基于生物信息学探讨甲状腺功能亢进与骨质疏松间的作用关系*

李志超 谭国庆 徐展望 薛海鹏**

(1.山东中医药大学，山东 济南 250000；2.山东中医药大学附属医院，山东 济南 250000)

甲状腺功能亢进是临床常见内分泌性疾病，甲状腺功能亢进症引起骨量减少，增加骨折风险已得到公认[1]。甲状腺素主要通过作用下丘脑-垂体-甲状腺轴实现对骨系统的内分泌调控[2]。在骨骼发育成熟过程中，成骨细胞的骨形成及破骨细胞的骨吸收之间保持动态平衡，普遍认为甲状腺功能亢进症时高水平的甲状腺素会加快骨转换速率，造成骨代谢紊乱，促进骨吸收造成骨质疏松[3]。应用生物信息学整合甲状腺功能亢进及骨质疏松的基因数据，不仅能较为科学的从分子层面阐述甲状腺功能亢进与骨质疏松间的影响机制，而且也为药物同时干预两种疾病提供了理论基础。

1 材料和方法

分别以骨质疏松及甲状腺功能亢进为关键词在相关疾病数据库(Disgenet、TTD、OMIM、Drugbank、Genecards)中筛选相关靶点，其中Disgenet筛选评分≥0.3，Genecards筛选相关度≥5。将两组基因通过uniprot数据库转换成uniprot ID进行去重整合，获得已明确的疾病靶点。然后将两组靶点映射取得韦恩图，将得到的关键靶点通过string数据库制作靶点间相互作用PPI网络。将PPI网络TSV格式导进Cytoscape3.7.2，筛选节点连接度(degree)≥35的靶点制作核心靶点图。通过基因功能注释DAVID 数据库进行GO(Gene Ontology)生物过程富集分析以及 KEGG (Kyoto encyclopedia of genes and genomes)通路分析使基因信息可视化，分别将筛选出的前20个GO条目与KEGG条目，依据Omicshare云平台制作高级气泡图。

2 结果

经过基因库搜索、转换ID查重整合后共选出与骨质疏松症和甲状腺功能亢进相关基因875个和271个。映射出关键靶点99个，生成韦恩图(见图1)。经string数据库在0.4中信度下生成相互作用PPI网络(见图2)，其中96个靶点之间有958条相互作用关系。以筛选节点连接度(degree)≥35筛选到核心靶点16个(如图3)，所获核心靶点均直接或间接影响甲状腺功能亢进与骨质疏松。经DAVID 数据库获得44项GO富集结果(P<0.05)及45条KEGG信号通路(P<0.05)，以P值升序排列，分别筛选出符合条件的20个生物过程和信号通路，并将其以气泡图的形式展现出来(见图4、图5)。通路下所含靶点分别见表1。

表1 KEGG通路下所含靶基因(前20条)

图1 甲状腺功能亢进与骨质疏松映射关键靶点韦恩图

图2 关键靶点相互作用PPI网络图(0.4中置信度)

图3 核心靶点图(核心靶点大小为degree大小)

图4 GO富集分析气泡图(前20条)

图5 KEGG通路分析气泡图(前20条)

3 讨论

甲状腺功能亢进与骨质疏松发病机制相对复杂，受多方面调控作用影响，作为两种常见的临床代谢性疾病，各自具有庞大的基因网络，两组基因网络中又包含部分重合的基因信息。本研究应用生物信息学寻找到16个核心靶点，直接或间接调控两种疾病进程。INS(胰岛素)及IGF-1(胰岛素样生长因子-1)在糖代谢中具有重要作用，同时也影响骨质疏松及甲状腺功能亢进的发生发展。有研究发现，高糖环境能够诱导成骨细胞凋亡，具有毒性作用；同时葡萄糖在7～25 mmol·L-1浓度时能够调控破骨细胞维持最大化的骨吸收活动[4-5]。甲状腺功能亢进症患者往往因胰岛β细胞代偿性分泌增加、胰岛素抵抗等原因伴有不同程度的糖代谢异常[6]。此外高葡萄糖同样可增加TNF-α(肿瘤坏死因子α)、IL-6(白介素-6)的表达，降低矿物质的质量，并且TNF-α水平与患者骨量成反比[7]。TNF-α、IL-6作为炎症细胞释放的炎症因子参与甲亢病情的进展[8]。谢光云等通过对血清IL-6检测后认为其同样参与甲亢的发生、发展，且对甲亢复发具有一定临床意义[9]，IL-6又与TNF水平正相关，考虑其与甲亢性肝损害免疫功能失调有关[10]。研究显示糖尿病患者ALB(血清白蛋白)水平较低，并可能是糖尿病与骨质疏松的标志物[11]；甲亢患者血清ALB值也明显低于对照组，其原因在于高水平甲状腺激素降低了肝细胞合成ALB速率[12]。综上所述诸多核心靶点相互影响，协同作用于两种疾病，甲亢与骨质疏松间影响机制可能在于影响体内糖代谢水平及肝细胞生物功能，进而引起体内氧化应激及炎症反应。

通过生物功能富集分析显示出关键生物过程在于对各种生物因子的调控作用，因此细胞因子和细胞因子受体相互作用通路显得尤为重要，通过调控生物因子及其受体作用于多条通路发挥生理功能。Jak-STAT通路作为细胞因子信号转导的重要通路之一在骨的发育及代谢过程中发挥了重要作用，研究显示IL-6可通过JAK/STAT信号通路诱导破坏骨细胞分化[13]。有数据表明通过JAK/STAT信号通路同样可参与促甲状腺激素的信号传导[14]，同时多项研究认为JAK/STAT信号通路与甲状腺癌关系密切。PI3K/Akt作为经典的骨代谢通路，通过促进成骨细胞增殖、分化和骨形成而参与骨质疏松的抑制[15]。研究发现甲亢大鼠PI3K和p-Akt表达高于正常大鼠[16]，张洁等研究认为雷公藤可能通过此通路来改善小鼠甲状腺功能，降低体内氧化应激水平[17]。HIF-1除能诱导干细胞分化为破骨细胞外[18]，还能调节组织、细胞适应低氧或缺氧环境，有研究显示缺氧对大鼠成骨细胞的骨形成能力起到抑制作用[19]。甲亢患者血中HIF-1α也与体内甲状腺素水平正相关，影响甲状腺疾病的发生发展[20]。现代医学认为IBD是骨质疏松发生发展的重要影响因素，甚至认为骨质疏松症是其最为严重的并发症，其作用机制可能在于IBD患者高水平IL-6、TNF-α,破坏了骨的平衡代谢[21]，而IL-6、TNF-α介导的炎症性和自身免疫反应被认为是IBD与甲亢之间的影响机制[22]。

作为两种临床常见内分泌疾病必然有着密切联系，诸多细胞因子直接或间接通过多条通路调节体内各种激素水平、炎症、氧化应激反应等，同时我们也发现很少有学者研究通路同时对甲亢及骨质疏松产生的影响。本研究依据生物信息学找到甲亢与骨质疏松相关联靶点，并通过基因可视化，使网络样作用关系愈加清晰，当然具体作用机制需要进一步临床观察及试验验证。