生物信息学在动脉粥样硬化特异性miRNA筛选中的应用研究

【摘要】目前，生物信息学数据在分子生物学发展的基础上呈现较快的增长速度，因此动脉粥样硬化相关基因及转录后调控检测就显得异常重要。本研究以miRBase作为miRNA信息的主要来源，以Access作为数据库管理系统平台，运用生物信息学预测网站、软件miRanda，TargetScan，Pictar、microTar进行预测筛选。实际操作中，对引起动脉粥样硬化的三大学说中关键基因进行生物信息学预测、搜索，初步发现动脉粥样硬化中特异性miRNA，为临床动脉粥样硬化检测提供了较好的查询平台。

【关键词】生物信息学；特异性miRNA；动脉粥样硬化

医学生物信息学是是研究、开发和应用计算机工具和方法来扩展生物学、医学、行为学和健康知识应用的科学，包括获得、储存、组织、存档、分析或使这些材料形象化多种学科相互交汇而成的新型学科，并最终能够为临床疾病的诊治提供帮助[1]。动脉粥样硬化是临床上较常见到的一类病症号称 “21世纪健康杀手”，特别在现在中国老年群中，发病率逐年上升，也是引发心肌梗死、脑卒中的主要病因之一[2]。因此，对脉粥样硬化的早期诊断、预防就显得十分重要。微小RNA简称为miRNA[3]，这种非编码RNA具有调节其他基因表达的作用，在转录后可以将多个靶基因的表达高效的调控，具有非常高的研究与应用价值。因此如能对动脉粥样硬化发生发展过程中特异性表达的miRNA进行生物信息学筛查，无疑是对早期检测动脉粥样硬化具有重要意义。

1资料与方法

1.1资料来源miRBase作为目前最权威和完整的miRNA数据库（http：//mirdb.org/miRDB/），已经收录了一百余个物种中超过10000条的miRNA记录。数据库主要由3部分组成：miRBase：Registry，主要是用于提交新的miRNA序列；miRBase：Database，用来搜索、比对、下载所有已知miRNA相关信息的数据库，包括成熟序列、前体序列、前体二级结构、基因组位置、相关文献等等，并可进行BLAST搜索、FTP下载。miRBase：Targets，存放了所有miRNA靶基因的信息。目前已经移至EBI，并更名为microCosm。但主要收录了动物miRNA的靶基因信息。

1.2操作环境使用微软公司的Access作为数据库管理系统平台，操作系统为微软公司的windowsXP。以miRBase数据库作为初级数据库，利用miRanda，TargetScan，Pictar、microTar，结合动脉粥样硬化的三大学说中的关键基因进行预测。

1.3数据获取首先，对数据库中Web站点进行登录，并进行动脉粥样硬化关键词搜索配对，访问数据库中的相关有效信息。逐条对搜索结果进行详细查看与记录，对于有用的信息可以通过文档下载，并手工记录。最后，将记录、分析后的资源纳入到二级数据库中。

1.4数据收集整理主要处理的数据为miRNA序列，对miRNA序列条目的字段组成、名称、其他常用标识、靶基因定位、功能描述、等相关资料进行收集保存。实际操作中，由于字段组成通常较为复杂，因此不能够直接对资料进行简单的表格记录。造成这种情况的主要原因主要是该序列并不只有一个实验者进行研究。因此，这些字段将被导入单独的数据表，以序列编号字段作为键，与和基本信息数据表保持联系。同样，与序列特征相关的注释信息也以单独的数据表表示。

1.5数据查新维护因为生物信息学信息增长较快，因此需要对数据库进行定期的筛查，以保证相关数据的时效性。通常情况下，半个月需要对数据库中的相关信息进行一次更新工作。

2结果

到2013年1月31日，目前动脉粥样硬化相关基因以及中以录入其中根据致病基因24个，密切相关基因78个，候选基因25个。对上述基因及其特异性的miRNA进行预测得到下列在动脉粥样硬化发生发展过程中特异性miRNA，如在血管内皮的损伤方面我们发现有miR-126，miR-15b，miR-16，miR-20a，miR-20b特异性表达；在血管平滑肌迁移增值方面我们发现有miR-21，miR-221/222，miR-143，miR-145。而在单核/巨噬细胞吞噬脂质成为泡沫细胞方面我们发现有miRNA-146a。

3讨论

动脉粥样硬化是当前心血管学科研究较多的一个专业方向，对于早期诊断、早期干预冠心病的发生有极其重要的意义。目前，被大部分专家和学者接受的有内皮细胞损伤学说、平滑肌细胞迁移增殖学说、单核细胞源性泡沫细胞形成细胞学说等。多年来的研究发现，多种基因或蛋白的表达上调或下降对本病的发生、发展起到了较为重要的作用。并根据基因或蛋白与本病的联系性分为密切相关、候选以及致病基因。我们对在这几个学说中的关键基因的相关特异性miRNA进行了预测[4]。以期望对于动脉粥样硬化这一心脑血管疾病的基础病变能够做到早检测早治疗。

血管的内皮细胞是具有维持血管的完整和稳定的作用，覆盖于血管腔[4]。miRNA的内皮细胞特异性表达为miR-126，其可在人脐静脉的内皮细胞中发挥对肿瘤坏死因子α诱导内皮分子的表达的抑制作用，来将内皮细胞的炎症反应进行减轻，甚至还可以对动脉粥样硬化斑块的稳定性起到调节的作用。在研究中发现miRNA-663，其可以通过对炎症因子的表达来诱导炎症反应。目前已知的诱导血管发生的生长因子中，最强的就是血管内皮生长因子，miR-15b，miR-16，miR-20a和miR-20b均对血管内皮生长因子可有靶向调节作用，通过增加血管内皮因子生长的表达，来促进血管发生。因此miRNA对血管内皮细胞的调节可影响动脉粥样斑块的发生以及发展。

在动脉硬化的进展中，血管平滑肌细胞起到了迁移以及增殖的作用，是血管发生狭窄并且使动脉粥样硬化发生的根本原因。miR-21[5]已经被证实对血管平滑肌细胞的增殖和凋亡具有非常重要的调节作用，miR-221/222在研究中发现能够促进血管平滑肌细胞的增殖。通过对小鼠的研究，如果上调miR-221/222则可使其增殖，相反抑制则会使血管平滑肌细胞增殖减少。而miR-143与miR-145在血管受到损害时，可以对血管平滑肌细胞的分化型进行加速，对其去分化型起到抑制作用，平衡了细胞的增殖与凋亡，可以很好地阻止血管发生病理变化。如能通过调控miRNA对血管平滑肌细胞的调节作用，将是非常好的治疗动脉粥样硬化的技术。

在动脉粥样硬化发生和发展的过程中，单核/巨噬细胞可以促进炎症以及斑块的破裂。斑块的稳定性主要的因素是巨噬细胞的数量和纤维冒厚度还有新生血管的多与少。研究发现miRNA对单核细胞具有调节功能，主要是对巨噬细胞的成熟、炎细胞因子和胆固醇的代谢，通过影响以上因素来影响动脉粥样硬化的发生发展。单核细胞在迁移到血管内皮时分化为巨噬细胞，并且分泌出炎症因子，为动脉粥样硬化炎症的形成提供了重要的环境。研究发现miRNA-146a能够调节能够影响脂质的摄入和炎症因子的分泌，使用miRNA抑制剂能够减少炎症因子[6]。

目前生物信息学的资源非常丰富，在心血管疾病的研究方面也在不断提高，miRNA的研究在心血管疾病方面是热点。预测miRNA是最近几年才出现的生物信息学应用，相对于验证microRNA基因而言，验证靶基因的过程更难，更具有挑战性，注定会有很长的路要走。未来我们对于miRNA及其靶基因的认识将大大地依赖于开发有效的预测方法。而实验数据的积累也将带动预测方法的不断改进miRNA及其靶基因的功能研究将成为计算科学与实验科学成功结合的良好示例。虽然目前仍旧处于实验室研究阶段，对于其在临床上的应用，还需要走更长的路接受更多的挑战，但通过对miRNA在心血管疾病中的特异性表达的鉴别，miRNA在动脉粥样硬化中起的调节作用不久必会得到了实验的研究证实，所以通过调节miRNA来进行动脉粥样硬化的治疗，并且提供更好的预防，来实现真正的治疗心血管疾病为患者带来福音将不再遥远。

参考文献

[1]吕德康，葛瑛，柏锡，等.生物信息学在植物miRNA 研究中的应用[J].生物信息学，2009，07（02）：113-116.

[2]龙万平，何延政.miRNA在动脉粥样硬化病变中作用研究进展[J].泸州医学院学报，2012，35（03）：340-342.

[3]崔庆华.代谢性心血管病变-生物信息学的应用[J].生理科学进展，2012，43（05）：361-365.

[4]宋翠珠，郭韧，张毕奎.MicroRNA 对动脉粥样硬化发生的调控作用及其临床应用[J].中国生物化学与分子生物学报，2013，29（01）：13-18.

[5]Ji R，Cheng Y，Yue J，et a1，MicroRNA expression sign—ture and antisense—mediated depletion reveal an essential role of microRNA in vascular neointimal lesion formation[J].Circ Res，2007，100（11）：1579.

[6]Yang K，He YS，Wang XQ，et al.MiR-146a inhibits oxidized low-density lipoprotein-induced lipid accumulation and inflammatory response via targeting toll-like receptor[J].FEBSett，2011，585（6）：854-860.