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中华细胞与干细胞杂志(电子版)

中华细胞与干细胞杂志(电子版) ›› 2017, Vol. 07 ›› Issue (01) : 29 -34. doi: 10.3877/cma.j.issn.2095-1221.2017.01.006

所属专题： 文献；

论著

人脐带间充质干细胞神经向分化与去分化基因表达谱分析
焦扬1, 赵洪波2, 刘平3, 付旭锋3, 陈国栋3, 罗晓曦3, 桑雄波3, 郑冰蓉3,†()   
  1. 1. 650091　昆明，云南大学医学院；650500　昆明医科大学　云南省干细胞与再生医学重点实验室
    2. 650500　昆明医科大学　云南省干细胞与再生医学重点实验室
    3. 650091　昆明，云南大学医学院
  • 收稿日期:2016-08-02 出版日期:2017-02-01
  • 通信作者: 郑冰蓉
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(81560043)

Gene expression profile analysis of neural differentiation and dedifferentiation process in human umbilical cord mesenchymal stem cells

Yang Jiao1, Hongbo Zhao2, Ping Liu3, Xufeng Fu3, Guodong Chen3, Xiaoxi Luo3, Xiongbo Sang3, Bingrong Zheng3,†()   

  1. 1. the Medical School of Yunnan University, Kunming 650091, China; Stem Cell and Regenrative Laboratory of Yunnan Province of the Kunming Medical University, Kunming 650500, China
    2. Stem Cell and Regenrative Laboratory of Yunnan Province of the Kunming Medical University, Kunming 650500, China
    3. the Medical School of Yunnan University, Kunming 650091, China
  • Received:2016-08-02 Published:2017-02-01
  • Corresponding author: Bingrong Zheng
  • About author:
    Corresponding author: Zheng Bingrong, Email:
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引用本文：

焦扬, 赵洪波, 刘平, 付旭锋, 陈国栋, 罗晓曦, 桑雄波, 郑冰蓉. 人脐带间充质干细胞神经向分化与去分化基因表达谱分析[J]. 中华细胞与干细胞杂志(电子版), 2017, 07(01): 29-34.

Yang Jiao, Hongbo Zhao, Ping Liu, Xufeng Fu, Guodong Chen, Xiaoxi Luo, Xiongbo Sang, Bingrong Zheng. Gene expression profile analysis of neural differentiation and dedifferentiation process in human umbilical cord mesenchymal stem cells[J]. Chinese Journal of Cell and Stem Cell(Electronic Edition), 2017, 07(01): 29-34.

目的

用生物信息学方法从公共基因芯片数据库(GEO)中初步筛选出与人脐带间充质干细胞（hUC-MSCs）神经向分化和去分化相关的生物学功能和对应的信号通路，分析蛋白互作关系，为进一步开展hUC-MSCs神经向分化和去分化的实验研究提供指导信息。

方法

在公共基因芯片数据库GEO中搜寻hUC-MSCs神经向分化与去分化的基因芯片数据，用R和Bioconductor软件包进行统计学分析，筛选差异基因；用GeneAnalytics在线分析工具进行GO分析和通路分析；用STRING数据库进行差异表达基因对应的蛋白互作关系分析。

结果

共筛选得到影响神经向分化和去分化过程的670个上调基因和1 458个下调基因；进一步对这些差异基因进行功能富集分析，发现上调过程的功能集中表现为促血管生成和细胞黏附，下调的生物学过程则主要和代谢相关；上调通路主要有与细胞增殖、分化、凋亡有关的ERK、血管生成和Akt等通路，下调通路主要有与细胞代谢和生物合成相关的萜类化合物骨架生物合成、Cholesterot Biosynthesis II和磷酸肌醇代谢等通路，其中特别的是，维持胚胎干细胞多能性的Nanog通路出现在下调通路中；蛋白互作网络分析发现，与血管生成、细胞黏附相关的蛋白VEGFA、IL-6、FGF2、MMP和IL-8有较高的degree值。

结论

影响hUC-MSCs神经向分化和去分化的因素很多，其中，促进血管生成、细胞黏附及细胞繁殖相关的基因、生物反应过程、信号通路及相关蛋白起着重要作用。上述基于生物信息学的筛查分析结果为进一步开展hUC-MSCs神经向分化与去分化实验研究提供了一定的参考信息。

关键词: 计算生物学, 脐带, 间质干细胞, 细胞分化, 细胞去分化, 基因表达谱
Objective

To provide information for further experimental study, we analysed the biological function and signal pathways related to neural differentiation and dedifferentiation of human umbilical cord mesenchymal stromal cells (hUC-MSCs) and investigated the protein-protein interaction based on the chip data in public gene chip database GEO using bioinformatics methods.

Methods

Microarray data of neural differentiation and dedifferentiation in hUC-MSCs from public GEO gene chip databases were analyzed by R and Bioconductor package to screen out the differential expressed genes. Signal pathway was analyzed by online analysis tool GeneAnalytics and protein interactions of differential expressed gene were analyzed with STRING database.

Results

A total of 670 up-regulated and 1458 down-regulated genes in differentiation and dedifferentiation process were identified. Up-regulated genes are mainly involved in angiogenesis and cell adhesion, and down-regulated genes are mainly related to metabolism. Up-regulated pathways includes ERK pathway, angiogenesis pathway and Akt pathways, which are involved in cell proliferation, differentiation and apoptosis,while down-regulated pathways are related to metabolism and biosynthesis including terpenoids skeleton biosynthesis pathway, Cholesterot Biosynthesis II and Phosphoinositide metabolism pathway. It is noted that Nanog pathway which maintain the pluripotence of embryonic stem cells is also down regulated. Protein interaction network analysis found that VEGFA, IL-6, FGF2, MMP and IL-8, which are involved in angiogenesis and cell adhesion,have the higher degree value.

Conclusion

Many factors can influence neural differentiation and dedifferentiation in hUC-MSCs, and proteins that can promote angiogenesis, cell adhesion and cell proliferation play more important role. In our future experiments, we will focus on the role of angiogenesis, cell adhesion and cell proliferation in the neural differentiation and dedifferentiation of human umbilical cord mesenchymal stromal cells.

Key words: Computational biology, Umbilical cord, Mesenchymal stem cells, Cell differentiation, Cell dedifferentiation, Gene expression profile
表1 与hUC-MSCs去分化密切相关的生物过程
生物过程 Score值 匹配基因数（总基因数）
上调过程 血管生成 24.77 27（231）
? 血液凝固 22.89 41（491）
? 细胞粘附 20.87 42（538）
? 血小板脱颗粒 19.68 14（83）
? Smad蛋白磷酸化途径的负调控 18.69 6（11）
下调过程 小分子代谢过程 43.50 195（1 554）
? 胆固醇生物合成过程 24.71 16（38）
? 细胞脂质代谢过程 20.25 34（180）
? 有机环状化合物的反应 19.93 30（149）
? 神经细胞凋亡过程的负调控 18.58 27（132）
表2 与hUC-MSCs去分化密切相关的通路
通路名称 Score值 匹配基因数（总基因数）
上调通路 ERK信号通路 32.74 87（1 260）
? 血管生成 25.51 17（91）
? Akt信号通路 24.97 55（732）
? PAK信号通路 24.78 55（735）
? 止血 24.18 45（549）
下调通路 代谢 32.65 244（2 254）
? 萜类化合物骨架生物合成 26.88 18（44）
? Cholesterot Biosynthesis II 26.18 14（26）
? Nanog基因 24.84 79（560）
? 磷酸肌醇代谢 19.66 26（119）
图1 上调蛋白互作网络图
图2 下调蛋白互作网络图
表3 排名前10的与hUC-MSCs去分化相关的上调和下调蛋白
上调蛋白 下调蛋白
基因名 Degree值 偏心矩 邻域连通性 基因名 Degree值 偏心矩 邻域连通性
TP53 103 5 15.78641 ACACA 106 6 17.54717
ITGA2 70 5 17.85714 JUN 105 6 26.34286
VEGFA 56 5 23.33929 PTEN 95 6 28.01053
IL6 53 6 22.26415 FOS 89 6 26.30337
FGF2 51 6 24.29412 KRAS 82 6 27.07317
CCND1 50 5 22.72000 PHLPP1 72 6 24.12500
ACTA2 44 5 22.61364 STAT3 71 6 29.57746
MMP1 43 6 25.09302 FYN 71 6 27.57746
EDN1 42 6 23.97619 JAK2 63 6 31.80952
IL8 39 6 24.97436 INSR 61 6 31.50820
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