整合文献知识库和表达数据，探索PPARG与心肌梗死的分子通路

摘要

过氧物酶体proliferator-activated受体γPPARG可能在心肌梗死(MI)的发生发展中发挥保护作用，但机制有限。从Elsevier Pathway Studio中提取与PPARG和MI相关的基因构建初始网络。通过从基因表达Omnibus (gene expression Omnibus, GEO)获得的8个独立的表达数据集进行巨量分析，以构建PPARG和MI连接通路，评估网络中的基因表达活性。然后进行基因集富集分析(gene set enrichment analysis, GSEA)，探讨参与pparg驱动网络的基因的功能谱。PPARG在MI患者中的表达显著降低( ; )．因此，PPARG可以指示性地促进三种MI抑制剂(如SOD1、CAV1和POU5F1)和三种MI下调标志物(如ALB、ACADM和ADIPOR2)，这些标志物在MI病例中失活( ），并抑制两种MI上调的标记物(RELA和MYD88)，这两种标记物在MI病例中表达水平升高( 和0.047,分别)。这8个基因主要富集在营养和细胞代谢相关通路中，并通过GSEA和PPCN进行功能连接。我们的研究结果表明，PPARG可以通过调节营养和代谢相关通路来保护心脏免受心肌梗死的发生和发展。

1.介绍

在发达国家，心肌梗死(MI)及其后的心衰是导致死亡和残疾的重要原因，其特征是冠状动脉闭塞、心肌损伤甚至坏死引起的急性心肌缺血[1- - - - - -3.]．动脉粥样硬化斑块破裂并形成血栓是心肌梗死最主要的原因，会导致血供的急性减少和氧供需的不平衡。长期缺血会导致不可逆的心肌坏死和心力衰竭[4- - - - - -6]．抢救危及生命的心肌，迫切需要快速诊断和适当治疗恢复灌注。

过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)家族成员涉及PPARα, PPARβ/δ, PPARγ(PPARG)可能在糖脂代谢中发挥重要作用。在这些成员中，PPARG在脂肪组织中丰富，在额外脂肪组织中广泛表达，如心脏、血管壁和骨骼肌。PPARG可以控制葡萄糖利用和脂肪酸氧化之间的平衡，这在人心肌生理需求和缺血后重构的能量稳态中至关重要[7- - - - - -9]．

PPARG作为配体激活转录因子的核激素受体超家族，能够招募靶基因转录启动所必需的转录辅激活因子，并可能抑制心肌梗死的发生发展[10，11]．虽然PPARG的一些模拟器已被证明对心肌梗死的发生有保护作用，但我们通过系统的文献文本挖掘研究筛选了PPARG与心肌梗死相关的基因及相关分子通路。本研究整合了基于文献的Elsevier Pathway Studio信息和来自基因表达Omnibus (Gene expression Omnibus, GEO)的表达数据，探讨了连接PPARG和心肌梗死的特定分子和通路。

2.材料和方法

为了探索有意义的遗传网络，通过PPARG来影响MI的发展和进展，我们建立了以下规则来识别网络:(1)对于网络中的每一个边(关系)，都有一个或多个科学研究支持这种关系。(2) MI患者中有一个节点(基因)的表达发生了显著变化。

2．1．识别PPARG-MI连接网络

我们进行了大规模的文献数据挖掘，以确定PPARG下游靶标以及与MI相关的常见基因。数据提取自Elsevier Pathway Studio (http://www.pathwaystudio.com;它的数据库是分子、过程和疾病之间相互作用的网络。每个关系/边都是基于自然语言处理技术从文献中提取的事实来构建的。通过阅读确定关系的句子，强制采用手动质量控制过程来消除不可靠的关系和非特定极性的关系。在这里，不可靠关系指的是这些不匹配的句子，这是假阳性的自然语言处理技术。之后，使用8个独立的MI RNA表达数据集的大型分析对剩余网络中的所有实体进行测试。流程说明如下。

2．2．用于大型分析的基因表达数据集的选择

MI表达数据集在GEO数据库(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)[12]．搜索使用的关键词是“心肌梗死”，其中678项研究的系列数据被识别并下载。我们对已识别的数据集的元数据进行了概述，并选择了一个子集进行mega-analysis，应用了以下条件:(1)数据集为数组表达式数据。(2)该数据集的主体是智人。(3)研究设计为心肌梗死患者与健康对照。(4)可下载原始数据及相应的格式文件。(5)样本量大于10。8个数据集满足上述标准，被纳入巨量分析，如表所示1．

2．3．Mega-analysis模型

对于每个基因，巨量分析估计了基因表达log2倍变化(LFC)的效应大小。比较使用随机效应模型和固定效应模型的结果[13]．为了确定数据集的异质性，我们计算并比较了研究间和研究内的方差。当总方差不大于研究间方差(df)的期望值，模型将ISq(研究内大于研究间方差的百分比)设为零。在这种情况下，将选择固定效应模型，而不是随机效应模型进行巨分析。所有分析均使用MATLAB (R2017a版本)进行。

2．4．影响因素分析

为了估计一些因素(如研究日期、来源国和样本量)对心肌梗死患者基因表达的可能影响，我们进行了多元线性回归(MLR)分析，并报道了心肌梗死患者的基因表达每个因素的值。

2．5．GSEA和蛋白质-蛋白质连接

为了检测参与PPARG-MI调控的基因的功能谱，我们进行了基因集合富集分析(Gene Set Enrichment Analysis, GSEA) [14]反对Pathway Studio途径和基因本体论(GO;http://geneontology.org) (15]．GSEA的目的是鉴定GO术语，而Pathway Studio收集了富含PPARG-MI网络中鉴定的基因的通路。此外，我们利用Pathway Studio探索了参与PPARG-MI调控网络的基因之间的连接，构建了蛋白-蛋白连接网络(protein-protein connection network, PPCN)。网络内的每一个关系(边缘)都有一个或多个参考资料支持，这些参考资料在补充材料中(可用)在这里): Ref4PPCN。PPCN用于探索PPARG-MI网络中鉴定的蛋白之间的潜在功能连接。

3.结果

3．1．PPARG-MI调节通路和mega分析结果

Pathway Studio文献文本挖掘发现了30个由PPARG促进的基因以及MI上游调控基因(见补充材料:30个基因)。为了识别这些基因，我们首先探索了所有由PPARG促进的基因;然后，我们挖掘了所有抑制MI的基因;之后，我们提取了重叠部分，并鉴定了这30个基因。巨量分析发现，30个基因中有3个表达水平显著下降，包括SOD1、CAV1和POU5F1(见表1)2)．这些基因被添加到连接PPARG-MI的网络中，如图所示1(用黄色突出显示)。

采用类似的文献文本挖掘方法，我们鉴定了125个受PPARG和MI反向影响的基因(见补充材料:125个基因)。在这125个基因中，有3个基因在MI患者中表达水平显著升高，包括ALB、ACADM和ADIPOR2(表1)2)．这些基因在PPARG的作用下在心肌梗死中被抑制。相反，MI患者中RELA和MYD88基因表达上调，而PPARG可以抑制这两个基因的表达(见表)2)．这些通路可能部分解释了PPARG在MI反发展中的保护作用。请注意，一项或多项之前的研究支持了图中所示的每一种关系1．配套参考资料，包括关系类型、极性、引文编号、标题以及描述关系的句子，请参考补充资料:PPARG_MI_Network。

mega分析显示心肌梗死患者PPARG表达水平显著下调( ; 值= 1.84 -9)，采用固定效应模型计算。这是由于研究之间没有显著的差异( ）根据异质性分析。

此外，MLR分析显示，国家和研究年龄两个因素对不同研究中PPARG的表达有显著影响。对于图中所示的网络中涉及的9个基因的大型分析结果的更详细描述1，请参阅补充资料:Mega-analysis。

3．2．GSEA结果和PPI网络

研究PPARG- mi功能网络中9个基因(包括PPARG)的生物学功能(图1)，使用path Studio执行GSEA。总共有八个显著丰富的氧化石墨烯术语(值< 0.005, )，并在表中列出3.，详情见补充资料:GSEA。值得注意的是，GSEA方法强调的大多数共享的氧化石墨烯术语都与细胞代谢过程、营养水平和对与MI有关的金属离子的响应有关[16- - - - - -18]．

构建了一个基于文献的PPI网络，如图所示2．通过文献数据挖掘确定一对基因之间的关系。对于图中的每个关系/边2，至少有一个支持引用。有关这些参考资料的详细内容，请参阅补充资料:Ref4PPCN。PPCN结果表明，PPARG与其驱动的8个基因之间存在直接的物理或间接的功能联系。

4.讨论

本研究证实了PPARG在心肌梗死的情况下下调，揭示了PPARG调控心肌梗死发生发展的多种途径。我们的研究结果阐明了PPARG- mi之间的联系，提示PPARG可能是心肌梗死治疗的一个潜在靶点。

在被确定为PPARG驱动的8个基因中，ALB可作为一种监测生物标志物，因为血清ALB水平低与冠状动脉疾病和心肌梗死风险增加相关[19]．ACADM可能是线粒体脂肪酸β -氧化催化初始阶段的限速因子，在心肌梗死和糖尿病心肌病中起着至关重要的作用[20.]．

其他6个基因可能参与心肌梗死的功能恢复和细胞保护。SOD1过表达、RELA阻断和myd88介导的炎症减弱可增强功能和代谢恢复，大大减少心肌梗死[21- - - - - -23，而血管重建术需要ADIPOR2 [24]．另一方面，HIF-2α与POU5F1 (OCT4)协同促进心肌梗死中胚胎样间充质干细胞的存活和分化，修复受损心肌[25]．值得注意的是，心肌梗死后肺CAV-1表达下调可能导致STAT3/Cyclin通路激活、肺动脉高压和肺结构重塑发展[26]．这些证据表明，PPARG不仅参与心肌梗死的进展，而且在心肌梗死的功能恢复和细胞保护中发挥作用。

除外源性激活剂外，PPARs还可被内源性分泌配体(如游离脂肪酸或前列腺素)激活。不难发现，GSEA方法所强调的大部分共享通路都与细胞代谢过程和营养水平有关，而这些也与心肌梗死的发生有关。值得注意的是，虽然需要详细的信息进行解读，但ACADM限制的线粒体脂肪酸- β氧化催化速率可能是PPARG介导的重要能量途径。

PPCN显示，除PPARG与其八个驱动基因的关系外(图1)， 8个基因中的6个在生理或功能上相互连接(图)2)．7个基因中有5个与SOD1相关;过表达增强功能和代谢恢复，显著降低MI [21]．这些功能连接(图2)表明，连接PPARG和MI的基因可能也存在功能上的相互联系。

在这项研究中,我们提出一个综合分析采用以知识数据库和表达数据探索PPARG和MI之间的功能联系。这种方法可以帮助勘探的关键基因和通路进一步解读兴趣因素的协会与特定疾病。参与心肌梗死发生发展的代谢相关通路和营养相关通路均可被PPARG调控，提示PPARG可能作为心肌梗死治疗的重要靶点。

本研究有几个局限性，需要在今后的工作中加以解决。首先，仅使用Pathway Studio构建PPARG-MI连接网络。应该使用更多的数据源来探索更多的潜在关系。其次，我们利用阵列数据研究了PPARG及其驱动基因的表达变化。RNA测序可以为研究表达谱提供更高的分辨率。

5.结论

基于文献的知识库和表达数据整合可显著促进pparg介导的心肌梗死保护相关机制的阐明。

数据可用性

我们的研究数据是在合理的要求下从通讯作者处获得的。

的利益冲突

所有作者声明没有利益冲突。

致谢

江苏大学2018年医学/临床科技发展基金项目(自然科学)资助项目(no . JLY20180021);连云港市第二人民医院中青年基金项目(no . TQ201902)。关键词:岩石力学，抗剪强度，抗剪强度

补充材料

本研究的补充资料(excel文件)包括以下工作表:PPARG_MI_Pathway, 30个Genes, 125个Genes, Mega-analysis, GSEA, Ref4PPCN。（补充材料）

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