Gene set enrichment analysis (GSEA) is a popular tool to identify underlying biological processes in clinical samples using their gene expression phenotypes. GSEA measures the enrichment of annotated gene sets that represent biological processes for differentially expressed genes (DEGs) in clinical samples. GSEA may be suboptimal for functional gene sets; however, because DEGs from the expression dataset may not be functional genes per se but dysregulated genes perturbed by bona fide functional genes. To overcome this shortcoming, we developed network-based GSEA (NGSEA), which measures the enrichment score of functional gene sets using the expression difference of not only individual genes but also their neighbors in the functional network. We found that NGSEA outperformed GSEA in identifying pathway gene sets for matched gene expression phenotypes. We also observed that NGSEA substantially improved the ability to retrieve known anti-cancer drugs from patient-derived gene expression data using drug-target gene sets compared with another method, Connectivity Map. We also repurposed FDA-approved drugs using NGSEA and experimentally validated budesonide as a chemical with anti-cancer effects for colorectal cancer. We, therefore, expect that NGSEA will facilitate both pathway interpretation of gene expression phenotypes and anti-cancer drug repositioning. NGSEA is freely available at www.inetbio.org/ngsea.
The small GTPase RhoA has been studied extensively for its role in actin dynamics. In this study, multiple bioinformatics tools were applied cooperatively to the microarray dataset GSE64714 to explore previously unidentified functions of RhoA. Comparative gene expression analysis revealed 545 differentially expressed genes in RhoA-null cells versus controls. Gene set enrichment analysis (GSEA) was conducted with three gene set collections: (1) the hallmark, (2) the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathway, and (3) the Gene Ontology Biological Process. GSEA results showed that RhoA is related strongly to diverse pathways: cell cycle/growth, DNA repair, metabolism, keratinization, response to fungus, and vesicular transport. These functions were verified by heatmap analysis, KEGG pathway diagramming, and direct acyclic graphing. The use of multiple gene set collections restricted the leakage of information extracted. However, gene sets from individual collections are heterogenous in gene element composition, number, and the contextual meaning embraced in names. Indeed, there was a limit to deriving functions with high accuracy and reliability simply from gene set names. The comparison of multiple gene set collections showed that although the gene sets had similar names, the gene elements were extremely heterogeneous. Thus, the type of collection chosen and the analytical context influence the interpretation of GSEA results. Nonetheless, the analyses of multiple collections made it possible to derive robust and consistent function identifications. This study confirmed several well-described roles of RhoA and revealed less explored functions, suggesting future research directions.
Gene set enrichment analysis (GSEA)는 두 개의 클래스를 가지는 마이크로어레이 실험 데이터 분석을 위해 생물학적 특징을 기반으로 구성된 다양한 유전자-집합 중에서 두 클래스의 발현값들이 통계적으로 중요한 차이를 나타내는 유의한 유전자-집합을 추출하기 위한 분석 방법이다. 특히, 유전자에 대한 다양한 생물학적인 정보를 지닌 유전자 주석 데이터베이스(Cytogenetic Band, KEGG pathway, Gene Ontology 등)를 이용하여 마이크로어레이 실험에 사용된 전체 유전자 중 특정 기능을 가지는 유전자들을 그룹화하여 다양한 유전자-집합을 발굴하고, 각 유전자-집합 내에서 두 클래스간에 발현값의 차이를 참조하여 유의한 유전자들을 결정하여, 이를 기반으로 통계적으로 유의한 유전자-집합들을 최종 검출하는 방법이다. 본 논문에서는 GSEA 분석 과정에서 현재 주로 사용되고 있는 signal-to-noise ratio 기반 유전자 서열화(gene ranking) 방법 대신에, Fisher criterion을 이용한 유전자 서열화 방법을 적용함으로써 기존의 GSEA 방법에서 추출하지 못한 생물학적으로 의미 있는 새로운 유의 유전자-집합을 추출하는 방법을 제안하고자 한다. 또한, 제안한 방법의 성능을 고찰하기 위하여 공개된 Leukemia 관련 마이크로어레이 실험 데이터 분석에 적용하였으며, 기존의 알려진 결과와 비교 분석함으로써 제안한 방법의 유용성을 검증하고자 하였다.
Chae, Yong Kwon;Shin, Seo Young;Kang, Sang Wook;Choi, Sung Chul;Nam, Ok Hyung
Journal of Periodontal and Implant Science
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제52권2호
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pp.127-140
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2022
Purpose: In dental avulsion, delayed replantation usually has an uncertain prognosis. After tooth replantation, complex inflammatory responses promote a return to periodontal tissue homeostasis. Various types of cytokines are produced in the inflammatory microenvironment, and these cytokines determine the periodontal tissue response. This study aimed to identify the gene expression profiles of replanted teeth and evaluate the functional differences between immediate and delayed replantation. Methods: Maxillary molars from Sprague-Dawley rats were extracted, exposed to a dry environment, and then replanted. The animals were divided into 2 groups according to the extra-oral time: immediate replantation (dry for 5 minutes) and delayed replantation (dry for 60 minutes). Either 3 or 7 days after replantation, the animals were sacrificed. Periodontal soft tissues were harvested for mRNA sequencing. Hallmark gene set enrichment analysis was performed to predict the function of gene-gene interactions. The normalized enrichment score (NES) was calculated to determine functional differences. Results: The hallmark gene sets enriched in delayed replantation at 3 days were oxidative phosphorylation (NES=2.82, Q<0.001) and tumor necrosis factor-alpha (TNF-α) signaling via the nuclear factor kappa light chain enhancer of activated B cells (NF-κB) pathway (NES=1.52, Q=0.034). At 7 days after delayed replantation, TNF-α signaling via the NF-κB pathway (NES=-1.82, Q=0.002), angiogenesis (NES=-1.66, Q=0.01), and the transforming growth factor-beta signaling pathway (NES=-1.46, Q=0.051) were negatively highlighted. Conclusions: Differentially expressed gene profiles were significantly different between immediate and delayed replantation. TNF-α signaling via the NF-κB pathway was marked during the healing process. However, the enrichment score of this pathway changed in a time-dependent manner between immediate and delayed replantation.
Mammalian target of rapamycin (mTOR) is a serine-threonine kinase member of the cellular phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) pathway, which is involved in multiple biological functions by transcriptional and translational control. mTOR is a downstream mediator in the PI3K/Akt signaling pathway and plays a critical role in cell survival. In cancer, this pathway can be activated by membrane receptors, including the HER (or ErbB) family of growth factor receptors, the insulin-like growth factor receptor, and the estrogen receptor. In the present work, we congregated an electronic network of mTORC1 built on an assembly of data using natural language processing, consisting of 470 edges (activations/interactions and/or inhibitions) and 206 nodes representing genes/proteins, using the Cytoscape 3.6.0 editor and its plugins for analysis. The experimental design included the extraction of gene expression data related to five distinct types of cancers, namely, pancreatic ductal adenocarcinoma, hepatic cirrhosis, cervical cancer, glioblastoma, and anaplastic thyroid cancer from Gene Expression Omnibus (NCBI GEO) followed by pre-processing and normalization of the data using R & Bioconductor. ExprEssence plugin was used for network condensation to identify differentially expressed genes across the gene expression samples. Gene Ontology (GO) analysis was performed to find out the over-represented GO terms in the network. In addition, pathway enrichment and functional module analysis of the protein-protein interaction (PPI) network were also conducted. Our results indicated NOTCH1, NOTCH3, FLCN, SOD1, SOD2, NF1, and TLR4 as upregulated proteins in different cancer types highlighting their role in cancer progression. The MCODE analysis identified gene clusters for each cancer type with MYC, PCNA, PARP1, IDH1, FGF10, PTEN, and CCND1 as hub genes with high connectivity. MYC for cervical cancer, IDH1 for hepatic cirrhosis, MGMT for glioblastoma and CCND1 for anaplastic thyroid cancer were identified as genes with prognostic importance using survival analysis.
Objectives : This study used a network pharmacology approach to elucidate the efficacy and molecular mechanisms of Daehwangmokdanpitang (DHMDPT) on Psoriasis. Methods : Using OASIS databases and PubChem database, compounds of DHMDPT and their target genes were collected. The putative target genes of DHMDPT and known target genes of psoriasis were compared and found the correlation. Then, the network was constructed using Cytoscape 3.10.1. The key target genes were screened by Analyzer network and their functional enrichment analysis was conducted based on the Gene Ontology (GO) enrichment analysis and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) Pathways to predict the mechanisms. Results : The result showed that total 30 compounds and 439 related genes were gathered from DHMDPT. 264 genes were interacted with psoriasis gene set, suggesting that the effects of DHMDPT are closely related to psoriasis. Based on GO enrichment analysis and KEGG pathways, 'Binding', 'Cytokine Activity', 'Receptor Ligand Activity' 'HIF-1 signaling pathway', 'IL-17 signaling pathway', 'Toll-like receptor signaling pathway', and 'TNF signaling pathway' were predicted as functional pathways of 16 key target genes of DHMDPT on psoriasis. Among the target genes, IL6, IL1B, TNF, AKT1 showed high correlation with the results of KEGG pathways. Additionally, Emodin, Acetovanillone, Gallic acid, and Ferulic acid showed a high relevance with key genes and their mechanisms. Conclusion : Through a network pharmacological method, DHMDPT was predicted to have high relevance with psoriasis. This study could be used as a basis for studying therapeutic effects of DHMDPT on psoriasis.
Prostate cancer is a highly prevalent disease in older men of the western world. MicroRNAs (miRNAs) are small RNA molecules that regulate gene expression via posttranscriptional inhibition of protein synthesis. To identify the diagnostic potential of miRNAs in prostate cancer, we downloaded the miRNA expression profile of prostate cancer from the GEO database and analysed the differentially expressed miRNAs (DE-miRNAs) in prostate cancerous tissue compared to non-cancerous tissue. Then, the targets of these DE-miRNAs were extracted from the database and mapped to the STRING and KEGG databases for network construction and pathway enrichment analysis. We identified a total of 16 miRNAs that showed a significant differential expression in cancer samples. A total of 9 target genes corresponding to 3 DE-miRNAs were obtained. After network and pathway enrichment analysis, we finally demonstrated that miR-20 appears to play an important role in the regulation of prostate cancer onset. MiR-20 as single biomarker or in combination could be useful in the diagnosis of prostate cancer. We anticipate our study could provide the groundwork for further experiments.
We have previously reported that NS-398, a cyclooxygenase-2 (COX-2)-selective inhibitor, inhibited replicative cellular senescence in human dermal fibroblasts and skin aging in hairless mice. In contrast, celecoxib, another COX-2-selective inhibitor, and aspirin, a non-selective COX inhibitor, accelerated the senescence and aging. To figure out causal factors for the senescence-modulating effect of the inhibitors, we here performed cDNA microarray experiment and subsequent Gene Set Enrichment Analysis. The data showed that several senescence-related gene sets were regulated by the inhibitor treatment. NS-398 up-regulated gene sets involved in the tumor necrosis factor ${\beta}$ receptor pathway and the fructose and mannose metabolism, whereas it down-regulated a gene set involved in protein secretion. Celecoxib up-regulated gene sets involved in G2M checkpoint and E2F targets. Aspirin up-regulated the gene set involved in protein secretion, and down-regulated gene sets involved in RNA transcription. These results suggest that COX inhibitors modulate cellular senescence by different mechanisms and will provide useful information to understand senescence-modulating mechanisms of COX inhibitors.
Objective: Microarray data were analyzed to explore key genes and their functions in progression of colorectal cancer (CRC). Methods: Two microarray data sets were downloaded from Gene Expression Omnibus (GEO) database and differentially expressed genes (DEGs) were identified using corresponding packages of R. Functional enrichment analysis was performed with DAVID tools to uncover their biological functions. Results: 631 and 590 DEGs were obtained from the two data sets, respectively. A total of 32 common DEGs were then screened out with the rank product method. The significantly enriched GO terms included inflammatory response, response to wounding and response to drugs. Two interleukin-related domains were revealed in the domain analysis. KEGG pathway enrichment analysis showed that the PPAR signaling pathway and the renin-angiotensin system were enriched in the DEGs. Conclusions: Our study to systemically characterize gene expression changes in CRC with microarray technology revealed changes in a range of key genes, pathways and function modules. Their utility in diagnosis and treatment now require exploration.
Objectives : Because predicting the potential efficacy and mechanisms of Korean medicines is challenging due to their high complexity, employing an approach based on network pharmacology could be effective. In this study, network pharmacological analysis was utilized to anticipate the effects of YunPye-Hwan (YPH) in treating Chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Methods : Compounds and their related target genes of YPH were gathered from the TCMSP and PubChem databases. These target genes of YPH were subsequently compared with gene sets associated with COPD to assess correlation. Next, core genes were identified through a two-step screening process, and finally, functional enrichment analysis of these core genes was conducted using both Gene Ontology (GO) enrichment analysis and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) Pathways. Results : A total of 15 compounds and 437 target genes were gathered, resulting in a network comprising 473 nodes and 14,137 edges. Among them, 276 genes overlapped with gene sets associated with COPD, indicating a significant correlation between YPH and COPD. Functional enrichment analysis of the 18 core genes revealed biological processes and pathways such as "miRNA Transcription," "Nucleic Acid-Templated Transcription," "DNA-binding Transcription Factor Activity," "MAPK signaling pathway," and "TNF signaling pathway" were implicated. Conclusion : YPH exhibited significant relevance to COPD by modulating cell proliferation, differentiation, inflammation, and cell death pathways. This study could serve as a foundational framework for further research investigating the potential use of YPH in the treatment of COPD.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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