基于系统生物学的肝癌分子机制及护肝片治作用研究

肝细胞癌(Hepatocellular Carcinoma,HCC)是临床上最常见的恶性肿瘤之一,普遍认为肝癌是多因素、多阶段的复杂发病过程,几乎80%的肝癌由肝硬化发展而来,特别是由肝炎引发的肝硬化,形成了肝炎-肝硬化-肝癌疾病演变的三部曲。每年全球由丙肝肝硬化引起的肝癌占三分之一,且其发展时间快、预后差。虽然已经有很多研究显示了丙型肝炎、肝硬化和肝癌有着密切的关系,然而我们尚不明确这个过程的发生机制,肝癌的诊断和治疗仍然面临着巨大的挑战。为了分析肝硬化发展为肝癌的分子机制,本研究整合了丙肝肝硬化-肝癌相关的基因芯片、miRNA芯片与甲基化芯片数据,并对芯片数据进行背景处理,缺失数据预处理,数据标准化,差异表达分析,获得了120个差异表达的基因,32个差异表达的miRNA,34个甲基化水平差异显著的基因,同时,我们利用基因芯片数据,通过计算两种疾病状态下的基因间表达水平的相关性的变化构建了差异共表达网络,从基因间表达水平相关性变化的角度解释疾病发展造成的调控紊乱。为了更进一步的在系统水平上揭示疾病发展过程中基因间的相互作用,我们在差异共表达网络的基础上,加入了PPI相互作用关系,将网络进一步扩大,形成了由差异共表达基因、甲基化基因、转录因子和miRNA组成的miRNA-转录因子-基因的调控网络。根据拓扑学性质我们筛选得到了130个关键节点,其中包括8个miRNA、63个差异共表达基因、6个甲基化基因、8个转录因子和46个PPI扩展的基因。结果表明这些关键节点在整个调控网络中起着重要的作用,是肝硬化-肝癌发展过程中调控紊乱的关键因素。对调控网络中出现的基因进行了GO功能富集和通路富集分析,功能富集分析发现,肝硬化发展为肝癌的过程中基因的功能主要体现在生物分子的代谢调控,生物合成调控,激酶的级联反应,细胞坏死以及凋亡的调控等方面。通路富集主要涉及多种癌症通路、神经营养因子信号通路、T细胞受体通路、Toll-like受体信号通路、B细胞受体通路、JAK-STAT信号通路、细胞周期和细胞凋亡等通路。说明肝硬化癌变主要涉及免疫炎症反应、细胞周期与细胞凋亡等因素。护肝片是中国药典记载的治疗肝炎、肝硬化的有效药物,为了探究护肝片的治疗机制,我们借助中药系统药理学的手段研究了护肝片中柴胡、茵陈、板蓝根、五味子、猪胆粉、绿豆等6味中药的有效成分以及药代动力学参数,同时采用机器学习的方法对这些有效成分的靶点进行预测,构建了化合物-靶点网络,分析了化合物与靶点的相互作用关系,提出了护肝片多组分-多靶点的治疗依据。随后对护肝片的预测靶点进行PPI映射并构建网络,对网络分析后发现了多个与肿瘤密切相关的关键靶点。结果表明护肝片正是通过多种组分与这些关键靶点直接或间接相互作用达到治疗的目的。通过对肝硬化-肝癌调控网络与护肝片PPI网络的比较分析,我们发现二者有着十分相似的特征:共有节点101个,其中16个关键节点涉及EGFR、GRB2、PIK3R1、TRAF2等多个重要的癌症相关基因;共有的GO条目多达111个,其中生物过程相关90个,分子功能相关的条目11个,细胞成分相关的条目10个;共有通路11个,主要包括了直接的癌症通路,细胞周期和细胞凋亡调控的相关通路以及与炎症反应和免疫反应相关的通路。结果发现护肝片可以通过影响多个靶点、通路来达到治疗肝硬化延缓肝癌发展的目的。综上所述,本文在系统的水平上整合基因、转录因子、miRNA、甲基化修饰之间的相互作用关系构建了一个较为完整的调控网络,从整体水平揭示了肝硬化发展为肝癌的分子机制。同时,借助系统药理学的手段,分析了护肝片的多组分、多靶点治疗肝硬化、延缓肝癌发生的作用机制。