质谱蛋白质组学结合生物信息学分析构建威尔逊病分子诊断模型

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研究背景:肝豆状核变性(HLD)又称为威尔逊氏病(WD),是由于常染色体ATP7B基因突变引起铜代谢障碍导致铜沉积于身体多个脏器引起相应器官损害。如未及时诊断、合理治疗,可进行性加重导致残疾甚至死亡。但目前的诊断依据尚有不足之处,铜蓝蛋白水平易受多种因素影响;肝铜检测为有创检查且受检测方法和技术的限制难以开展;ATP7B基因检测相对昂贵而不能普及。因此在临床工作中需要更加灵敏特异的诊断标志物。WD中的基因型-表型相关性一直难以明确,究其原因可能是由于基因表达受遗传修饰、表观遗传学和环境等因素的影响。十分有必要在蛋白质水平上分析该病发生发展的机制并发掘疾病诊断的生物标志物。蛋白质是生命的物质基础和构成生物系统最重要的基本元件,而且是生命活动的最终执行分子。通过蛋白质组学和生物信息技术探寻可能对疾病诊断有价值的生物标志物,对于WD实现早期诊断、早期治疗具有重要意义。目的:利用基于质谱的蛋白质组学方法对WD患者及健康对照血浆样本进行蛋白质检测,从中寻找差异表达蛋白,以发掘具有诊断价值的生物标志物,并利用酶联免疫吸附(ELISA)法检测进行验证。最后利用生物信息学技术构建分子诊断模型对WD实现早期鉴别。方法:(1)利用LTQ-Orbitrap(LC-ESI-MS/MS)比较蛋白质组学技术探究20例WD患者(10例肝型和10例脑型)和10例健康对照之间的血浆差异表达蛋白(DEPs)作为发现集。(2)对差异表达的蛋白进行基因本体(GO)功能富集分析和蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络分析以揭示WD失调蛋白的生物学功能。(3)ELISA测定蛋白质组学重复样本作为训练集验证候选蛋白标志物的差异性,利用e Xtreme Gradient Boosting(XGboost)方法筛选与WD相关的重要蛋白质作为候选蛋白标志物,然后使用最小绝对收缩率和选择算子(LASSO)构建一个可以区分WD患者与健康对照的分子诊断模型。(4)收集42个独立血浆样本(WD 16例,健康对照26例)进行ELISA检测作为验证集,对差异表达蛋白和分子诊断模型进行验证。结果:(1)质谱蛋白质组学联合生物信息学分析结果显示,与健康对照组相比,肝型与脑型WD有62个共同差异表达血浆蛋白,其中有18个蛋白差异表达上调,44个蛋白差异表达下调(FDR<0.05,FC>1.5或FC<1/1.5)。GO富集分析提示差异表达蛋白主要参与炎症反应、补体及凝血级联等生物学过程。(2)基于STRING数据库进行PPI网络分析结果显示共包含45个WD相关蛋白,这些蛋白共存在94对互作关系。通过皮尔森相关性分析筛选出35对共表达显著的互作差异蛋白(FDR<0.1),其中涉及包括F2、PROC、ORM1、ORM2、SERPIND1、TTR、F9、C4BPB等在内的29个WD相关蛋白。(3)根据XGBoost中的增益值筛选出F9和C4BPB两个关键蛋白质作为候选生物标志物,在ELISA训练集样本中验证了两个蛋白表达的差异性,进一步基于两个蛋白构建了分类模型,确定模型的最优分类阈值为0.19时能够最优地区分WD患者与正常样本。最后在ELISA检测的42个独立样本中验证了该模型的分类准确性,灵敏度为96.15%(15/16),特异性为100%(26/26)。结论:(1)WD患者和健康对照者之间的血浆蛋白质组存在显著差异。受影响的生物过程主要是炎症反应、补体和凝血级联。(2)由F9和C4BPB构成的分子诊断模型对于WD具有较好的诊断效能。
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