基于多組學(xué)數(shù)據(jù)整合分析的癌癥修正基因及藥物挖掘.pdf

1、縱觀人類醫(yī)學(xué)史，人類與癌癥的斗爭歷史可以追溯到幾千年前。過去幾十年科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了癌癥治療的不斷進(jìn)步，催生了化療、放療、分子靶向治療、免疫治療等新的治療手段。在我國，癌癥發(fā)病率逐年增加，嚴(yán)重影響人民健康和生活質(zhì)量，消耗大量醫(yī)療資源，發(fā)展新的癌癥診療手段一直是國家生物醫(yī)藥領(lǐng)域科技創(chuàng)新和發(fā)展的重點(diǎn)。
　　通過對(duì)各類型癌癥發(fā)病機(jī)制的深入研究，特別是基因組測(cè)序技術(shù)在癌癥研究中的應(yīng)用，癌癥被普遍認(rèn)為是正常細(xì)胞經(jīng)歷一系列基因突變引起

2、的，而癌癥的異質(zhì)性是癌細(xì)胞產(chǎn)生耐藥性，癌癥患者難治愈、高復(fù)發(fā)的重要原因。繼美國之后，我國于2015年提出并開始實(shí)施“精準(zhǔn)醫(yī)療計(jì)劃”，旨在根據(jù)病人的基因組特征，指導(dǎo)臨床用藥。
　　近些年來伴隨著功能基因組學(xué)的快速發(fā)展，與癌癥相關(guān)的各種組學(xué)數(shù)據(jù)（基因組拷貝數(shù)變化、突變、甲基化數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組數(shù)據(jù)）正在快速積累，為癌癥藥物研發(fā)和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展提供大量契機(jī)。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)是組學(xué)數(shù)據(jù)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)和臨床應(yīng)

3、用研究，如構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、尋找疾病標(biāo)志物、藥靶發(fā)現(xiàn)和鑒定、藥物重定位研究等。而細(xì)胞擾動(dòng)表達(dá)譜測(cè)量細(xì)胞在各種擾動(dòng)條件下（基因沉默、基因過表達(dá)、小分子化合物作用、配體作用、基因敲除等）的轉(zhuǎn)錄組變化，通過與組織細(xì)胞在不同生理、病理、藥物作用等條件下的基因表達(dá)譜印記進(jìn)行對(duì)比和關(guān)聯(lián)分析，可以建立基因-疾病-藥物之間的聯(lián)系。
　　大量實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，通過逆轉(zhuǎn)癌癥中特定基因的表達(dá)，可使癌細(xì)胞恢復(fù)至正常形態(tài)。因此，癌癥治療的一個(gè)可行方向就是發(fā)現(xiàn)癌

4、癥特異性關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)突變基因和特征性表達(dá)譜印記，進(jìn)而以此基因或靶基因集合為靶點(diǎn)，挖掘具有抑制其表達(dá)或逆轉(zhuǎn)靶基因集合表達(dá)從而使癌細(xì)胞向正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化的基因/藥物，也就是具有癌癥修正潛能的基因/藥物。本研究擬基于大規(guī)模細(xì)胞擾動(dòng)的表達(dá)譜數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)潛在的癌癥修正基因/藥物（組合）并系統(tǒng)分析其癌癥修正潛能。主要的研究內(nèi)容包括三部分：癌癥表達(dá)譜印記數(shù)據(jù)集構(gòu)建和分析工具建立；癌癥修正基因預(yù)測(cè)與潛能分析；癌癥修正藥物預(yù)測(cè)與潛能分析。
　　第一部分，系統(tǒng)

5、構(gòu)建特征性癌癥表達(dá)譜印記數(shù)據(jù)集與數(shù)據(jù)分析工具，為癌癥修正基因/藥物預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。特征性癌癥表達(dá)譜印記是描述和區(qū)別不同癌癥類型的重要表型數(shù)據(jù)，反應(yīng)了癌癥狀態(tài)與正常狀態(tài)細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄組整體基因表達(dá)水平的差異。因此其可靠性將決定預(yù)測(cè)的癌癥修正基因/藥物的合理性與準(zhǔn)確性。本研究系統(tǒng)評(píng)價(jià)了表達(dá)譜在不同類型組織和細(xì)胞系，基因芯片和測(cè)序來源轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)之間的差異，綜合確定6個(gè)篩選標(biāo)準(zhǔn)對(duì)公共來源的癌癥細(xì)胞系和對(duì)應(yīng)的正常細(xì)胞/組織表達(dá)譜數(shù)據(jù)集進(jìn)行篩選，進(jìn)而構(gòu)建

6、6種癌癥類型（包括乳腺癌 MCF7，結(jié)腸癌HT29，肝癌HEPG2，肺癌A549和HCC515，黑色素瘤A375，前列腺癌PC3和VCAP的8個(gè)癌癥細(xì)胞系）的特征性表達(dá)譜印記。富集分析結(jié)果顯示計(jì)算得到的特征性癌癥表達(dá)譜印記具有較好的代表性，確保了后續(xù)癌癥修正基因/藥物計(jì)算、預(yù)測(cè)的合理性。在數(shù)據(jù)分析工具建立過程中，需要考慮整合網(wǎng)絡(luò)細(xì)胞印記庫（Library of Integrated Network-Based Cellular Sign

7、atures，LINCS）數(shù)據(jù)本身存在的誤差以及大數(shù)據(jù)量的計(jì)算需求。我們基于基因集富集分析，構(gòu)建關(guān)聯(lián)分析流程，并且采用并行計(jì)算技術(shù)加速分析流程，可以在一天內(nèi)完成計(jì)算分析，具有較好擴(kuò)展性。
　　第二部分，癌癥修正基因預(yù)測(cè)與潛能分析。在 LINCS基因沉默/過表達(dá)表達(dá)譜數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，我們結(jié)合第一部分構(gòu)建的表達(dá)譜印記數(shù)據(jù)集與分析工具，預(yù)測(cè)得到8個(gè)癌癥細(xì)胞系的癌癥修正基因候選集合并系統(tǒng)評(píng)價(jià)其癌癥修正潛能。接著，我們采用多組學(xué)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)

8、得到的癌癥修正基因，包括轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析、癌癥相關(guān)基因分析、基因突變和拷貝數(shù)變異分析、核心基因分析、基因功能與通路分析、抗癌藥物藥靶分析、以癌癥修正基因?yàn)榘悬c(diǎn)的抗癌藥物敏感性分析，并且采用 LINCS其余細(xì)胞系表達(dá)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證。分析結(jié)果一方面驗(yàn)證了我們預(yù)測(cè)結(jié)果的合理性和可靠性，同時(shí)也為我們進(jìn)一步篩選藥物以及癌癥機(jī)制闡釋、致癌基因/抑癌基因預(yù)測(cè)、癌癥修正藥物候選靶標(biāo)預(yù)測(cè)提供線索?？紤]到癌癥廣泛存在的耐藥性問題，我們進(jìn)一步探討了聯(lián)合致死

9、效應(yīng)，并且預(yù)測(cè)了癌癥修正基因之間的聯(lián)合致死性。最后，我們展示了癌癥修正基因在細(xì)胞外微環(huán)境擾動(dòng)分析中的應(yīng)用。
　　第三部分，癌癥修正藥物預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；诘谝徊糠謽?gòu)建的癌癥表達(dá)譜印記數(shù)據(jù)集與分析工具，我們關(guān)聯(lián) LINCS小分子化合物擾動(dòng)表達(dá)譜數(shù)據(jù)與癌癥表達(dá)譜印記，預(yù)測(cè)小分子化合物的癌癥修正潛能，得到8個(gè)癌癥細(xì)胞系的癌癥修正藥物候選集。通過已知抗癌藥物關(guān)聯(lián)分析以及藥物敏感性數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了這些小分子化合物的癌癥修正潛能?？紤]到細(xì)

10、胞系本身的差異，我們進(jìn)一步采用LINCS其余細(xì)胞系小分子化合物擾動(dòng)表達(dá)譜數(shù)據(jù)以及CMap表達(dá)譜數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)得到的候選癌癥修正藥物集合進(jìn)行交叉驗(yàn)證與補(bǔ)充。相關(guān)文獻(xiàn)證據(jù)證實(shí)了我們預(yù)測(cè)的藥物的合理性。最后，我們預(yù)測(cè)了癌癥修正藥物之間的藥物協(xié)同性，并計(jì)劃對(duì)優(yōu)選的癌癥修正藥物/藥物組合進(jìn)行多細(xì)胞系體外實(shí)驗(yàn)以及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本研究展示了大規(guī)模細(xì)胞擾動(dòng)表達(dá)譜數(shù)據(jù)在藥靶發(fā)現(xiàn)和藥物重定位中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)的方法也可以推廣到其他疾病研究中，如病原體感

11、染和阿爾茲海默癥等。本文主要的創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　首次提出癌癥修正潛能的概念，充分挖掘和利用細(xì)胞擾動(dòng)反應(yīng)表達(dá)譜數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)潛能，并基于此大數(shù)據(jù)建立癌癥修正基因/藥物發(fā)現(xiàn)的計(jì)算方法，為發(fā)現(xiàn)新型抗癌藥物提供新的研究思路和策略。
　　采用多組學(xué)數(shù)據(jù)融合的方法綜合篩選最具癌癥修正潛能的基因和藥物，建立多角度評(píng)價(jià)藥物抗癌活性的系統(tǒng)分析方法，為癌癥藥物治療提供新的候選癌癥修正藥物，適應(yīng)癌癥精準(zhǔn)醫(yī)療的需求，為大幅度提高研發(fā)速度和成功率提供