IPA案例十六——采用IPA用網絡發掘的方法重新探索Clomiphene對埃博拉感染的治療作用

2018-07-30 20:27:49 來源:源資信息科技(上海)有限公司

新聞摘要:埃博拉病毒的最致命的病原體之一,其發病和宿主免疫應答機制尚不清楚,找到有效治療方法至關重要。針對小鼠腎臟和肝細胞模型的化合物篩選表明,FDA批準的雌激素受體激動劑/拮抗劑克羅米芬Clomiphene能夠顯著控制埃博拉感染并提高小鼠的存活率。

摘要:埃博拉病毒的最致命的病原體之一,其發病和宿主免疫應答機制尚不清楚,找到有效治療方法至關重要。針對小鼠腎臟和肝細胞模型的化合物篩選表明,FDA批準的雌激素受體激動劑/拮抗劑克羅米芬Clomiphene能夠顯著控制埃博拉感染并提高小鼠的存活率。


前言:

為了了解克羅米芬Clomiphene能夠保護宿主抵御埃博拉感染的反應機制,本案例利用四種網絡分析的途徑來產生可用于檢驗的假說。

首先,用Ingenuity Pathway Analysis分析平臺(IPA)及其基礎數據庫能得到受到雌激素和雌激素受體激動劑/拮抗劑影響的雌激素受體1和2(ER1和ER2)的下游分子列表。對ER1和ER2下游分子分析顯示:IL-17信號轉導、MAPK信號轉導、樹突狀細胞成熟和Toll-like受體信號傳導等過程會受到顯著影響。

同時,從公共的數據集收集的,所有具有ER-alpha結合位點的,并可能受克羅米芬Clomiphene影響的基因列表被上傳到IPA中進行分析。這一分析包含約700個基因的,主要富集在凝血系統、抗原呈遞、細胞介導和體液免疫應答、免疫細胞轉運和IL-10、IL-6和IL-17信號轉導等過程。同時,Th1細胞應答和T細胞分化也受到影響。

第三,對公共來源獲得的克羅米芬Clomiphene灌胃1、3、5天的大鼠肝臟樣本的基因表達數據進行IPA分析。發現IL-10和TLMIKE受體信號通路受到顯著影響。并且對克羅米芬Clomiphene敏感的生物學作用包括了Th2細胞、巨噬細胞、吞噬細胞和B淋巴細胞的分化,T淋巴細胞的運輸和浸潤,Th17細胞的發育等。根據基因表達值預測抗原呈遞細胞發育過程被激活,并增強了巨噬細胞的敏感性。受到克羅米芬Clomiphene影響最突出的分子主要參與調控了網格蛋白介導的內吞過程、IH-7信號轉導和樹突狀細胞成熟等過程。

最后,將公共數據庫獲得的埃博拉感染的非人靈長類PBMC細胞數據與克羅米芬Clomiphene處理表達數據進行對比分析,用以獲得新的關鍵信息。很多埃博拉感染的PBMCs被抑制的通路,在克羅米芬Clomiphene數據中呈激活狀態,比如,IL-10和Toll-like受體信號通路,以及T細胞分化通路。

綜上所述,這些結果對克羅米芬對埃博拉感染的保護作用的機制提供了重要的線索,并給出多個可以在實驗室驗證的假說。除了更深入理解克羅米芬Clomiphene作用機制外,來自宿主的反應信息也為進一步開發治療埃博拉感染的藥物或開發疫苗提供了新的思路。


材料和方法:

1、從公共平臺獲得數據:1)具有ER-alpha結合位點的,并可能受克羅米芬Clomiphene影響的基因列表;2)克羅米芬Clomiphene灌胃1、3、5天的大鼠肝臟樣本的基因表達數據;3)埃博拉感染的非人靈長類PBMC細胞基因表達數據數據。

2、上傳到IPA中進行分析,采用Fold Change>=1.5, p<0.05為閾值

3、進行下游分子分析時,只尋找直接調控關系。


結果:

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圖一:ER1和ER2的下游調節基因及其參與的生物學過程和經典通路。A)ER1和ER2 的下游共360個基因,其中,藍色邊線的分子是在免疫細胞,腎和肝臟中特異表的基因。B)用IPA分析ER1及ER2下游靶基因獲得的,參與病原體介導的、細胞免疫應答和細胞因子信號通路過程的信號通路列表。柱狀圖的高低代表顯著性,橙色點線代表基因所占比例。



圖二. 小鼠肝臟中具有ER-alpha結合位點的基因列表的通路和功能的聚類。A)由克羅米芬Clomiphene影響的,參與病原體介導的、細胞免疫應答和細胞因子信號通路過程的信號通路列表。B)由克羅米芬Clomiphene影響的基因參與的生物學功能。C)參與T淋巴細胞應答的具體的生物學功能,基因的列表。 上圖中:柱狀圖的高低代表顯著性,橙色點線代表基因所占比例。



圖三. 克羅米芬Clomiphene處理的大鼠肝臟的基因表達數據揭示了藥物介導的防御免疫應答的關鍵模型。A)參與病原體介導的、細胞免疫應答和細胞因子信號通路過程的信號通路列表。B) IL-10信號通路,分子表達值為克羅米芬Clomiphene處理第五天的表達數據,基因邊上的小柱狀圖分別告知了該基因在處理第一天及第三天的表達值。(紅色代表上調,綠色代表下調)C) 挑出最受克羅米芬Clomiphene處理影響的生物學功能列表。D) 克羅米芬Clomiphene處理五天后,被持續激活的生物學功能列表。E)受克羅米芬Clomiphene處理影響的上調表達的前十個基因。F)克羅米芬Clomiphene處理五天后,克羅米芬Clomiphene及其直接作用分子參與的經典通路。



圖四. 由克羅米芬Clomiphene灌胃1、3、5天的大鼠肝臟樣本的基因表達數據與埃博拉感染的非人靈長類PBMC細胞基因表達數據數據進行對比分析,以找到同時受到兩處理影響的關鍵通路。A)同時受到埃博拉和克羅米芬Clomiphene影響的經典通路。B) 由埃博拉病毒感染的非人靈長類PBMC細胞的IL-10信號通路中的基因表達值。



圖五. T細胞輔助細胞的基因表達圖。A) 埃博拉病毒感染兩天的非人靈長類PBMC細胞基因表達值。B) 克羅米芬Clomiphene灌胃五天的基因表達值。


結論:

綜上所述,網絡分析的結果對克羅米芬Clomiphene對埃博拉感染的保護作用的機制提供了重要的思路,并且提出了多個可供實驗驗證的假說。除了深入挖掘克羅米芬Clomiphene作用機制外,本文的結果能夠提供宿主對感染的關鍵反應,能夠進一步應用于疫苗開發或重新開發(批準)治療埃博拉病毒感染的藥物。

對Er1和Er2下游分子信號的分析表明,如IL-17信號轉導、MAPK信號轉導、樹突狀細胞成熟和Toll-like受體信號傳導等過程受到克羅米芬Clomiphene顯著影響,很可能是克羅米芬Clomiphene治療染埃博拉病毒感染的切入點。

對具有雌激素受體α結合位點的約700個基因進行分析,這些基因可能受到克羅米芬Clomiphene調節,并揭示其會對抗埃博拉病毒感染的保護作用。這些基因調節凝血系統、抗原呈遞、細胞介導和體液免疫反應、免疫細胞轉運和IL-10、IL-6和IL-17信號轉導,以及Th1細胞的反應和記憶T細胞分化等生物學過程。

從克羅米芬Clomiphene處理的大鼠肝臟中的基因表達數據分析表明,IL-10和Toll-like受體信號通路與Th2細胞、巨噬細胞、吞噬細胞和B淋巴細胞的分化、T淋巴細胞的運輸和浸潤、Th17細胞的發育相關過程都受到高度的影響。同樣,增強了抗原遞呈細胞的發育過程和巨噬細胞的敏化作用。差異變化最大的分子主要參與了網格蛋白介導的內吞作用、IL-17信號轉導和樹突狀細胞成熟等過程。

從埃博拉感染的非人靈長類PBMC細胞表達數據分析表明,埃博拉病毒抑制的通路卻會受到克羅米芬Clomiphene的影響而激活。例如IL-10和Toll-like受體信號轉導,以及T細胞分化過程。可能從基本上闡釋了克羅米芬藥物的對宿主的保護作用。


參考文獻及致謝:

1. “Potential Ebola Therapies from Phenotypic screening,” L. M. Johansen, J. Lehár, A. Stossel, B. Hoffstrom, C. Lear, D. Julias, M.S. Lee, L. Hensley, and G. Clinger, Feb 2008, ISM poster

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The authors would like to thank Dr. Chan Whiting, Dr. Dan Richards and Dr. Megan Laurance for their valuable contributions, and to acknowledge that the datasets used in this poster are publically available and are obtainable from the reference cited here in this poster.

本案例采用的是Ingenuity科學家根據已發表的文章數據進行IPA的全新的栓釋。




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