CN107022605B - 一种活动性肺结核的生物标志物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物标志物技术领域,具体涉及一种活动性肺结核的生物标志物。该活动性肺结核的生物标志物,选自以下的六个circRNAs中的至少一种:hsa_circ_0005836,hsa_circ_0009128,hsa_circ_0003519,hsa_circ_0023956,hsa_circ_0078768,hsa_circ_0088452。其中,尤其以hsa_circ_0005836的表达下调最明显。该活动性肺结核的生物标志物能够作为治疗靶点,利于新药开发。

Description

一种活动性肺结核的生物标志物
技术领域
本发明涉及生物标志物技术领域,具体涉及一种活动性肺结核的生物标志物。
背景技术
上世纪末以来,结核病死灰复燃,再次成为严重威胁人类健康的公共卫生问题。近年来,尽管结核病发展趋势得到遏制,但每年新发病例数仍高居不下。世卫组织的最新数据显示,2016年,结核病造成150万人死亡,其中男性约89万,女性48万,儿童14万。近年来,尽管几乎所有病例最终都可以治愈,但活动性肺结核(active pulmonarytuberculosis,APTB)仍然是人类最大的威胁之一,在公共卫生领域具有重大意义。未来的目标应该集中在降低活动性肺结核的发病率,而不仅仅是新药物开发。早期准确诊断和即时治疗是结核病控制的关键。目前,痰标本涂片镜检和痰培养仍是临床诊断TB使用的最广泛的工具,但痰标本涂片镜检容易漏检;痰培养耗时太长,很难用于TB的筛检。因此,寻找并建立一种快速,灵敏和有效的肺结核诊断和鉴定方法,是防止结核病快速传播的最有效措施。
环状RNA(circRNA)是一类新型的非编码RNA分子,其3’和5’末端共价连接形成闭环结构。在真核生物中,circRNAs通常被认为是错误剪接事件的产物。但是最近,随着高通量RNA测序(RNA-seq)方法的应用和生物信息学的发展,一些研究证明它们实际上是动物中一类含量丰富且稳定存在的RNA集,可能具有重要的生物学功能。最新研究表明,circRNA分子富含microRNA(miRNA)识别元件(MRE),可以充当miRNA海绵,如CDR1as(ciRS-7)和SRY。它们可以识别并结合miRNA,增加靶基因的表达水平。通过与与疾病相关的miRNA相互作用,circRNA在疾病的发生和发展中起关键作用。circRNAs比线性RNA更稳定和具有更长的半衰期。它们的高丰度,稳定和易获得的特性表明circRNAs可以作为疾病诊断的生物标志物分子。研究发现,cANRIL的表达可能与INK4/ARF的转录和心血管硬化的风险相关。hsa_circ_002059在胃癌组织中显着下调,已被用作胃癌诊断的潜在生物标志物。hsa_circ_0005075是肝细胞癌的诊断和治疗的潜在靶标。Li和Zhang等人的研究发现,circ-ITCH可用作食管癌临床诊断的生物标志物。
活动性肺结核是一种慢性传染病,由结核分枝杆菌(Mtb)感染引起,其主要感染在肺部巡逻的先天免疫细胞。在先天免疫反应中发挥重要作用的单个核细胞是控制结核病感染的关键。活化的单核细胞具有通过分泌促炎细胞因子如IFN- γ和TNF-α来预防Mtb感染的能力,并且通过溶酶体杀死Mtb,并且对T淋巴细胞起抗原呈递细胞的作用,触发细胞免疫反应。
因此,亟需寻求一种活动性肺结核的生物标志物,以利于新药的开发。
发明内容
本发明的目的之一在于针对现有技术的不足,提供一种活动性肺结核的生物标志物,该活动性肺结核的生物标志物作为治疗靶点,利于新药开发。
本发明的目的之二在于针对现有技术的不足,提供一种用于治疗活动性肺结核的药物。
本发明的目的之三在于针对现有技术的不足,提供一种用于预测活动性肺结核对象是否会受益于辅助治疗的试剂盒。
为了实现上述目的之一,本发明采用如下技术方案:
提供一种活动性肺结核的生物标志物,选自以下的六个circRNAs中的至少一种:hsa_circ_0005836,hsa_circ_0009128,hsa_circ_0003519,hsa_circ_0023956, hsa_circ_0078768,hsa_circ_0088452。
所述六个circRNAs中,所述hsa_circ_0005836的表达下调最明显。
所述hsa_circ_0005836的表达下调了3.027倍,其中,P<0.0001。
所述生物标志物指示早期活动性肺结核。
为了实现上述目的之二,本发明采用如下技术方案:
提供一种用于治疗活动性肺结核的药物,所述药物是以上述所述的一种活动性肺结核的生物标志物作为治疗靶点而开发的药物。
为了实现上述目的之三,本发明采用如下技术方案:
提供一种用于预测活动性肺结核对象是否会受益于辅助治疗的试剂盒,其特征在于:所述试剂盒包括用于测量上述所述的一种活动性肺结核的生物标志物的表达的多种试剂,以及包括分析所述表达和产生风险评分以预测患者是否会受益于辅助治疗的工具。
本发明与现有技术相比较,有益效果在于:
(1)本发明提供的一种活动性肺结核的生物标志物,选自以下的六个 circRNAs中的至少一种:hsa_circ_0005836,hsa_circ_0009128,hsa_circ_0003519, hsa_circ_0023956,hsa_circ_0078768,hsa_circ_0088452。其中,尤其以 hsa_circ_0005836的表达下调最明显。该活动性肺结核的生物标志物能够作为治疗靶点,利于新药开发。
(2)本发明提供一种用于治疗活动性肺结核的药物,该药物是以生物标志物hsa_circ_0005836、hsa_circ_0009128、hsa_circ_0003519、hsa_circ_0023956、 hsa_circ_0078768或hsa_circ_0088452中的一种作为治疗靶点而开发的药物,其中,尤其以hsa_circ_0005836作为治疗靶点而开发的药物。
附图说明
图1是circRNA鉴定及序列特征分析图。其中,A:circRNA两端的双核苷酸模型表征;B:circRNA的顺式作用元件序列特征Motif-LOGO预测图。
图2是在APTB和HC组PMSCs中circRNAs的差异表达模型图。其中,A:遍及circRNAs的表达范围观察circRNA在PBMCs中的富集;B:通过无监测层次聚类分析样本中circRNA的表达的相似性;C-D:APTB患者和HC的PBMCs中 circRNAs的显著性差异表达。
图3是qRT-PCR分析APTB和HC的PBMCs中circRNAs的差异表达结果图。其中,A-B:qRT-PCR验证6个差异表达的circRNAs(circ_0005836,circ_0009128, circ_0003519,circ_0023956,circ_0078768和circ_0088452);C-D:qRT-PCR验证 circRNAs circ_0005836和circ_0009128的差异表达。
图4是circRNA与miRNA相互作用网络图。
图5是差异表达circRNAs的circRNA-miRNA-mRNAs网络富集分析图。其中,A:TB感染期间GO目录中涉及circRNA-miRNA-mRNAs网络的丰富生物学过程; B:TB感染期间circRNA-miRNA-mRNAs网络的KEGG分析。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
其中,本发明提及的DMEM是一种含各种氨基酸和葡萄糖的培养基。
实施例1。
一种活动性肺结核的生物标志物,选自以下的六个circRNAs中的至少一种: hsa_circ_0005836,hsa_circ_0009128,hsa_circ_0003519,hsa_circ_0023956, hsa_circ_0078768,hsa_circ_0088452。
其中,上述六个circRNAs中,hsa_circ_0005836的表达下调最明显。
其中,hsa_circ_0005836的表达下调了3.027倍,其中,P<0.0001。
其中,上述生物标志物指示早期活动性肺结核。
实施例2。
一种用于治疗活动性肺结核的药物,该药物是以实施例1的一种活动性肺结核的生物标志物作为治疗靶点而开发的药物。
实施例3。
一种用于预测活动性肺结核对象是否会受益于辅助治疗的试剂盒,其特征在于:所述试剂盒包括用于测量实施例1的一种活动性肺结核的生物标志物的表达的多种试剂,以及包括分析所述表达和产生风险评分以预测患者是否会受益于辅助治疗的工具。
实验:
一、临床样本的收集及PBMCs的提取
1.临床样本的收集
分别收集45例活动性肺结核(APTB)患者和45例健康志愿者(HV)外周血标本,作为实验组和健康对照组,其人口学特征和临床基线特征如表2。两组间年龄和性别比较差异无统计学差异(P>0.05)。
2.外周血单个核细胞(PBMCs)的提取
PBMCs的提取主要参考文献(Zeng and Lin et al.,2014)的步骤处理。收集每个受试者外周血约5ml于含柠檬酸葡萄糖(ACD)的血液收集管中,通过标准Ficoll (GEHealthcare,Little Chalfont,英国)密度梯度离心法分离新鲜血液中PBMCs。用台盼蓝排斥实验(所有实验>95%)测定细胞活力,然后将PBMCs保存于液氮中便于下述的实验。
二、PBMCs中Total RNA的高通量测序
1.PBMCs中总RNA的提取
根据制造商的方案,用Triple试剂(Invitrogen,美国)提取分离自5个APTB 患者和5个HC的PBMCs样品中的总RNA,并重悬于不含RNase的水中,并用无 RNA酶的DNA酶处理以除去痕量的基因组DNA。通过NanoDrop ND-2000C分光光度计(Thermo,美国)测定总RNA的量。通过琼脂糖凝胶电泳评估RNA的完整性。
2.高通量测序
用Epicentre Ribo-Zero试剂盒(Epicentre,美国)处理总RNA以去除所有核糖体RNA,并用RNase R(Epicentre,美国)消化以去除所有线性RNA,从而得到纯的环状RNA。然后,根据Illumina标准规程,用
Figure DEST_PATH_GDA0001336945320000051
UltraTM Directional RNA文库制备试剂盒(Illumina,美国)处理富集的环状RNA。主要步骤涉及: circRNA的片段化,逆转录和第二链cDNA合成,末端修复,dA-tailing和适配体连接。纯化反应产物并通过PCR扩增以产生最终的环状RNA cDNA文库。文库在 Illumina HiSeq2500平台(Illumina,美国)上paired-end测序。
3.质量控制
用质量控制软件FastQC(http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/ fastqc/)分析测序的质量。
4.circRNA的鉴定及注释
我们采用了一系列综合计算工具来鉴定和注释来自RNA-seq读取的 circRNAs。第一步是转录组装。使用TopHat软件(版本2.0.10)将每个样品的纯序列读数映射到UCSC人参照基因组。对于每个样品,使用基于已知转录物的位置的StringTie软件组装比对文件,并且在没有一个阅读匹配的情况下过滤转录物,并确保配对序列的长度为125bp。索引文件是从用于与参考基因组序列和全基因组序列比较的BWA(版本2.1.0)软件生成的。在第二步中,我们使用CIRI 软件(https://sourceforge.net/projects/ciri/)鉴定环状RNA,其通过采用de novo 算法来提供用于circRNA检测的独立注释方法。CIRI通过成对剪切信号的存在来鉴定circRNA,其中一个连接读数的两个片段以相反的顺序map到参考基因组。所有circRNA候选物与收集物连接在一起。如果这些候选物被map到已知基因的外显子区域,则搜索潜在circRNA的前部和后部区域中的外显子区域并构建 circRNA以确定circRNA转录物的方向。如果将circRNA候选物的读取map到基因间基因组区域,则使用cufflinks软件将circRNA区域中的外显子进行局部装配以构建circRNA转录物序列。我们进一步验证了基于GT-AG剪接信号在环形RNA 两端的两个碱基中的存在预测circRNAs的准确性。为了分析这些circRNAs的顺式作用元件序列特征,将1kb序列在中断的环状RNA的两端作为候选序列延伸。通过MEME软件(http://meme.nbcr.net/meme/cgi-bin/meme.cgi)分析前50个序列用于基序分析。
三、circRNAs的差异表达分析
1.差异表达分析
用百万映射读数(BSRP)中back-splice读数将每个样品中的环状RNA的表达值标准化。将来自APTB患者和HV的PBSC的数据分别合并,便于DESEQ软件进行比较。将两组之间差异表达的circRNA以|log 2倍变化≥1.0且假发现率(FDRs) ≤0.05作为标准进行过滤。我们绘制了一个箱形图,以便快速可视化归一化后所有数据集的强度分布,发现log2比率的分布在所有测试样品中都是相似的(图 2A)。为了假设样品之间的关系,我们使用无监督层次聚类分析circRNA表达。聚类分析基于其表达水平的差异和样品之间的假设关系将样品分成不同的组。分层聚类的结果如图2B。散点图用于导出涉及样品中2.0倍变化的一般数据(图 2C)。进行火山图以显现APTB和健康对照组之间的差异表达。在火山图和热图 (图2D)中显示出circRNAs在两种不同条件之间的显着差异(倍数变化>2.0,P 值<0.05)。RNA-seq数据显示APTB和HC之间有523个circRNAs存在显著差异表达,其中199个circRNAs上调,324个circRNAs下调。
2.qRT-PCR验证差异表达的circRNAs
用qRT-PCR检测10例APTB患者和10例HC样品中显着差异表达的circRNAs hsa_circ_0005836,hsa_circ_0009128,hsa_circ_0003519,hsa_circ_0023956, hsa_circ_0078768,hsa_circ_0088452的表达(倍数变化>20,P值<0.05),我们发现hsa_circ_0023956和hsa_circ_0078768在APTB患者中显着降低(图3A和B)。接下来,我们进一步用34例APTB患者和30例HC验证hsa_circ_0005836和 hsa_circ_0009128两个circRNAs。发现与健康对照组相比,APTB患者中 hsa_circ_0005836的表达下调了3.027倍(P<0.0001),这与RNA-seq结果一致 (图3C和D)。因此选择外周血单个核细胞中hsa_circ_0005836作为APTB患者的潜在诊断生物标志物进行下一步的研究。
四、circRNA-miRNA-mRNA相互作用调控网络分析
1.差异表达circRNAs靶miRNA预测
为了研究所鉴定的circRNAs的功能注释,我们使用miRanda软件评估了 miRNA序列和预测的circRNA之间的可能的相互作用。miRanda算法是 miRNA-circRNA序列匹配得分和能量稳定性评估的组合。该算法使用动态规划算法来搜索miRNA与环形RNA序列互补并稳定形成双链区的区域。阈值参数为S> 140、ΔG<-10kcal/mol和严格5'子配对。从上述分析中鉴定出基于P值分选信息的前20种假定的靶miRNA,产生circRNA-miRNA网络以使相互作用可视化。来自序列分析的结果如图4,其显示每个预测的miRNA与所有差异表达的circRNAs 的所有可能的相互作用。
2.circRNA-miRNA-mRNA网络的功能富集分析
为了证明基因本体论(GO)或分子通路富集,我们使用Annotation、Visualization和Integrated Discovery(DAVID)数据库(http://david.abcc.ncifcrf.gov/) 来确定最有效注释和分类的显着性差异表达的circRNA靶基因。此外,使用基因和基因组京都百科全书(KEGG)(http://www.genome.ad.jp/kegg/)来注释和分类通路中差异表达的circRNA的靶基因的功能,结果如图5。
五、本发明的应用方面如下:
1、本发明证明了PBMCs circRNA hsa_circ_0005836在APTB患者中显著性的下调。因此,利用qRT-PCR方法检测hsa_circ_0005836在APTB患者中的表达情况可以对疾病进行诊断。
2、hsa_circ_0005836可作为APTB患者疾病诊断的生物标志物。
3、hsa_circ_0005836可用于APTB患者治疗的作用靶点,利于新药的开发。
表1用于qRT-PCR分析的引物序列列表
Figure DEST_PATH_GDA0001336945320000071
Figure DEST_PATH_GDA0001336945320000081
表2各组研究对象的人口学和临床特征
Groups APTB(n=45) HC(n=45)
Age(Mean±SEM,years) 34.3±1.4(16~65) 38.1±1.9(20~68)
Female/Male 16/29 20/25
Sputumsmear(+/-) 17/28 0/45
表3 RNA-seq数据的质量测试及比对分析结果
Figure DEST_PATH_GDA0001336945320000082
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.hsa_circ_0005836在制备用于诊断活动性肺结核的试剂盒中的应用。
2.根据权利要求1所述的hsa_circ_0005836在制备用于诊断活动性肺结核的试剂盒中的应用,其特征在于:所述hsa_circ_0005836的表达下调明显。
3.根据权利要求2所述的hsa_circ_0005836在制备用于诊断活动性肺结核的试剂盒中的应用,其特征在于:所述hsa_circ_0005836的表达下调了3.027倍,其中,P<0.0001。
4.根据权利要求1所述的hsa_circ_0005836在制备用于诊断活动性肺结核的试剂盒中的应用,其特征在于:所述生物标志物指示早期活动性肺结核。
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