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精神分裂症是重性精神疾病的一种，世界人口患病率约1%，其不仅严重损害病人本人的社会功能，也给病人家庭和社会带来一定程度的不利影响[1]。研究精神分裂症的发病机制，寻求有效的治疗手段，是国内外学者一直以来的奋斗目标。目前研究[2]已表明，遗传是精神分裂症最主要的因素。miRNA是一种内源性的非编码RNA，通过作用于目标mRNA，在转录后水平调控基因的表达[3]。研究[4]发现，miRNA在精神分裂症病人体内差异表达，部分miRNA可能在精神分裂症的发病机制中扮演重要角色。但精神分裂症病人体内差异表达的miRNA在精神分裂症发病过程中的具体作用机制仍然不明，有待进一步阐述。本研究在既往研究的基础上，进一步运用生物信息学软件预测精神分裂症病人外周血差异表达miRNA-181b的靶基因、转录因子和相关信号通路，为精神分裂症病因学的探究提供参考。现作报道。
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运用DIANA-TarBase v8(http://www.microrna.gr/tarbase)数据库分析miRNA-181b两个成熟体hsa-miRNA-181b-3p和has-miRNA-181b-5p的靶基因。DIANA-TarBase v8数据库是目前使用最广泛的存储真实miRNA与靶基因关系的数据库，存储>100万个条目，对应于670 000个miRNA与靶基因关系对[5]。
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应用DIANA-miRGen v3.0(http://www.microrna.gr/mirgen)数据库对miRNA-181b的靶基因合集进行GO生物学过程富集分析和KEGG信号通路富集分析(KEGG pathway analysis)。该数据库致力于miRNA调控作用的评估和受控通路的识别，支持KEGG分子途径的所有分析以及多个基因的GO分析[6]。
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采用DIANA-miRGen v3.0(http://www.microrna.gr/mirgen)数据库对miRNA-181b的转录因子进行预测分析。DIANA-miRGen v3.0数据库致力于提供miRNA基因转录起始位点(TSSs)和转录因子的结合位点，以揭示miRNA转录调节的机制。该数据库目前提供276种miRNA的TSSs，其对应于428个前体和202个转录因子的结合位点[7]。
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miRNA-181b的成熟体有hsa-miRNA-181b-3p和has-miRNA-181b-5p两种，经过计算，hsa-miRNA-181b-3p共有227个靶基因，has-miRNA-181b-5p共1 153个靶基因，miRNA-181b靶基因共1 344个，其中hsa-miRNA-181b-3p和has-miRNA-181b-5p共有的靶基因有36个(ADAMTS1、ADAMTS2、ADM、ANKFY1、ARF3、ARHGAP11A、ATP8B2、BCL2L2、CD164、CTSD、DDX21、DDX39B、DYNLL2、FEM1B、H3F3B、HIPK1、HMGA2、HNRNPF、HNRNPU、MAP7、MAPK1、MDN1、NUCKS1、PIP4K2A、PPA1、RHOB、SCD、TBL1XR1、UBE3C、VKORC1L1、WNK1、YY1、ZBTB10、ZC3H12B、ZNF432、ZNF711)，显著表达的靶基因是ARHGAP11A、PPA1、YY1和ZC3H12B。
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对hsa-miRNA-181b-3p和has-miRNA-181b-5p的靶基因进行GO生物学过程富集分析，以P < 0.05为具有统计学意义。结果显示，hsa-miRNA-181b-3p和has-miRNA-181b-5pmiRNA-181b-3p的靶基因共有的富集条目有27个，其聚类图见图 1，包括分子功能、RNA结合、细胞组成、细胞核核质、细胞质、细胞蛋白质的修饰过程、生物过程、生物合成过程、基因表达、酶结合、细胞氮氧化物代谢过程、离子结合、细胞器、蛋白质复合物等过程的调节，其中显著富集的条目见表 1。
图 1 miRNA-181b靶基因GO富集条目聚类分析
GO号 生物学过程条目 P 靶基因数 0043226 细胞器(organelle) 1.137×e-11 907 0034641 细胞氮化合物代谢过程
(cellular nitrogen compound metabolic process)1.543×e-82 515 0043167 离子结合(ion binding) 8.387×e-60 564 0009058 生物合成过程(biosynthetic process) 2.925×e-48 404 0010467 基因表达(gene expression) 5.059×e-40 104 0003674 分子功能(molecular function) 6.809×e-31 1 219 0003723 RNA结合(RNA binding) 7.432×e-29 221 0043234 蛋白质复合物(protein complex) 7.454×e-26 353 0005654 核质(nucleoplasm) 2.674×e-25 150 0008150 生物过程(biological process) 4.150×e-22 1 183 表 1 miRNA-181b靶基因GO生物学过程富集分析的显著条目
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对miRNA-181b-3p和miRNA-181b-5p的靶基因进行KEGG信号通路富集分析，结果显示，共有12个KEGG信号通路条目显著性富集。将P值以10为底进行负对数处理(-LgP)后做图，得到KEGG信号通路的-LgP柱状图(见图 2)。显著性富集的条目包括：内质网中蛋白质的加工、神经胶质瘤、p53信号通路、HIF-1信号通路、赖氨酸的降解、亨廷顿病和黏合连接等通路。
图 2 miRNA-181b显著性富集的KEGG信号通路
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采用miRGen V.3数据库分析miRNA-181b的转录因子，结果表明，与miRNA-181b显著关联的转录因子有7个，分别是JUN、IRF1、EGR1、ZNF263、ESRRA、MEF2C和FOSL2(见表 2)。
转录因子 转录因子IDs 距离 染色体位置 结合位点数 JUN ENSG00000177606 -832 chr1:198904244-198904256[-] 1 IRF1 ENSG00000125347 -757 chr1:198904319-198904339[-] 2 1606 chr1:198906682-198906702[-] EGR1 ENSG00000120738 -134 chr1:198904942-198904955[-] 1 ZNF263 ENSG00000006194 535 chr1:198905611-198905631[-] 1 ESRRA ENSG00000173153 889 chr1:198905965-198905975[-] 1 MEF2C ENSG00000081189 1089 chr1:198906165-198906179[-] 1 FOSL2 ENSG00000075426 1523 chr1:198906599-198906609[-] 1 表 2 miRNA-181b显著关联的转录因子
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精神分裂症最主要的病因是遗传因素，遗传物质表达的异常与精神分裂症的发病有显著的关联，具体遗传模式复杂，目前认为受多个基因控制。全基因组关联分析发现了108个与精神分裂症相关的基因[2]。miRNA作为一种非编码RNA，可以在转录后水平对基因进行调控[8]。越来越多的研究[4, 9]证明miRNA与精神分裂症的发病有显著关联。既往研究[10]发现，miRNA-30e、miRNA-34a、miRNA-181b和miR-7在精神分裂症病人外周血高表达，进一步分析抗精神病药物治疗前后这4种差异表达miRNA的变化，发现抗精神病药物治疗后miRNA-181b的表达水平降低，抗精神病药物治疗前后miRNA-181b表达水平的改变量与精神症状的改善程度有显著关联。可见miRNA可能与精神分裂症的发病及精神症状的发展和转归具有相关性。
本研究选取精神分裂症病人外周血中差异表达的miRNA-181b进一步做生物信息学分析，发现miRNA-181b共有1 344个靶基因，其两个成熟体共有的靶基因有36个，其中显著表达的靶基因是ARHGAP11A、PPA1、YY1和ZC3H12B。有研究[11]发现15q13.2q13.3上基因FAN1、TRPM1、MIR211、KLF13、OTUD7A、CHRNA7和ARHGAP11A的缺失可以导致15q13.3微缺失综合征，这些可以解释孤独症智力和言语障碍的表型特征。突触标记蛋白XI作为精神分裂症的易感基因与精神分裂症的发病有一定的关联。研究[12]发现强效转录因子YY1能够结合并影响突触标记蛋白XI的转录活性，可能与精神分裂症的发病也有一定的关联。对hsa-miRNA-181b-3p和has-miRNA-181b-5p的靶基因进行GO生物学过程富集分析，显著富集的27个条目，包括了分子功能、RNA连接等多种生物学过程，这些过程与可能涉及精神分裂症的发生、发展以及转归等多个过程[13]。miRNA-181b可能通过调控其下游的靶基因在精神分裂症的发病过程中发挥重要作用。为进一步验证miRNA-181b靶基因在精神分裂症发病过程中的作用，对hsa-miRNA-181b-3p和has-miRNA-181b-5p的靶基因进行KEGG信号通路富集分析，结果显示共有12个KEGG信号通路条目显著性富集，包括hippo信号通路、内质网中蛋白质的加工、神经胶质瘤、p53信号通路、HIF-1信号通路、赖氨酸的降解、亨廷顿病、黏合连接等通路。
分析miRNA-181b的转录因子，发现与miRNA-181b关联显著的转录因子有7个，分别是JUN、IRF1、EGR1、ZNF263、ESRRA、MEF2C、FOSL2。研究[14]表明，EGR1在脑内广泛表达，与认知、情感、社会功能以及犒赏的敏感性有显著关联。国外研究[15]报道，JUN和EGR1在精神分裂症病人成纤维细胞中显著上调，在外周血中，EGR1仍然显著上调，JUN显著下调，这两个miRNA-181b的转录因子可能与精神分裂症的发病有一定关联。EGR1被认为是突触可塑性和神经元活动的主要调节剂和调节因子，其表达水平与精神分裂症病人特征性分子谷氨酸脱羧酶1的表达水平呈正相关，与精神分裂症有显著关联[16]。MEF2C在突触连接相关活动的改善过程中可以抑制突触的过度形成，从而促进学习和记忆[17]。有研究[18]表明，MEF2C转录因子与精神分裂症的表观遗传有显著关联，还可以增强小鼠的认知功能。由此可见，miRNA-181b的转录因子JUN、EGR1和MEF2C与精神分裂症的发病有显著关联，其可能通过调控miRNA-181b及miRNA-181b的靶基因在精神分裂症的发病机制中扮演者重要的角色，但其与miRNA-181b及miRNA-181b的靶基因的关系有待进一步的验证。
综上所述，精神分裂症病人血浆中差异表达的miRNA-181b的靶基因共1 344个，这些靶基因参与分子功能、RNA结合、细胞组成等过程，富集在hippo信号通路、p53信号通路、HIF-1信号通路、赖氨酸的降解等通路中，miRNA-181b显著关联的转录因子有7个，其中JUN、EGR1、MEF2C与精神分裂症有显著关联，这些转录因子可通过作用于miRNA-181b及其靶基因在精神分裂症的发病机制中扮演重要角色。
精神分裂症病人外周血差异表达miRNA-181b的生物信息学分析
Bioinformatics analysis of the differential expression of miRNA-181b in peripheral blood of schizophrenic patients
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摘要:
目的对精神分裂症病人外周血中差异表达的miRNA-181b进行靶基因、转录因子和信号通路的分析。 方法采用DIANA-TarBase数据库分析miRNA-181b靶基因，应用DIANA-miPath V.3软件对miRNA-181b的靶基因进行GO功能富集分析和KEGG信号通路富集分析，运用DIANA-miRGen v3.0数据库分析miRNA-181b的转录因子。 结果miRNA-181b靶基因共1 344个，其中显著表达的共有靶基因是ARHGAP11A、PPA1、YY1和ZC3H12B；miRNA-181b的靶基因广泛参与生物学过程的调节，包括分子功能、RNA结合、细胞组成等过程；KEGG生物信息学分析发现miRNA-181b的靶基因富集了12条信号通路，包括hippo信号通路、p53信号通路、HIF-1信号通路、赖氨酸的降解等；与miRNA-181b显著关联的转录因子有7个，其中JUN、EGR1、MEF2C与精神分裂症有显著关联。 结论对精神分裂症病人外周血中差异表达的miRNA-181b进行生物信息学分析，发现了多个靶基因、信号通路和转录因子与精神分裂症的发病有密切关联。 -
关键词:
- 精神分裂症 /
- 生物信息学 /
- miRNA-181b
Abstract:ObjectiveTo analyze the target gene, transcription factor and signal pathway of the differential expression of miRNA-181b in the peripheral blood of schizophrenic patients. MethodsThe miRNA-181b target gene was analyzed using the DIANA-TarBase database, the GO function and KEGG pathway enrichment of miRNA-181b gene were analyzed using DIANA-miPath V.3 software, and the transcription factors of miRNA-181b were analyzed using the DIANA-miRGen v3.0 database. ResultsThere were 1 344 target genes of miRNA-181b, and the target genes ARHGAP11A, PPA1, YY1 and ZC3H12B significantly expressed.The target genes of miRNA-181b were widely involved in the regulation of biological processes(including molecular function, RNA binding and cell composition).The results of KEGG bioinformatics analysis showed that the target gene of miRNA-181b enriched 12 signal pathways, which included the hippo signal pathway, p53 signal pathway, HIF-1 signal pathway and lysine degradation.Seven transcription factors were significantly associated with miRNA-181b, and JUN, EGR1 and MEF2C were significantly associated with schizophrenia. ConclusionsThe multiple target genes, signal pathways and transcription factors are closely related to the onset of schizophrenia using the bioinformatics analysis of the differential expression of miRNA-181b in the peripheral blood of schizophrenic patients. -
Key words:
- schizophrenia /
- bioinformatics /
- miRNA-181b
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表 1 miRNA-181b靶基因GO生物学过程富集分析的显著条目
GO号 生物学过程条目 P 靶基因数 0043226 细胞器(organelle) 1.137×e-11 907 0034641 细胞氮化合物代谢过程
(cellular nitrogen compound metabolic process)1.543×e-82 515 0043167 离子结合(ion binding) 8.387×e-60 564 0009058 生物合成过程(biosynthetic process) 2.925×e-48 404 0010467 基因表达(gene expression) 5.059×e-40 104 0003674 分子功能(molecular function) 6.809×e-31 1 219 0003723 RNA结合(RNA binding) 7.432×e-29 221 0043234 蛋白质复合物(protein complex) 7.454×e-26 353 0005654 核质(nucleoplasm) 2.674×e-25 150 0008150 生物过程(biological process) 4.150×e-22 1 183 
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表 2 miRNA-181b显著关联的转录因子
转录因子 转录因子IDs 距离 染色体位置 结合位点数 JUN ENSG00000177606 -832 chr1:198904244-198904256[-] 1 IRF1 ENSG00000125347 -757 chr1:198904319-198904339[-] 2 1606 chr1:198906682-198906702[-] EGR1 ENSG00000120738 -134 chr1:198904942-198904955[-] 1 ZNF263 ENSG00000006194 535 chr1:198905611-198905631[-] 1 ESRRA ENSG00000173153 889 chr1:198905965-198905975[-] 1 MEF2C ENSG00000081189 1089 chr1:198906165-198906179[-] 1 FOSL2 ENSG00000075426 1523 chr1:198906599-198906609[-] 1
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