面向大规模临床烧伤基因表达谱数据的多因子时间过程建模以及烧伤关联基因调控通路研究

Molecular and cellular mechanism of hypoxia-ischemia, molecular mechanism of infection and new treatment for infection, molecular level clinical treatment, new rehabilitation techniques, and personalized medicine scheme post burns are all the main research focuses in burn clinical study. DNA microarray, as a representative of omics techniques has greatly facilitated the basic clinical study on burn medicine. Revealing the mechanism of gene response post burns is becoming one of the hot topics in burns molecular biology research. Based on the obtained gene expression profiles of 3000 experiments on about 1000 patients with large total body surface area (TSBA >20%) burns, we build multifactorial time-course models. The complex characteristics of gene profiles are considered including the correlation structure of the time series points in cross-sectional sampling and longitude sampling. We further build new gene clustering analysis methods based on the response pattern of the burn related genes with respect to the time course of post burn days. The multifactorial effects of age, sex and body mass index will be explored by combing the multifactorial time-course model and gene clustering analysis. The study will reveal the critical genes and their response patterns involved in burns versus non-burns, survival versus death, acute phase versus wound repair phase in post burn progression. Furthermore, regulatory networks of involved genes in post burn progression will be revealed by integrating gene expression profiles, protein-protein interaction and gene regulatory network data. This study will provide genomic theory basis for drug action timing, potential drug targets, personalized medicine and burn injury wound repair.

烧伤后缺血缺氧损害的细胞分子机制、感染的分子机理及抗感染新措施，以及分子水平上的临床救治、康复新技术和个性化治疗方案，一直是烧伤临床医学的主要研究内容。基因微阵列技术已在烧伤医学的基础研究中产生重要作用，揭示烧伤后基因应答机制，成为当前烧伤分子生物学的研究热点之一。本课题在获得近千例大面积烧伤病人的各组织基因表达谱（3000个）的基础上，针对其交叉取样等复杂特性，建立基因随年龄和烧伤后时间变化等多因子时间过程模型，基于关联基因的应答模式特征，进行病情发展过程的基因聚类分析，探索年龄、性别以及体重指数等因子的作用效应，发现烧伤与未烧伤、存活与死亡、急性期与修复期等烧伤发展各阶段的关键基因及其应答模式。进而，整合基因表达谱、蛋白质相互作用和基因调控等数据，揭示烧伤后发展过程中的关联基因调控通路。本项目将为寻找烧伤后药物作用关键时机、潜在药物靶点、个性化医疗及创伤修复提供基因组水平上科学依据。

年龄、性别等多种因子对烧伤预后及基因表达有显著影响，但其机制尚不清楚。本项目对烧伤基因表达谱的不均匀采样多因子时间过程进行建模，在获得近千例大面积烧伤病人的血液、皮肤、肌肉、脂肪四种组织基因表达谱（3000个）的基础上，建立了中值平滑、自然样条三次平滑和年龄三次根方和时间序列函数，基于通用线性模型，对照组数据上对年龄和性别对基因表达建模，识别了随年龄和烧伤时间的差异表达变化基因。调整年龄和性别等因子对表达的影响，以1.2倍为阈值，成功获得了四种组织的烧伤关联基因，重叠度分析发现四种组织关联基因重叠显著。其中，对烧伤后0-39天256个病人和100个对照白细胞时间序列基因表达谱中值平滑和随后的层次聚类，发现225和1651个探针集具有显著性差异，对应176 和1256 已注释基因，76和590分别下调，其余上调。性别关联基因大部分位于性染色体上。基于年龄和性别影响校正后地烧伤关联基因的应答模式特征，进行病情发展过程的基因功能聚类分析。我们发现五组受时间调控的基因表达模式，这五组基因功能富集于免疫、代谢、感染和伤口愈合。而且发现了三个时间变化关键点，分别为烧伤后3、11、33天。在1.5 – 11天，代谢基因上调，免疫基因在3-33天下调，同期感染上调、愈合基因此期表达变化。基于烧伤应答基因的聚类，我们还进行调节因子-转录因子-靶基因调控通路预测的三元概率模型的构建研究，三元基因概率模型有效整合了烧伤基因表达谱，蛋白质相互作用网络及基因调控网络等多源数据，挖掘出烧伤关联基因的复杂调控通路。本项目为寻找烧伤后药物作用关键时期、潜在药物靶点、对临床病人康复医疗具有重要指导意义。建立的模型对肿瘤生物信息学基因表达在肿瘤发生发展变化和突变基因演化轨迹建模也具有重要的参考价值。