IL-6借助细胞焦亡刺激主动脉夹层的进展:一项基于已有数据库的差异性分析
IL-6 Stimulates Progression of Aortic Dissection with Pyroptosis: A Differential Analysis Based on Existing Databases
DOI: 10.12677/acm.2025.1551668, PDF, HTML, XML,   
作者: 刘芃鑫, 胡昊宇, 王士忠*:青岛大学附属医院心血管外科,山东 青岛;史文艳:济南市第八人民医院医学整形美容部,山东 济南
关键词: IL-6主动脉夹层细胞焦亡生物信息学分析IL-6 Aortic Dissection Pyroptosis Bioinformatics Analysis
摘要: 目的:细胞焦亡是导致主动脉夹层的发生的重要的病理过程。本研究旨在在已有研究的基础上,进一步筛选鉴定与主动脉夹层相关的细胞焦亡的潜在生物学靶点。材料方法:首先,从基因表达综合数据库中筛选mRNA表达谱数据集GSE153434,并使用R软件(4.0.0版)分析与主动脉夹层和细胞焦亡相关的潜在差异表达基因。随后,对选定的候选基因进行蛋白质–蛋白质相互作用分析、基因本体富集分析和京都基因与基因组百科全书通路富集分析等。并最终根据hub基因的排名,筛选出可能的潜在靶向基因。结果:我们通过差异性分析确定了2369个可能与主动脉夹层相关的潜在靶点。通过结合开放的细胞焦亡数据库,我们进一步确认73个细胞焦亡相关的差异基因。蛋白质–蛋白质相互作用网络展示出绝大多数候选靶点存在密切的相互作用。最终我们再次从73个候选的潜在靶点基因中根据蛋白质–蛋白质相互作用网络中的评分,筛选了得分最高的作为关键基因:IL-6。结论:我们的研究鉴定了在主动脉夹层中73个潜在的细胞焦亡相关的差异表达基因。IL-6则可能作为关键枢纽基因参与主动脉夹层的发生。本研究结果可能有助于进一步了解主动脉夹层的发病机制,并指导治疗。
Abstract: Introduction: Pyroptosis is an important pathological process leading to aortic dissection. The aim of this study was to further screen and identify potential biological targets for cell pyrodeath associated with aortic dissection on the basis of previous studies. Material Method: Firstly, the mRNA expression profile dataset GSE153434 was screened from the comprehensive gene expression database, and the potential differentially expressed genes associated with aortic dissection and pyroptosis were analyzed using R software (version 4.0.0). Subsequently, protein-protein interaction analysis, gene ontology enrichment analysis and Kyoto Encyclopedia of Genes and genomes pathway enrichment analysis were performed on the selected candidate genes. Finally, according to the ranking of hub genes, possible potential target genes were screened out. Result: We identified 2369 possible potential targets associated with aortic dissection through differential analysis. By combining the open pyroptosis database, we further identified 73 differential genes associated with pyroptosis. Protein-protein interaction networks show close interactions at most candidate targets. Finally, we again selected the key gene with the highest score from 73 candidate potential target genes according to the score in the protein-protein interaction network: IL-6. Conclusion: Our study identified 73 differentially expressed genes potentially associated with pyroptosis in aortic dissection. IL-6 may be a key gene involved in the occurrence of aortic dissection. The results of this study may contribute to further understanding of the pathogenesis of aortic dissection and guide treatment.
文章引用:刘芃鑫, 胡昊宇, 史文艳, 王士忠. IL-6借助细胞焦亡刺激主动脉夹层的进展:一项基于已有数据库的差异性分析[J]. 临床医学进展, 2025, 15(5): 2691-2709. https://doi.org/10.12677/acm.2025.1551668

1. 介绍

主动脉夹层是一种常见的心血管疾病,以主动脉壁不同成分的分离为特征,发病率和死亡率较高。2019年,美国主动脉夹层的死亡率为每10万人21.3例[1]。吸烟、性别和高血压已被证实会增加患主动脉夹层的风险。根据AD的具体部位可分为Stanford A型(累及主动脉弓或升主动脉)和Stanford B型(剥离始于降主动脉,不累及升主动脉和主动脉弓)。虽然紧急手术干预显著提高了Stanford A型夹层患者的生存率,但近期研究表明,术后住院死亡率仍高达25% [2]。主动脉夹层的现有管理仍有很大的改进潜力[3]。因此,进一步探索主动脉夹层发生发展过程中的治疗靶点和治疗方案势在必行。

细胞焦亡是一种程序性细胞死亡的裂解形式,由称为gasdermins的成孔蛋白执行[4]-[6]。细胞焦亡已被认为与许多心血管疾病的发生有关。例如,IQGAP1促进线粒体损伤和mtDNA传感器cGAS-STING通路的激活,以诱导内皮细胞焦亡,从而导致动脉粥样硬化[7]。而尼古丁则通过介导的内皮细胞焦亡促进动脉粥样硬化[8]。事实上,细胞焦亡在主动脉夹层中也有报道,LILRB4通过调节细胞焦亡和JAK2/STAT3信号通路加速主动脉夹层的发展[9]。但是总体而言,细胞焦亡在主动脉夹层中的相关研究依旧是碎片化的,因为我们希望通过我们的研究推动相关探索。

公开的基因表达数据集GSE153434可在基因表达综合数据库(GEO)获取。该数据集包含20个样本(10个胸主动脉夹层患者的临床样本和10个捐献者的临床样本)。我们之所以选择单一数据库,是不希望多数据库融合导致的批次效应以及不同操作者习惯差异影响我们的研究结果。焦亡基因数据库则是从genecard数据库以“pyroptosis”为关键词检索到613个焦亡相关基因。为了明确我们的研究步骤,我们绘制了流程图(图1)。

Figure 1. Flowchart

1. 流程图

2. 材料方法

2.1. 细胞焦亡相关基因数据集和微阵列数据

GSE153434数据集存在于GPL20795平台主要包含的是:所有的主动脉夹层样本均来自于胸主动脉夹层患者在体外循环期间接受的升主动脉置换手术。正常的升主动脉组织样本来自接受冠状动脉旁路移植手术的患者,无任何主动脉疾病。此数据集是基因表达综合数据库(GEO)的公开数据库。开放的人类细胞焦亡数据库为:https://www.genecards.org/Search/Keyword?queryString=pyroptosis&geneCategories=FunctionalElement,GeneCluster,GeneticLocus,ProteinCoding,Pseudogene,Uncategorized

2.2. 差异表达细胞焦亡相关基因的分析

使用R包“DESeq2”对上述GSE153434数据集进行差异分析(TAAD/Control),差异基因的阈值为|logFC| > 1 &&pvalue < 0.05,差异基因的阈值为|logFC| > 0.5 &&pvalue < 0.05,共能获得2369个差异基因,其中差异上调基因876,差异下调1493个。

2.3. 基因本体论和京都百科全书的基因和基因组通路富集细胞焦亡相关基因的分析

我们对上述得到的差异焦亡基因基于GO、KEGG通路的富集分析,寻找基因集合内大量基因共同的功能及相关通路。使用统计学方法累计超几何分布分析一组基因在某个功能结点上是否过出现(over-presentation),其计算公式如下:

P( X>q )=1 x=1 q ( n x ) Nn Mx N M

其中N为注释系统中基因的总数,n为要考察的结点或通路本身所注释的基因数,M为差异表达基因集大小,x为基因集与结点或通路的交集数目。京都基因与基因组百科全书(KEGG)是了解高级功能和生物系统(如细胞、生物和生态系统),从分子水平信息,尤其是大型分子数据集生成的基因组测序和其他高通量实验技术的实用程序数据库资源,由日本京都大学生物信息学中心的Kanehisa实验室于1995年建立,是国际最常用的生物信息数据库之一,以“理解生物系统的高级功能和实用程序资源库”著称。基因本体论(Gene ontology, GO)系统包括三个部分:生物学过程(biological process, BP)、分子功能(molecularfunctions, MF)、细胞组分(cellular components, CC)。我们使用R包“clusterProfiler”进行GO和KEGG功能富集分析,寻找差异表达基因集合内大量基因共同的功能及相关通路。

2.4. 差异表达细胞焦亡相关基因的蛋白质–蛋白质相互作用及相关性分析

蛋白质相互作用网络是以蛋白质作为节点,参与同一代谢途径、生物学过程、结构复合体、功能关联或蛋白质间的物理接触作为边的网络。目前来讲,蛋白质互作网络是被研究最充分的生物分子网络之一。蛋白质是组成生物体并行使生物功能的重要生物大分子。蛋白质通过相互作用构成网络来参与生物信号传递、基因表达调节、能量和物质代谢及细胞周期调控等生命过程的各个环节。因此,蛋白质互作网络对于理解细胞网络结构及功能,以及疾病发生发展的基础至关重要。为了探究差异基因之间是否存在互作关系,我们利用STRING (https://string-db.org)网站置信度为0.4 (Confidence = 0.4),预测交集基因的互做关系,得59个蛋白的互作网关系,包括310条互做关系。

2.5. 统计分析

使用R软件(4.0.0版)对生物信息学数据进行统计分析。学生t检验用于评估临床样本中的基因表达水平。P值 < 0.05表示差异具有统计学意义。

3. 结果

3.1. 主动脉夹层中基因差异表达的回顾性分析

分析共能获得2369个差异基因,其中差异上调基因876,差异下调1493个。为了更好地查看差异基因的分布,我们绘制了差异基因的火山图以及热图(图2(a)图2(b))。

3.2. 主动脉夹层中差异表达基因与细胞焦亡数据库交集

我们将上述得到的差异基因分别以上下调分开与焦亡基因(613)取交集,其中差异上调的基因共能取到41个交集,差异下调的基因共能取到32个交集。共有73个差异焦亡基因(图3(a)图3(b))。

(a)

(b)

(a)为GSE153434差异性分析的火山图,横坐标为log2FC值,纵坐标为−log10 (P.value值。图中每个点代表一个基因,红色的点表示其基因表达量是显著上调的(TAAD相对于Control),蓝色的点表示其基因表达量是显著下调的(TAAD相对于Control),灰色的点表示这些基因没有显著差异,图中标注出前10差异的基因(P.value排序);(b)为GSE153434差异性分析的热图,红色的图块表示其基因表达量是显著上调的(TAAD相对于Control),蓝色的图块表示其基因表达量是显著下调的(TAAD相对于Control),颜色越深表示差异越大。

Figure 2. Difference analysis of GSE153434

2. GSE153434差异性分析

(a)

(b)

(a)为差异上调的差异基因的韦恩图,共能取到41个交集;(b)为差异下调的基因共能取到32个交集。

Figure 3. Intersection venn diagram of differentially expressed genes and pyroptosis database in aortic dissection

3. 主动脉夹层中差异表达基因与细胞焦亡数据库的交集韦恩图

3.3. 候选的73个细胞焦亡相关基因的基因本体富集分析

基因本体富集分析(GO)的结果显示候选基因们的功能在生物过程方面主要集中于白细胞介素-1 β产生的负调控过程(图4)。而在细胞构成方面则主要参与典型炎性体复合体和内吞囊泡膜的构成。在分子功能方面,候选基因们则主要与孔隙通道活性维持有关。另一方面,我们同时也进行了京都基因与基因组百科全书(KEGG)基因富集分析,发现主要参与了AGE-RAGE信号通路的传导(图4)。

图4包含GO分析和KEGG分析,横坐标为注释通路的基因个数,纵坐标为通路,颜色是以P.adjust的值来决定的。

Figure 4. Bubble map of functional enrichment analysis of pyroptosis-related genes in aortic dissection

4. 主动脉夹层中细胞焦亡相关基因的功能富集分析气泡图

3.4. 蛋白质–蛋白质相互作用网络分析

蛋白质–蛋白质相互作用网络(PPI Protein-protein interaction)分析显示大部分候选基因中存在着密切的相互作用(图5)。而互作桥对位列前十的hub基因则是:IL-6、GAPDH、PPARG、JUN、ICAM1、MUC1、PTGS2、PECAM1、SPP1和TLR2 (图6)。其中得分最高的为IL-6,因此我们确定IL-6为关键候选基因(所有基因的桥对数量可见附录补充材料1)。

每一个圆点代表一个差异表达的主动脉夹层中细胞焦亡相关的候选基因,蓝色代表显著下调的候选基因,红色代表显著上调的候选基因,与其他候选基因间的桥对越多,则基因的分越高。

Figure 5. PPI interaction grid of pyroptosis-related genes in all aortic dissections

5. 所有主动脉夹层中细胞焦亡相关基因的PPI互作网格图

每一个圆点代表一个差异表达的主动脉夹层中细胞焦亡相关的候选基因,蓝色代表显著下调的候选基因,红色代表显著上调的候选基因,与其他候选基因间的桥对越多,则基因的分越高。

Figure 6. PPI interaction grid of pyroptosis-related genes in the top 10 aortic dissections

6. 得分前10的主动脉夹层中细胞焦亡相关基因的PPI互作网格图

4. 讨论

主动脉夹层是一种及其凶险的主动脉疾病,其特征是主动脉结构性损伤导致血管假腔的形成[10]。一旦假腔破裂则会导致灾难性的后果。在对主动脉夹层中细胞焦亡相关的潜在候选基因进行基因本体富集分析时,发现其功能主要聚焦于炎症。实际上,炎症被认为是参与主动脉夹层发生发展的重要生物学过程[11] [12]。尤其在主动脉夹层发生的起始阶段,炎症被认为是导致内膜的损伤的重要原因[11] [13] [14]。而焦亡本身也是实际上与炎症密切相关。例如炎症反应可以通过进一步刺激pyrin结构域蛋白3 (NLRP3)炎症小体的形成,最终激活了caspase-1相关的细胞焦亡[15] [16]。而这一生物学过程已被证实,可能发生在主动脉夹层中[16]。而富集分析也指出候选基因参与孔隙通道活性维持。这也并不奇怪,因为细胞焦亡本质就是导致质膜上形成环状孔,最终这种孔洞的累计导致了细胞死亡[14]

IL-6是一种多效性四螺旋束细胞因子,当体内平衡被感染或组织损伤破坏时,IL-6会立即产生,并通过激活急性期和免疫反应来帮助宿主抵御这种紧急压力[17] [18]。IL-6被认为与主动脉夹层的关系非常密切[19]。IL-6可以通过参与炎症反应来加速主动脉夹层的发生发展,同时也被认为是可以预测主动脉夹层炎症进展的重要分子,而IL-6也被认为有其他作用[20]-[22]。例如IL-6能够上调内皮细胞中的DMT1来加速细胞铁过载,促进主动脉夹层的进展[23]。另一个证据是,在主动脉相关疾病中,IL-6的表达量要高于其参与炎症的预测量,这也说明IL-6参与一些未知功能[24]。因此IL-6能够参与细胞焦亡也就不足为奇了。有研究指出包括IL-6在内的炎症因子能够藉由NLRP3、NLRP1、NLRC4和AIM2炎性小体激活细胞的焦亡机制[25]。例如尿石素A通过抑制NF-kappaB激活,降低了IL-6的表达,抑制了细胞焦亡的发生,最终抵御了骨质疏松症[26]。尽管IL-6被证实能够作为主动脉夹层炎症相关的不良事件的预测因素,但是到目前为止似乎少有研究指出IL-6与主动脉夹层中细胞焦亡的联系[19]。而主动脉夹层的形成与细胞丢失密切相关。而我们的研究可能将IL-6与这一切联系起来。

本研究存在一些局限性。目前我们并没有具体的机制研究探索IL-6在主动脉夹层中细胞焦亡的作用,我们目前正在搜集相关的临床样本,并打算在后续研究中补充这一点。

附 录. 补充材料1

基因桥对一侧基因

基因桥对另一测基因

ACE2

TLR2

ACE2

ICAM1

ACE2

PPARG

ACE2

NLRP3

ACE2

PTGS2

ACE2

GAPDH

ACE2

IL6

ACTN4

SPTBN1

ACTN4

ICAM1

ACTN4

GAPDH

ADIPOQ

TLR2

ADIPOQ

ICAM1

ADIPOQ

PPARG

ADIPOQ

CEBPB

ADIPOQ

FGF5

ADIPOQ

PTGS2

ADIPOQ

JUN

ADIPOQ

FNDC5

ADIPOQ

ALPL

ADIPOQ

SPP1

ADIPOQ

GAPDH

ADIPOQ

IL6

ADIPOQ

PECAM1

ADORA2B

ADRB2

ADRB2

NFKBIA

ADRB2

ICAM1

ADRB2

PPARG

ADRB2

TACR1

ADRB2

GAPDH

ADRB2

PTGS2

ADRB2

LDLR

ADRB2

IL6

ALPL

TREM1

ALPL

PPARG

ALPL

GAPDH

ALPL

SPP1

ANXA3

PTGS2

ANXA3

SERPINB1

BCL6

NFKBIA

BCL6

TLR2

BCL6

BIRC3

BCL6

CEBPB

BCL6

PTGS2

BCL6

JUN

BCL6

KLF4

BCL6

GAPDH

BCL6

NR4A1

BCL6

IL6

BHLHE40

JUN

BHLHE40

CEBPB

BIRC3

NFKBIA

BIRC3

TNFSF10

BIRC3

CDK1

BIRC3

PTGS2

BIRC3

JUN

BIRC3

NLRC4

BIRC3

MUC1

BIRC3

IL6

BIRC3

MLKL

BIRC3

ICAM1

BIRC3

CASP4

BIRC3

CASP10

BIRC3

GAPDH

CA9

FLT1

CA9

IL6

CA9

SPP1

CA9

MUC1

CA9

GAPDH

CA9

PECAM1

CASP10

TNFSF10

CASP10

IL6

CASP10

MLKL

CASP10

CASP4

CASP4

TNFSF10

CASP4

TLR2

CASP4

MLKL

CASP4

NLRP6

CASP4

NLRP3

CASP4

GAPDH

CASP4

NLRC4

CASP4

IL6

CD55

TLR2

CD55

ICAM1

CD55

PLAUR

CD55

VEGFA

CD55

PECAM1

CD55

IL6

CDK1

NFKBIA

CDK1

ICAM1

CDK1

MELK

CDK1

DNMT3B

CDK1

JUN

CDK1

TXN

CDK1

IL6

CDK1

GAPDH

CEBPB

NFKBIA

CEBPB

TLR2

CEBPB

ICAM1

CEBPB

PPARG

CEBPB

MUC1

CEBPB

GAPDH

CEBPB

NR4A1

CEBPB

PTGS2

CEBPB

KLF4

CEBPB

IL6

CEBPB

JUN

CLEC5A

NFKBIA

CLEC5A

TREM1

CLEC5A

TLR2

CLEC5A

NLRC4

VEGFA

TNFSF10

VEGFA

FLT1

VEGFA

FGF5

VEGFA

MUC1

VEGFA

IL6

VEGFA

PECAM1

VEGFA

PGF

VDR

GAPDH

VDR

IL6

VDR

DNMT3B

VDR

PPARG

VDR

TLR2

DNMT3B

IL6

DNMT3B

KLF4

DNMT3B

GAPDH

DNMT3B

JUN

DUOX1

GAPDH

DUOX1

JUN

DUOX1

IL6

DUOX1

TXN

FGF5

ICAM1

FGF5

FLT1

FGF5

PPARG

FGF5

PTX3

FGF5

PTGS2

FGF5

JUN

FGF5

SPP1

FGF5

KLF4

FGF5

GAPDH

FGF5

PGF

FGF5

IL6

FGF5

PECAM1

FLT1

ICAM1

FLT1

JUN

FLT1

S100A9

FLT1

SPP1

FLT1

PTGS2

FLT1

GAPDH

FLT1

IL6

FLT1

PPARG

FLT1

PECAM1

FLT1

PGF

FNDC5

PPARG

FNDC5

IL6

GAPDH

NFKBIA

GAPDH

TNFSF10

GAPDH

TLR2

GAPDH

ICAM1

GAPDH

PPARG

GAPDH

MLKL

GAPDH

NLRP3

GAPDH

PLAUR

GAPDH

TSLP

GAPDH

PTGS2

GAPDH

S100A9

GAPDH

JUN

GAPDH

TXN

GAPDH

KLF4

GAPDH

SPP1

GAPDH

NR4A1

GAPDH

SOX10

GAPDH

MUC1

GAPDH

PECAM1

GAPDH

IL6

ICAM1

NFKBIA

ICAM1

TNFSF10

ICAM1

TREM1

ICAM1

TLR2

ICAM1

S100A9

ICAM1

KLF4

ICAM1

TSLP

ICAM1

PTX3

ICAM1

PGF

ICAM1

PLAUR

ICAM1

SPP1

ICAM1

NLRP3

ICAM1

PPARG

ICAM1

JUN

ICAM1

PTGS2

ICAM1

PECAM1

ICAM1

IL6

ICAM1

MUC1

IFI27

TNFSF10

IFI27

NR4A1

IL18R1

TSLP

IL18R1

IL6

IL6

NFKBIA

IL6

PANX1

IL6

TNFSF10

IL6

TREM1

IL6

TLR2

IL6

PPARG

IL6

PTX3

IL6

TACR1

IL6

MLKL

IL6

NLRP6

IL6

NLRP3

IL6

PLAUR

IL6

TSLP

IL6

PTGS2

IL6

S100A9

IL6

JUN

IL6

TXN

IL6

KLF4

IL6

SPP1

IL6

NLRC4

IL6

PGF

IL6

NR4A1

IL6

PECAM1

IL6

MUC1

JUN

NFKBIA

JUN

TNFSF10

JUN

TLR2

JUN

PPARG

JUN

MELK

JUN

MLKL

JUN

NLRP3

JUN

PTGS2

JUN

PECAM1

JUN

SOX10

JUN

SPP1

JUN

MAP2K6

JUN

TXN

JUN

KLF4

JUN

MUC1

JUN

NR4A1

KLF4

TLR2

KLF4

PPARG

KLF4

PLAUR

KLF4

PTGS2

KLF4

NR4A1

KLF4

PECAM1

KLF4

MUC1

LDLR

TACR1

MAP2K6

TXN

MLKL

NFKBIA

MLKL

TNFSF10

MLKL

NLRC4

MLKL

NLRP3

MUC1

NFKBIA

MUC1

TLR2

MUC1

PPARG

MUC1

PTGS2

MUC1

SPP1

MUC1

PECAM1

NFKBIA

TXN

NFKBIA

TNFSF10

NFKBIA

PECAM1

NFKBIA

PLAUR

NFKBIA

PPARG

NFKBIA

NLRP3

NFKBIA

TLR2

NFKBIA

PTGS2

NLRC4

PANX1

NLRC4

TLR2

NLRC4

NLRP6

NLRC4

NLRP3

NLRC4

PTGS2

NLRP3

PANX1

NLRP3

TREM1

NLRP3

TLR2

NLRP3

PPARG

NLRP3

NLRP6

NLRP3

PTGS2

NLRP3

TXN

NLRP6

TLR2

NR4A1

PPARG

NR4A1

PTGS2

PECAM1

TLR2

PECAM1

PPARG

PECAM1

PLAUR

PECAM1

PTGS2

PECAM1

S100A9

PECAM1

SPP1

PECAM1

SOX10

PECAM1

PGF

PGF

SPP1

PLAUR

TREM1

PLAUR

SPP1

PLAUR

PTGS2

PPARG

TLR2

PPARG

TXN

PPARG

SPP1

PPARG

PTGS2

PTGS2

TNFSF10

PTGS2

TREM1

PTGS2

TLR2

PTGS2

PTX3

PTGS2

TXN

PTGS2

SPP1

PTX3

TLR2

PTX3

SPP1

S100A9

TREM1

S100A9

TLR2

S100A9

SPP1

SPP1

TLR2

TACR1

TSLP

TLR2

TNFSF10

TLR2

TREM1

TLR2

TSLP

NOTES

*通讯作者。

参考文献

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