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6分+纯生信文章22天接收！！小众非肿瘤疾病+转录因子+简单实验思路，生信小白友好，快冲！

生信日报

2024-01-26

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关注起来，想找什么热点或思路，call下小记者，马上就来~

今天这篇文章仅仅22天就接收了，于是小记者马不停蹄地就去仔细看了一遍。

原来能发到6分+是因为这个疾病选择得真是泰酷辣！目前唐氏综合症相对其他疾病来讲研究较少，并且结合转录抑制因子进行研究，更是提高了创新性。整篇文章的研究思路并不复杂，但逻辑性很强，对比了不同分组的差异，大大增加了数据的有效性。非常适合刚接触生信的科研小白，快来跟小记者一起看看吧！（ps：没有思路、不知道怎么创新的找小记者，超多新颖的分析思路供你选择哦！）

题目：REST 靶向人类唐氏综合症大脑和神经细胞中的JAK-STAT和HIF-1信号通路

杂志：Int. J. Mol. Sci.

影响因子：IF=6.628

发表时间：2023年6月

后台回复“999”获取原文，文献编号240126

研究背景

唐氏综合症（DS）由21号染色体上的基因过度表达引起，这可能导致神经退行性疾病和DS大脑衰老。转录抑制因子REST是一种重要的神经元表观遗传修饰调节剂，它在DS患者中的表达水平较低。这两者之间的具体联系还未得到探索，因此研究了REST在DS中的作用及相关信号通路，并且确定潜在治疗靶点。

数据来源

数据集/队列	数据库	数据类型	详细信息
GSE59630	GEO	RNA-seq数据	58个DS和58个健康对照样本，来自8个大脑区域
GSE84887	GEO	RNA-seq数据	5个DS人胚胎干细胞 (ESC) 衍生的 NPC样本和3个健康对照样本
GSE48611	GEO	RNA-seq数据	6个DS hiPSC衍生神经元样本和3个健康对照样本
GSE42772	GEO	RNA-seq数据	来自3名健康对照和5名孕龄17-20周的DS患者的原代人星形胶质细胞样本
21三体hiPSC衍生的人脑类器官序列	SRA	基因集	从PRJNA721827中的三对 DS样本和相应的等基因控制线生成
人类REST靶基因	GTRD	基因集

研究思路

从GEO和SRA数据库中检索从健康对照和人脑组织、大脑类器官、NPC、神经元和星形胶质细胞的DS样本生成的基因表达数据集。根据不同的大脑区域、年龄和神经细胞类型，对所有数据集进行差异表达分析，以产生DS和对照组之间的差异表达基因 (DEG)。对 REST靶向DEGs进行GO和KEGG富集分析，以确定REST靶向DEGs和相关通路的生物学过程。使用STRING数据库和Cytoscape软件构建PPI网络，其中重要的模块通过分子复合物检测插件 (MCODE)进行验证，与之前得到的生物学过程比较查看一致性。

主要结果

1.唐氏综合症脑区和神经细胞中DEG的鉴定

分析了不同人脑区域 (GSE59630) 中的DEG（表1）。然后在不同年龄组的人脑组织（胎儿（16至22孕周）、婴儿（0至12个月）、儿童（2至16 岁）和成人（18至24岁）中进一步鉴定 DEGs（GSE59630）（表2）。随后，在人脑类器官中确定了1385个DEG，在NPC中确定了707个 DEG，在神经元细胞中确定了136个 DEG，在星形胶质细胞中确定了110个DEGs。

	小脑皮层（CBC）	背外侧前额叶皮层（DFC）	海马体（HIP）	颞下皮层（ITC）	前额叶皮层（OFC）	初级体感皮层 (S1C)	初级视觉皮层 (V1C)	腹外侧前额叶皮层 (VFC)
DEGs	1497	2095	1092	2396	1503	4743	2173	1699

表1 不同人脑区域 (GSE59630) 中的DEG

	胎儿	婴儿	儿童	成人
DEGs	2167	1940	948	3912

表2 人脑区域不同年龄组 (GSE59630) 中的DEG

2.唐氏综合症中的REST-Targeted DEGs

对患有DS的不同人脑区域中的REST-target基因和DEGs取交集得到REST 靶向DEGs，使用Fisher检验对重叠基因的统计显著性进行检验，所有p值均小于0.01（图1）。随后确定了所有区域中持续失调的常见基因。获得了51个常见的REST靶向DEGs，包括DS中的41个上调DEGs和10个下调DEGs，以及这些基因涉及的信号通路和生物学功能（图2）。

图1 REST靶基因和DEG在不同脑区的重叠

图2 不同大脑区域中的重叠基因

对不同年龄组脑组织中的REST靶基因和DEGs取交集得到REST靶向DEGs，使用Fisher 检验对重叠基因的统计显著性进行检验，所有p值均小于0.01（图3）。随后确定了常见的以REST靶向DEGs，这些DEGs在所有年龄组中一直失调。共获得56个 REST靶向DEGs，包括DS中39个上调DEGs和17个下调DEGs, 以及这些基因涉及的信号通路和生物学功能（图4）。

图3 REST靶基因和DEG在不同年龄组脑区的重叠

图4 不同年龄组大脑区域中的重叠基因

对分别来自DS-hiPSC衍生的大脑类器官、DS NPC、DS神经元、DS 星形胶质细胞的DEGs，和REST靶基因取交集得到REST靶向DEGs，使用Fisher 检验对重叠基因的统计显著性进行检验，所有p值均小于0.01。

图5 REST靶基因和DEG在不同组织来源中的重叠

3.REST-Target DEGs的GO和KEGG富集分析

对REST靶向DEGs进行GO和KEGG富集分析。在8个人类大脑区域中，REST靶向DEGs高度参与神经系统发育、神经发生、细胞凋亡/死亡等过程（图6a）。这些基因主要参与HIF-1、轴突导向、MAPK和Rap1信号通路（图6b）。通过分析所有区域常见的 REST靶向DEGs，发现JAK-STAT和HIF-1信号通路在所有大脑区域普遍存在，并且这些信号通路中涉及的所有基因都被上调（图2），这表明REST抑制的潜在损失。图7总结了涉及这些区域的最关键的KEGG和GO结果。

图6 不同脑区REST靶向DEGs的生物学过程和KEGG分析

图7 不同大脑区域中常见的REST靶向DEGs中丰富的信号通路和生物学功能

在胎儿大脑中，REST靶向DEGs在与神经系统发育、神经元分化/发育和神经发生相关的本体中体现。KEGG富集结果表明，这些基因参与细胞衰老及神经变性和细胞凋亡。在产后样本中，REST靶向DEGs的GO富集结果与缺氧反应、神经发生、神经系统发育等有关。KEGG富集分析显示这些基因涉及HIF-1和JAK-STAT信号通路和脂肪酸降解/代谢。在成人样本中，REST靶向DEGs与神经系统发育、突触传递调节和神经发生等有关（图8）。对所有年龄组中常见的REST靶向DEGs的分析表明，Hippo和HIF-1信号通路在所有年龄组中都很普遍（图4）。图9总结了每个年龄组涉及的常见KEGG和GO结果。

图8 不同年龄组REST靶向DEGs的生物学过程和KEGG分析

图9 不同年龄组涉及的REST靶向DEGs中丰富的信号通路和生物学功能

脑类器官中REST靶向DEGs的GO富集分析显示它们参与神经系统发育、神经元分化/发育等过程（图10a）。KEGG富集结果表明细胞周期、轴突导向和 Wnt信号转导途径的富集（图10b）。NPC中的REST靶向DEGs富集了神经系统发育、轴突发育和细胞发育/分化等过程，这些过程对应于KEGG JAK-STAT、Wnt和轴突引导信号通路。神经元中REST 靶向DEGs在细胞周期和免疫炎症反应过程中显著丰富，对应于KEGG分析的JAK-STAT信号通路。DS衍生的星形胶质细胞REST靶向DEGs主要参与细胞发育/分化/迁移和脂肪酸降解/代谢过程。KEGG富集分析显示这些基因参与了JAK-STAT信号通路（图10）。类器官、NPC、神经元和星形胶质细胞中常见的 KEGG 和 GO 结果如图11所示。

图10 不同组织中REST靶向DEGs的生物学过程和KEGG通路分析

图11 不同组织中常见的REST靶向DEGs中丰富的信号通路和生物学功能

4.DEG和MCODE的PPI网络分析

构建了DEGs和NPC、神经元、星形胶质细胞中的前三个模块的PPI 网络（图12）。发现关键模块中的大多数基因都是REST靶向DEGs，它们在模块中显示为红色和绿色，分别代表上调和下调。结果表明，NPC模块中的这些基因参与细胞命运、轴突导向和神经元投射（图12 e1）。神经元模块中的基因主要富集在星形胶质细胞分化、糖代谢和线粒体功能方面（图12e2)。星形胶质细胞模块中的基因主要富集在脂质代谢过程、神经元投射和轴突引导中（图12e3）。