CN111128299B - 一种结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法,基于高通量测序数据通过生物信息学整合分析筛选得到,包括:对收集的4个结直肠癌基因表达数据集进行差异基因表达分析,筛选共有的差异表达基因;通过String和Cytoscape软件,构建蛋白质‑蛋白质相互作用网络,结合相应基因的生存分析筛选得到关键基因,根据关键基因对上游miRNA进行预测分析,对上游miRNA进行结直肠癌病人生存分析,筛选出与预后显著相关的miRNA。基于miRNA进行相互作用的lncRNA筛选分析,筛选出与预后显著相关的lncRNA。将得到的关键基因(hub gene),miRNA,lncRNA通过其相互作用关系构建ceRNA网络,并根据lncRNA,miRNA和hub gene在COAD中的表达趋势进行评估,得到与COAD预后显著相关的ceRNA调控网络。
Description
技术领域
本发明属于医药技术领域,具体涉及一种结直肠癌预后显著相关ceRNA调 控网络的构建方法。
背景技术
结肠癌是世界上最常见的恶性肿瘤之一。结直肠癌(COAD)在全球男性和 女性估计病例和死亡排名中都能到达前三名,并且结肠癌的发病率和死亡率迅速 上升。约20%-25%的结直肠癌患者在诊断时出现转移性疾病,20%-25%的患者在 诊断后出现转移,总体死亡率相对较高,为40%-45%。在中国结直肠癌的发病率 和死亡率仍然在所有癌症中排名靠前。
众所周知,癌症的治疗一直都是现代医学领域难以攻克的难点,传统的治疗 手段由于癌细胞随血液扩散导致很难彻底杀死癌细胞。结肠癌是一种多分子突变 的异质性疾病。它很少单独归因于一个或几个基因组突变。到目前为止,还没有 单一的基因“驱动”被报道在评估侵袭性疾病方面有优势。因此,识别有效的预后 标志物对于个体化治疗至关重要。此外,探索生物标志物的潜在调控网络对于开 发有效的治疗至关重要。
近几年来,越来越多的证据揭示了mRNA-miRNA-lncRNA调控网络在多种 人类癌症中具有重要的调控作用。许多研究指出,ceRNA网络可能是结直肠癌预 后的一个标志。因此利用mRNA-miRNA-lncRNA相互作用关系为疾病的早期诊 断,设计靶向药物进行精准治疗,对癌症的靶向治疗及个体化精准医疗有重要的 意义。
尽管,越来越多的证据揭示mRNA-miRNA-lncRNA调控网络在多种人类癌 症中发挥重要作用。然而,在癌症预后相关的mRNA-miRNA-lncRNA调控网络 研究仍然缺乏,特别是基于大数据的研究方法。
发明内容
目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种结直肠癌预后显著 相关ceRNA调控网络的构建方法。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种结直肠癌(COAD)预后显著相关ceRNA(内源竞争RNA)调控网络 的构建方法,包括:
步骤1)从NCBI GEO数据库中筛选出3个符合条件的结直肠癌基因表达数 据集,下载TCGA数据库中结直肠癌的基因表达数据、miRNA表达数据和结直 肠癌的临床信息;
步骤2)分别对GEO的3个结直肠癌基因表达数据集、TCGA数据库中结直 肠癌的基因表达数据进行差异基因表达分析,得到4组差异表达基因;取4组差 异表达基因的交集,得到共有的差异表达基因;
步骤3)根据步骤2)得到的共有的差异表达基因,构建蛋白质-蛋白质相互 作用网络(PPI网络);根据PPI网络中的重要模块和基因的连接度(degree)并 结合单基因生存分析,筛选出关键基因(hub gene);
步骤4)根据步骤3)得到的关键基因(hub gene),进行预测得到关键基因 (hubgene)的上游miRNA,并基于上游miRNA表达数据和结直肠癌的临床信 息进行生存分析,筛选出与结直肠癌预后显著相关的miRNA;
步骤5)根据步骤4)得到的miRNA,进行预测得到与结直肠癌预后显著相 关的miRNA的上游lncRNA,并基于上游lncRNA表达数据和结直肠癌的临床信 息进行生存分析,筛选出与结直肠癌预后显著相关的lncRNA;
步骤6)基于得到的关键基因(hub gene)、与结直肠癌预后显著相关的miRNA、lncRNA,根据其相互作用关系构建ceRNA网络;
步骤7)基于步骤6)得到的ceRNA网络,并根据与结直肠癌预后显著相关 的lncRNA、miRNA和关键基因(hub gene)在结直肠癌中的表达趋势进行评估, 得到最终的结直肠癌预后显著相关的ceRNA调控网络。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤1)中,所述的结直肠癌基因表达数据集,是从GEO数据库中搜索的数 据集,经过条件筛选得到,筛选条件为:同时包含结直肠癌的癌组患者和对照组 患者;每个数据集为一个数据矩阵,行名为基因名称,列名为样本名称。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤2)中,分别对GEO的3个结直肠癌基因表达数据集、TCGA-COAD 的基因表达数据进行差异基因表达分析,得到4组差异表达基因,包括:
对于GEO的3个结直肠癌基因表达数据集,利用GEO在线差异表达分析工 具GEO2R分别进行差异基因表达分析,得到3组差异表达基因;
对于TCGA-COAD的基因表达数据,利用R软件limma包进行差异基因表 达分析得到1组差异表达基因;
上述差异基因表达分析的阈值条件均设置为:|log2FC|>1,且FDR<0.05; FC为(fold change)差异倍数,FDR(False discovery rate)伪发现率;满足阈值条 件的基因为差异表达基因。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤3)根据步骤2)得到的共有的差异表达基因,构建蛋白质-蛋白质相互 作用网络(PPI网络);根据PPI网络中的重要模块和基因的连接度(degree)并 结合单基因生存分析,筛选出关键基因(hub gene);包括:
基于共有的差异表达基因,通过STRING数据库(https://string-db.org/),分 别构建共有的上调基因的蛋白质-蛋白质相互作用网络(PPI网络)和下调基因的 蛋白质-蛋白质相互作用网络(PPI网络),即PPI网络;
将通过STRING数据库得到的上调基因和下调基因PPI网络分别导入 Cytoscape软件,使用Cytoscape软件中的MCODE插件对上调基因的PPI网络进 行重要模块的识别,得到上调基因的PPI网络中两个重要模块;使用Cytoscape 软件中的CytoHubba插件根据连接度(degree)对下调基因的PPI网络进行分析, 得到下调基因PPI网络中排名靠前的100个基因;把上调基因的PPI网络中两个 重要模块的基因和下调基因PPI网络中排名靠前的100个基因,作为预生存分析 的基因;
使用TCGA数据库中结直肠癌的基因表达数据,利用R软件中survival和survminer包,使用Kaplan-Meier法,对上述得到的预生存分析的基因进行生存 分析,以时序检验Logrank p<0.05作为筛选标准,得到关键基因(hub gene)。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤4)根据步骤3)得到的关键基因(hub gene),进行预测得到关键基因 (hub gene)的上游miRNA,并对上游miRNA进行生存分析,筛选出与结直肠 癌预后显著相关的miRNA;包括:
利用starBase数据预测关键基因的上游miRNA;
使用TCGA数据库中结直肠癌的miRNA表达数据,利用R软件中survival 和survminer包,使用Kaplan-Meier法,对上游miRNA进行生存分析,以Logrank p<0.05作为筛选标准,得到与结直肠癌预后显著相关的miRNA。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤5)包括:
利用miRNet数据库预测得到与结直肠癌预后显著相关的miRNA的上游 lncRNA,利用GEPIA在线数据库,对预测得到的lncRNA进行生存分析,以 Logrank p<0.05作为筛选标准,得到与结直肠癌预后显著相关的lncRNA。
在一些实施例中,步骤6)基于得到的关键基因(hub gene)、与结直肠癌预 后显著相关的miRNA、lncRNA,根据其相互作用关系构建ceRNA网络;包括:
基于得到的关键基因(hub gene)、与结直肠癌预后显著相关的miRNA、 lncRNA,根据lncRNA-miRNA、miRNA-mRNA相互作用关系,构建得到基于与 结直肠癌预后显著相关lncRNA-miRNA-mRNA的ceRNA网络;
进一步的,使用R软件的networkD3包对构建的ceRNA网络进行可视化。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤7)基于步骤6)得到的ceRNA网络,并根据与结直肠癌预后显著相关 的lncRNA、miRNA和关键基因(hub gene)在结直肠癌中的表达趋势进行评估, 根据表达量差异进行筛选得到最终的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络。
有益效果:本发明提供的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,基于高通量测序数据通过生物信息学整合分析筛选得到,从结直肠癌预后层 面研究mRNA-miRNA-lncRNA调控网络在人类癌症中的作用,并深入探索其在 肿瘤中具体的调控机制和具体的靶基因,为结直肠癌的早期诊断、基因靶点治疗 和预后提供新的思路和研究方向。
附图说明
图1是本发明实施例的方法流程图;
图2是本发明实施例的根据结直肠癌预后显著相关lncRNA、miRNA和 mRNA相互作用关系构建的ceRNA网络。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚 地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示,一种结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法,包 括:
步骤1)从NCBI GEO数据库中筛选出3个符合条件的结直肠癌基因表达数 据集,下载TCGA(the cancer genome atlas)数据库中结直肠癌的基因表达数据、 miRNA表达数据和结直肠癌的临床信息;
步骤2)分别对GEO的3个结直肠癌基因表达数据集、TCGA数据库中结直 肠癌的基因表达数据进行差异基因表达分析,得到4组差异表达基因;取4组差 异表达基因的交集,得到共有的差异表达基因;
步骤3)根据步骤2)得到的共有的差异表达基因,构建蛋白质-蛋白质相互 作用网络(PPI网络);根据PPI网络中的重要模块和基因的连接度(degree)并 结合单基因生存分析,筛选出关键基因(hub gene);
步骤4)根据步骤3)得到的关键基因(hub gene),进行预测得到关键基因 (hubgene)的上游miRNA,并基于上游miRNA表达数据和结直肠癌的临床信 息进行生存分析,筛选出与结直肠癌预后显著相关的miRNA;
步骤5)根据步骤4)得到的miRNA,进行预测得到与结直肠癌预后显著相 关的miRNA的上游lncRNA,并基于上游lncRNA表达数据和结直肠癌的临床信 息进行生存分析,筛选出与结直肠癌预后显著相关的lncRNA;
步骤6)基于得到的关键基因(hub gene)、与结直肠癌预后显著相关的miRNA、lncRNA,根据其相互作用关系构建ceRNA网络;
步骤7)基于步骤6)得到的ceRNA网络,并根据与结直肠癌预后显著相关 的lncRNA、miRNA和关键基因(hub gene)在结直肠癌中的表达趋势进行评估, 得到最终的结直肠癌预后显著相关的ceRNA调控网络。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤1)中,所述的结直肠癌基因表达数据集,是从GEO数据库中搜索的数 据集,经过条件筛选得到,筛选条件为:同时包含结直肠癌的癌组患者和对照组 患者;每个数据集为一个数据矩阵,行名为基因名称,列名为样本名称。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤2)中,分别对GEO的3个结直肠癌基因表达数据集、TCGA-COAD 的基因表达数据进行差异基因表达分析,得到4组差异表达基因,包括:
对于GEO的3个结直肠癌基因表达数据集,利用GEO在线差异表达分析工 具GEO2R分别进行差异基因表达分析,得到3组差异表达基因;
对于TCGA-COAD的基因表达数据,利用R软件limma包进行差异基因表 达分析得到1组差异表达基因;
上述差异基因表达分析的阈值条件均设置为:|log2FC|>1,且FDR<0.05; FC为(fold change)差异倍数,FDR(False discovery rate)伪发现率;满足阈值条 件的基因为差异表达基因。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤3)中,对步骤2)得到的共有的差异表达基因进行基因富集分析,得 到基因富集分析结果;包括:
利用DAVID在线分析数据库,对共有的差异表达基因进行GO和KEGG通 路富集分析,得到差异表达基因在不同信号通道中的分类信息;并下载富集分析 结果,取FDR<0.05的数据为有效数据。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤3)根据步骤2)得到的共有的差异表达基因,构建蛋白质-蛋白质相互 作用网络(PPI网络);根据PPI网络中的重要模块和基因的连接度(degree)并 结合单基因生存分析,筛选出关键基因(hub gene);包括:
基于共有的差异表达基因,通过STRING数据库(https://string-db.org/),分 别构建共有的上调基因的蛋白质-蛋白质相互作用网络(PPI网络)和下调基因的 蛋白质-蛋白质相互作用网络(PPI网络),即PPI网络;
将通过STRING数据库得到的上调基因和下调基因PPI网络分别导入 Cytoscape软件,使用Cytoscape软件中的MCODE插件对上调基因的PPI网络进 行重要模块的识别,得到上调基因的PPI网络中两个重要模块;使用Cytoscape 软件中的CytoHubba插件根据连接度(degree)对下调基因的PPI网络进行分析, 得到下调基因PPI网络中排名靠前的100个基因(表1),
表1:下调基因PPI网络中degree算法得到的前100个基因。
把上调基因的PPI网络中两个重要模块的基因和下调基因PPI网络中排名靠 前的100个基因,作为预生存分析的基因;
使用TCGA数据库中结直肠癌的基因表达数据,利用R软件中survival和survminer包,使用Kaplan-Meier法,对上述得到的预生存分析的基因进行生存 分析,以时序检验Logrank p<0.05作为筛选标准,得到关键基因(hub gene)(表 2)。
表2:COAD中的hub gene。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤4)根据步骤3)得到的关键基因(hub gene),进行预测得到关键基因 (hub gene)的上游miRNA,并对上游miRNA进行生存分析,筛选出与结直肠 癌预后显著相关的miRNA;包括:
利用starBase数据预测关键基因的上游miRNA;
使用TCGA数据库中结直肠癌的miRNA表达数据,利用R软件中survival 和survminer包,使用Kaplan-Meier法,对上游miRNA进行生存分析,以Logrank p<0.05作为筛选标准,得到与结直肠癌预后显著相关的miRNA(表3)。
表3:COAD中具有显著生存分析的miRNA。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤5)包括:
利用miRNet数据库预测得到与结直肠癌预后显著相关的miRNA的上游 lncRNA,利用GEPIA在线数据库,对预测得到的lncRNA进行生存分析,以 Logrank p<0.05作为筛选标准,得到与结直肠癌预后显著相关的lncRNA(表4)。
表4:COAD中具有显著生存分析的lncRNA。
lncRNA | Logrank p |
UBXN8 | 0.0048 |
POLDIP2 | 0.016 |
CWC15 | 0.0016 |
SNHG7 | 0.013 |
AC074117.10 | 0.04 |
AC093627.10 | 0.049 |
RP11-449D8.1 | 0.011 |
NUTM2A-AS1 | 0.011 |
AC005154.6 | 0.017 |
RP11-429J17.7 | 0.025 |
在一些实施例中,步骤6)基于得到的关键基因(hub gene)、与结直肠癌预 后显著相关的miRNA、lncRNA,根据其相互作用关系构建ceRNA网络;包括:
基于得到的关键基因(hub gene)、与结直肠癌预后显著相关的miRNA、 lncRNA,根据lncRNA-miRNA、miRNA-mRNA相互作用关系,构建得到基于与 结直肠癌预后显著相关lncRNA-miRNA-mRNA的ceRNA网络;如图2是本发明 实施例的根据结直肠癌预后显著相关lncRNA、miRNA和mRNA相互作用关系 构建的ceRNA网络。
进一步的,使用R软件的networkD3包对构建的ceRNA网络进行可视化。
在一些实施例中,所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方 法,步骤7)基于步骤6)得到的ceRNA网络,并根据与结直肠癌预后显著相关 的lncRNA、miRNA和关键基因(hub gene)在结直肠癌中的表达趋势进行评估, 根据表达量差异进行筛选得到最终的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络(表 5)。
表5:根据ceRNA网络中的hubgene,miRNA,lncRNA的表达趋势构建的 结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络
lncRNA | miRNA | mRNA |
AC005154.6 | miR-200b-3p | MFAP5 |
在一些实际应用中,例如用于基因深度分析,还包括对得到的共有的差异表 达基因进行基因富集分析,得到基因富集分析结果;具体包括:
利用DAVID在线分析数据库,对共有的差异表达基因进行GO和KEGG通 路富集分析,得到差异表达基因在不同信号通道中的分类信息;并下载富集分析 结果,取FDR<0.05的数据为有效数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技 术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法,其特征在于,包括:
步骤1)从NCBI GEO数据库中筛选出3个符合条件的结直肠癌基因表达数据集,下载TCGA数据库中结直肠癌的基因表达数据、miRNA表达数据和结直肠癌的临床信息;
步骤2)分别对GEO的3个结直肠癌基因表达数据集、TCGA数据库中结直肠癌的基因表达数据进行差异基因表达分析,得到4组差异表达基因;取4组差异表达基因的交集,得到共有的差异表达基因;
步骤3)根据步骤2)得到的共有的差异表达基因,构建蛋白质-蛋白质相互作用网络,即PPI网络;根据PPI网络中的重要模块和基因的连接度并结合单基因生存分析,筛选出关键基因hub gene;包括:
基于共有的差异表达基因,通过STRING数据库,分别构建共有的上调基因的蛋白质-蛋白质相互作用网络和下调基因的蛋白质-蛋白质相互作用网络,即PPI网络;
将通过STRING数据库得到的上调基因和下调基因PPI网络分别导入Cytoscape软件,使用Cytoscape软件中的MCODE插件对上调基因的PPI网络进行重要模块的识别,得到上调基因的PPI网络中两个重要模块;使用Cytoscape软件中的CytoHubba插件根据连接度对下调基因的PPI网络进行分析,得到下调基因PPI网络中排名靠前的100个基因;把上调基因的PPI网络中两个重要模块的基因和下调基因PPI网络中排名靠前的100个基因,作为预生存分析的基因;
使用TCGA数据库中结直肠癌的基因表达数据,利用R软件中survival和survminer包,使用Kaplan-Meier法,对上述得到的预生存分析的基因进行生存分析,以时序检验Logrankp< 0.05作为筛选标准,得到关键基因;
步骤4)根据步骤3)得到的关键基因,进行预测得到关键基因的上游miRNA,并基于上游miRNA表达数据和结直肠癌的临床信息进行生存分析,筛选出与结直肠癌预后显著相关的miRNA;
步骤5)根据步骤4)得到的miRNA,进行预测得到与结直肠癌预后显著相关的miRNA的上游lncRNA,并基于上游lncRNA表达数据和结直肠癌的临床信息进行生存分析,筛选出与结直肠癌预后显著相关的lncRNA;
步骤6)基于得到的关键基因、与结直肠癌预后显著相关的miRNA、lncRNA,根据其相互作用关系构建ceRNA网络;
步骤7)基于步骤6)得到的ceRNA网络,并根据与结直肠癌预后显著相关的lncRNA、miRNA和关键基因在结直肠癌中的表达趋势进行评估,得到最终的结直肠癌预后显著相关的ceRNA调控网络。
2.根据权利要求1所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法,其特征在于,步骤1)中,所述的结直肠癌基因表达数据集,是从GEO数据库中搜索的数据集,经过条件筛选得到,筛选条件为:同时包含结直肠癌的癌组患者和对照组患者;每个数据集为一个数据矩阵,行名为基因名称,列名为样本名称。
3.根据权利要求1所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法,其特征在于,步骤2)中,分别对GEO的3个结直肠癌基因表达数据集、TCGA-COAD的基因表达数据进行差异基因表达分析,得到4组差异表达基因,包括:
对于GEO的3个结直肠癌基因表达数据集,利用GEO在线差异表达分析工具GEO2R分别进行差异基因表达分析,得到3组差异表达基因;
对于TCGA-COAD的基因表达数据,利用R软件limma包进行差异基因表达分析得到1组差异表达基因;
上述差异基因表达分析的阈值条件均设置为:| log2FC |>1,且FDR <0.05;FC为差异倍数,FDR伪发现率;满足阈值条件的基因为差异表达基因。
4.根据权利要求1所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法,其特征在于,步骤4)根据步骤3)得到的关键基因,进行预测得到关键基因的上游miRNA,并对上游miRNA进行生存分析,筛选出与结直肠癌预后显著相关的miRNA;包括:
利用starBase数据预测关键基因的上游miRNA;
使用TCGA数据库中结直肠癌的miRNA表达数据,利用R软件中survival和survminer包,使用Kaplan-Meier法,对上游miRNA进行生存分析,以Logrank p< 0.05作为筛选标准,得到与结直肠癌预后显著相关的miRNA。
5.根据权利要求1所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法,其特征在于,步骤5)包括:
利用miRNet数据库预测得到与结直肠癌预后显著相关的miRNA的上游lncRNA,利用GEPIA在线数据库,对预测得到的lncRNA进行生存分析,以Logrank p< 0.05作为筛选标准,得到与结直肠癌预后显著相关的lncRNA。
6.根据权利要求1所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法,其特征在于,步骤6)基于得到的关键基因、与结直肠癌预后显著相关的miRNA、lncRNA,根据其相互作用关系构建ceRNA网络;包括:
基于得到的关键基因、与结直肠癌预后显著相关的miRNA、lncRNA,根据lncRNA-miRNA、miRNA-mRNA相互作用关系,构建得到基于与结直肠癌预后显著相关lncRNA-miRNA- mRNA的ceRNA网络。
7.根据权利要求1或6所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法,其特征在于,使用R软件的networkD3包对构建的ceRNA网络进行可视化。
8.根据权利要求1所述的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络的构建方法,其特征在于,步骤7)基于步骤6)得到的ceRNA网络,并根据与结直肠癌预后显著相关的lncRNA、miRNA和关键基因在结直肠癌中的表达趋势进行评估,根据表达量差异进行筛选得到最终的结直肠癌预后显著相关ceRNA调控网络。
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