据集分组并筛选差异表达基因,继而进行GSEA分析。收集临床30例AML患者及21例健康对照者外周静脉抗凝血2 mL,分离单个核细胞,采用qRT-PCR对LTB4R和免疫检查点基因表达水平、相关性进行验证;分离外周血500 μL血清,采用酶联免疫吸附实验(ELISA)检测LTB4R蛋白表达水平。结果 LTB4R表达水平在AML患者骨髓样本中显著增强（4.898±1.220 vs 2.252±0.215,P<0.001）,与不良预后相关[P=0.004,风险指数（HR）=1.74],并可做为AML预后的独立风险因素（P=0.019,HR=1.66）。同时LTB4R与FAB分型、细胞遗传学风险、染色体异常、NPM1突变相关。 LTB4R 的共表达基因富集到多个肿瘤发生相关的信号途径,例如粒细胞炎症、淋巴细胞激活、免疫反应信号传导、能量代谢等。GSEA分析显示差异基因富集于免疫细胞分化、活化、细胞因子信号途径等。临床实验证实AML患者样本中LTB4RmRNA（P=0.044）及蛋白表达水平增高（P=0.008）,并且mRNA表达水平与HAVCR2呈正相关（r=0.466,P=0.040）。结论 LTB4R 可做为AML的新型标志物和独立预后指标,潜在功能富集于肿瘤免疫、代谢相关信号通路,可为AML 疾病进程相关信号通路和分子网络研究提供线索。     

舌鳞癌干细胞相关差异表达序列标签的生物信息学分析

目的:对利用抑制消减杂交技术获得的舌鳞癌干细胞相关表达序列标签(Expressed squence tag,EST)进行电子克隆及序列分析.方法:利用互联网上的公共数据库及生物信息学分析软件对获得的舌鳞癌干细胞相关差异表达序列标签进行核酸序列和蛋白质序列分析,探索克隆差异表达基因的研究方法和策略.结果:通过电子延伸得到...     

冠心病与生物钟关联靶基因的生物信息学挖掘

目的 分析生物节律紊乱与冠心病发生关联的潜在分子机制。方法 从GEO数据库中获取GSE71226芯片数据,用R软件筛选冠心病差异表达基因;经文本挖掘和蛋白互作分析获得生物钟相关基因,进行功能注释、染色体定位和互作分析。结果 获得488个冠心病差异表达基因(coronary heart disease differentially expressed genes, CHD-DEGs)和64个生物钟相关基因(biological clock related genes, BRGs),在染色体上分布密集,且多与转录调控、炎症和免疫系统疾病相关。其中28个CHD-DEGs与22个BRGs发生了显著互作,有10个重要关联靶基因。结论 生物节律紊乱与冠心病的发生之间存在着密切的关联。     

基于转录组数据识别代谢综合征与结直肠癌的共同基因特征和分子机制

目的：识别代谢综合征（metabolic syndrome,MetS）与结直肠癌（colorectal cancer,CRC）共同的基因特征和生物学通路,并筛选与MetS相关的CRC预后生物标志物。方法：对MetS、CRC和相应的对照样本进行差异分析,以识别表达差异的基因作为与疾病相关的基因。根据这些基因的表达特征进行功能富集分析,以识别受调控的生物学功能。利用单因素Cox回归鉴定与CRC预后相关的MetS基因,并使用LASSO和多因素Cox回归分析构建CRC的预后预测模型。基于汇总数据的孟德尔随机化分析（Summary-data-based Mendelian Randomization,SMR）进一步确认MetS基因与CRC预后的因果关系。结果：325个基因在MetS和CRC中表达上调,281个基因表达下调。研究还发现,Apelin信号和胞吐等通路在2种疾病中被抑制,而核酸修复通路则被激活。其中,有60个与MetS和CRC共享的基因与CRC的预后相关。18个基因被用于构建预测模型,在TCGA数据库的CRC队列中,模型在1～5年的曲线下面积（area under the curve,...     

移行上皮反应基因TERE1的结构与功能分析

目的 用生物信息软件分析移行上皮反应基因TERE1蛋白的跨膜结构,并预测分析其重要蛋白结构域功能.检测TERE1在细胞中表达定位.方法 采用不同生物信息学软件预测分析TERE1的蛋白跨膜结构及重要结构域功能.采用分子克隆方法构建绿色荧光蛋白-移行上皮反应基因(pEGFP-TERE1)重组质粒,转染人膀胱癌细胞系T24,激光共聚焦显微镜观察TERE1在细胞中表达定位.结果 TERE1蛋白为多次跨膜的蛋白,保守的区域形成3个环loop 1、loop 2和loop 3;N端和loop 1合有高度保守的位点;以loop 2和loop 3之间的区域采用PROSITE软件分析显示UbiA类异戊烯转移酶家族具有一致性序列.采用菌液PCR、双酶切鉴定和DNA测序验证pEGFP-TERE1重组质粒构建成功.TERE1主要在T24细胞浆中表达.结论 TERE1为多次跨膜的蛋白,保守的区域形成3个环,UbiA类异戊烯转移酶家族具有一致性序列.TERE1主要在T24细胞浆中表达.