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中华肾病研究电子杂志 ›› 2021, Vol. 10 ›› Issue (04) : 205 -213. doi: 10.3877/cma.j.issn.2095-3216.2021.04.004

论著

基于生物信息学的IgA肾病基因富集及免疫细胞浸润分析
金美玲1, 李艳春1, 王佳1, 张敏1, 李新1, 赵素梅1, 徐晨1,()   
  1. 1. 100020 北京,首都医科大学附属北京朝阳医院肾内科
  • 收稿日期:2021-05-23 出版日期:2021-08-26
  • 通信作者: 徐晨
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(81900605, 81901404); 北京市自然科学基金(7204308); 河北省重点研发计划项目(18277746D)

Bioinformatics-based analysis of gene enrichment and immune cell infiltration in IgA nephropathy

Meiling Jin1, Yanchun Li1, Jia Wang1, Min Zhang1, Xin Li1, Sumei Zhao1, Chen Xu1,()   

  1. 1. Department of Nephrology, Beijing Chaoyang Hospital Affiliated to Capital Medical University, Beijing 100020, China
  • Received:2021-05-23 Published:2021-08-26
  • Corresponding author: Chen Xu
引用本文:

金美玲, 李艳春, 王佳, 张敏, 李新, 赵素梅, 徐晨. 基于生物信息学的IgA肾病基因富集及免疫细胞浸润分析[J]. 中华肾病研究电子杂志, 2021, 10(04): 205-213.

Meiling Jin, Yanchun Li, Jia Wang, Min Zhang, Xin Li, Sumei Zhao, Chen Xu. Bioinformatics-based analysis of gene enrichment and immune cell infiltration in IgA nephropathy[J]. Chinese Journal of Kidney Disease Investigation(Electronic Edition), 2021, 10(04): 205-213.

目的

基于生物信息学对IgA肾病(IgAN)基因表达谱数据进行基因富集分析和免疫细胞浸润分析,旨在研究IgAN相关免疫机制。

方法

从基因表达集(GEO)数据库获取IgAN肾脏组织的GSE93798整体RNA序列数据,利用limma软件包筛选正常对照与IgAN的差异表达基因;利用ggplot2软件包进行基因本体论(GO)和京都基因与基因组百科全书(KEGG)数据库进行通路富集分析;利用CIBERSORT软件获得免疫细胞浸润矩阵;从GEO数据库获取IgAN肾脏组织的GSE127136单细胞RNA序列数据;利用主成分分析法(PCA)和t分布随机邻接嵌入法(t-SNE)获得亚群细胞、亚群细胞的标记基因,对免疫细胞的标记基因进行GO和KEGG分析。

结果

与正常对照组相比,IgAN肾组织有243个基因表达显著上调,104个基因表达显著下调;GO分析提示IgAN差异表达基因多与免疫生物过程相关,KEGG通路分析提示IgAN差异表达基因多富集于感染、免疫通路;免疫细胞浸润分析显示初始B细胞和中性粒细胞在IgAN肾脏组织中下调,浆细胞和M2巨噬细胞在IgAN肾脏组织中上调;单细胞测序分析结果提示CD8+T细胞主要参与代谢相关过程,M2巨噬细胞主要参与免疫及代谢相关过程。

结论

免疫在IgAN的发生发展过程中具有重要作用,CD8+T细胞、M2巨噬细胞参与了该病理生理机制,有可能作为IgAN的干预靶点。

Objective

To perform a bioinformatics-based analysis of gene enrichment and immune cell infiltration according to the gene expression profile data of IgA nephropathy (IgAN), aiming to study the IgAN-related immune mechanisms.

Methods

We obtained the GSE93798 bulk RNA-seq data of IgAN kidney tissues from the Gene Expression Omnibus (GEO) database, and the limma software package was used to screen the differentially expressed genes between normal control and IgAN. The ggplot2 software package was applied for pathway enrichment analysis through the gene ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) methods. The CIBERSORT software was applied to obtain the immune cells infiltration matrix, and the single cell RNA sequence data of IgAN kidney tissues were obtained from the GSE127136 chip of the GEO database. The principal component analysis (PCA) and the t-distributed stochastic neighbour embedding (t-SNE) methods were used to obtain subpopulations of cells and their marker genes, and GO and KEGG analyses were performed for the marker genes of the immune cells.

Results

Compared with the normal control group, the IgAN kidney tissue group showed that the expression of 243 genes was significantly up-regulated, while the expression of 104 genes significantly down-regulated. The GO analysis indicated that the differentially-expressed genes in IgAN were mostly related to immune biological processes, and the KEGG pathway analysis suggested that the differentially-expressed genes in IgAN were mostly enriched in infection and immune pathways. The immune cells infiltration analysis showed that naive B cells and neutrophils were down-regulated while the plasma cells and M2 macrophages were up-regulated in the IgAN kidney tissues. Single-cell sequencing analysis results suggested that CD8+ T cells were mainly involved in metabolism-related processes, and M2 macrophages mainly involved in both immune- and metabolism-related processes.

Conclusion

The immune played an important role in the occurrence and development of IgAN. CD8+ T cells and M2 macrophages were involved in the pathophysiological mechanism, and may serve as the targets for the intervention of IgAN.

表1 IgA肾病相关差异表达基因的基因本体论(GO)分析结果
GO分类 GO ID 描述 基因比例 P 基因数目
生物过程 GO:0042119 中性粒细胞激活 256/6076 4.25E-19 256
生物过程 GO:0043312 嗜中性粒细胞脱颗粒 249/6076 8.35E-19 249
生物过程 GO:0002283 参与免疫反应的中性粒细胞活化 250/6076 1.02E-18 250
生物过程 GO:0002446 中性粒细胞介导的免疫 254/6076 1.55E-18 254
生物过程 GO:0045862 正调节蛋白水解 186/6076 1.07E-13 186
生物过程 GO:0044282 小分子分解过程 210/6076 4.55E-13 210
生物过程 GO:0042110 T细胞激活 227/6076 4.95E-13 227
生物过程 GO:0045732 蛋白质分解代谢过程的正调控 122/6076 6.08E-12 122
生物过程 GO:1902105 白细胞分化的调节 144/6076 1.14E-11 144
生物过程 GO:0045785 正调节细胞粘附 203/6076 1.15E-11 203
细胞组分 GO:0034774 分泌颗粒内腔 174/6288 3.14E-16 174
细胞组分 GO:0016324 顶端质膜 186/6288 4.06E-16 186
细胞组分 GO:0045177 细胞的顶端部分 212/6288 4.97E-16 212
细胞组分 GO:0031983 囊腔 175/6288 1.29E-15 175
细胞组分 GO:0060205 胞质囊腔 174/6288 1.49E-15 174
细胞组分 GO:0005903 刷状缘 67/6288 1.97E-12 67
细胞组分 GO:0030055 细胞基质结 203/6288 6.81E-12 203
细胞组分 GO:0042581 特异性颗粒 93/6288 1.18E-11 93
细胞组分 GO:0005925 粘着斑 199/6288 1.58E-11 199
细胞组分 GO:0062023 细胞外基质 198/6288 1.90E-10 198
分子功能 GO:0008509 阴离子跨膜转运活性 204/6212 1.27E-06 204
分子功能 GO:0051015 肌动蛋白丝绑定 103/6212 2.09E-06 103
分子功能 GO:0005201 细胞外基质结构成分 87/6212 2.31E-06 87
分子功能 GO:0005543 磷脂绑定 198/6212 4.84E-06 198
分子功能 GO:0019838 生长因子结合 72/6212 4.95E-06 72
分子功能 GO:0016922 核受体结合 54/6212 8.32E-06 54
分子功能 GO:0042910 外生跨膜转运活性 22/6212 1.16E-05 22
分子功能 GO:0030674 蛋白-大分子适配活动 121/6212 2.71E-05 121
分子功能 GO:0035257 核激素受体结合 71/6212 2.80E-05 71
分子功能 GO:0016776 磷酸转移酶活性,以磷酸基团为受体 26/6212 2.90E-05 26
表2 IgA肾病相关差异表达基因的京都基因和基因组百科全书(KEGG)通路分析结果
图1 IgA肾病差异表达基因在PI3K-Akt信号通路富集图
图2 免疫细胞浸润矩阵主成分分析聚类图
图3 正常对照与IgA肾病肾脏组织免疫细胞浸润对比
图4 免疫细胞相关性分析热图
图5 IgA肾病单细胞t-SNE(t分布随机邻域嵌入)聚类分析的细胞亚群图
图6 CD8+T细胞和M2巨噬细胞细胞标记基因在各个细胞亚群的表达水平
表3 CD8+T细胞相关差异基因GO/KEGG富集分析
GO/KEGG ID 描述 基因比例 P
生物过程 GO:0044282 小分子分解过程 73/577 1.24E-33
生物过程 GO:0016054 有机酸分解过程 56/577 9.92E-32
生物过程 GO:0046395 羧酸分解过程 53/577 3.51E-30
生物过程 GO:0006520 细胞氨基酸代谢过程 54/577 3.26E-24
生物过程 GO:1901605 氨基酸代谢过程 40/577 2.53E-22
生物过程 GO:0042110 T细胞活化 56/577 3.15E-18
细胞组分 GO:0005925 粘着斑 44/596 7.35E-13
细胞组分 GO:0030055 细胞基质结 44/596 1.31E-12
细胞组分 GO:0045177 细胞顶端 41/596 3.71E-11
细胞组分 GO:0016324 顶端质膜 36/596 2.26E-10
细胞组分 GO:0016323 管基底等离子体膜 25/596 7.42E-09
细胞组分 GO:0001772 免疫突触 11/596 2.70E-08
分子功能 GO:0016614 氧化还原酶活性,作用于CH-OH组供体 25/592 5.20E-13
分子功能 GO:0016616 氧化还原酶活性,作用于CH-OH基团的供体,以NAD或NADP为受体 22/592 3.52E-11
分子功能 GO:0051287 NAD结合 15/592 7.27E-11
分子功能 GO:0016903 氧化还原酶活性,作用于醛基或氧基的供体 13/592 7.52E-10
分子功能 GO:0009055 电子传递活性 20/592 1.91E-08
分子功能 GO:0016620 氧化还原酶活性,作用于醛基或羰基的给体,以NAD或NADP为受体 10/592 1.36E-07
KEGG hsa00280 缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的降解 20/390 1.37E-14
KEGG hsa00380 色氨酸代谢 17/390 2.44E-12
KEGG hsa00330 精氨酸和脯氨酸代谢 16/390 9.53E-10
KEGG hsa00071 肪酸降解 14/390 6.32E-09
KEGG hsa00260 甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸的代谢 13/390 2.28E-08
KEGG hsa00340 组氨酸代谢 10/390 2.32E-08
表4 M2巨噬细胞相关差异基因GO/KEGG富集分析
GO/KEGG ID 描述 基因比例 P
生物过程 GO:0042119 中性粒细胞激活 79/616 3.59E-32
生物过程 GO:0043312 中性粒细胞脱颗粒 76/616 1.03E-30
生物过程 GO:0002283 参与免疫反应的中性粒细胞活化 76/616 1.58E-30
生物过程 GO:0002446 中性粒细胞介导的免疫 76/616 7.17E-30
生物过程 GO:0044282 小分子分解过程 69/616 1.70E-28
生物过程 GO:0016054 有机酸分解过程 53/616 1.98E-27
细胞组分 GO:0030667 分泌颗粒膜 44/634 8.20E-17
细胞组分 GO:0030139 胞吞囊 41/634 1.43E-14
细胞组分 GO:0042611 MHC蛋白复合物 12/634 4.39E-12
细胞组分 GO:0045121 膜筏 38/634 7.13E-12
细胞组分 GO:0098857 膜微结构域 38/634 7.13E-12
细胞组分 GO:0005925 粘着斑 43/634 2.21E-11
分子功能 GO:0016614 氧化还原酶活性,作用于CH-OH组供体 25/623 1.60E-12
分子功能 GO:0033218 酰胺结合 43/623 1.18E-11
分子功能 GO:0009055 电子传递活性 24/623 4.19E-11
分子功能 GO:0016616 氧化还原酶活性,作用于CH-OH基团的供体,以NAD或NADP为受体 22/623 9.38E-11
分子功能 GO:0016209 抗氧化活性 18/623 5.05E-10
分子功能 GO:0140375 免疫受体激活 21/623 6.46E-09
KEGG hsa05140 利什曼病 26/423 4.39E-15
KEGG hsa00380 色氨酸代谢 17/423 9.03E-12
KEGG hsa00280 缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的降解 18/423 1.02E-11
KEGG hsa05150 金葡菌感染 25/423 1.09E-11
KEGG hsa04145 吞噬体 31/423 3.57E-11
KEGG hsa05323 类风湿性关节炎 23/423 2.30E-10
KEGG hsa05416 病毒性心肌炎 18/423 7.20E-10
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