Luận văn identifying the effect of exposure to dioxin and furans on human health leading to diffuse large b lymphoma through gene network construction

Dioxin và furan là hai chất độc hại thuộc nhóm POPs (Persistent Organic Compounds), có… 87 trang · Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry · 2017.

• Tác giả: Nguyen Thi Quynh Lam
• Người hướng dẫn: Prof. Chun-Yu Chuang
• Trường học: Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry
• Chuyên ngành: Environmental Science and Management
• Đề tài: Identifying the effect of exposure to dioxin and furan on human health leading to diffuse large B lymphoma through gene-network construction
• Loại tài liệu: Bachelor thesis
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thai Nguyen

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• TABLE OF CONTENTS
• 1. Persistent Organic Compounds (POPs)
• 2. Dioxins and dioxin – liked compounds
• 3. 2,3,7,8 tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD)
• 4. Lymphoma and non – Hodgkin lymphoma
• 5. Diffuse large B lymphoma
• 6. SNPs of Diffuse Large B lymphoma
• 7. Gene - network components
• 8. Gene network database: Array Express and GEO
• 9. Gene Network construction tools
• 10. Network Analyst website
• 11. Cytoscape software and plugins: ClueGO and CluePedia Apps
• 12. RESULTS AND DISCUSSION
• 12.1. Differentially genes expression
• 12.2. Gene-network construction of DLBCL, TCDD and Furans
• 12.3. Protein – protein interaction network of DLBCL, TCDD and Furans
• 12.4. Potential pathway showing the relation between TCDD and Furans and Diffuse Large B lymphoma
• 12.5. AhR – mediated key factor of dioxins – like compounds
• 12.6. Key factors of hypoxia response and the risk of MYC – TP53 interaction
• 12.7. Inhibition of cancer cell apoptosis and tumorigenesis factor in DLBCL
• 12.8. Differentially expressed genes of DLBCL versus normal cell
• 12.9. Differentially expressed genes of exposure to TCDD group and versus control group
• 12.10. Differentially expressed genes of exposure to FURANS group versus control group
• 12.11. Hub proteins of DLBCL network
• 12.12. Hub proteins of TCDD network
• 12.13. Hub proteins of FURANS network
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATIONS

Tóm tắt

I. Ảnh hưởng của dioxin và furan đến sức khỏe con người

Dioxin và furan là hai chất độc hại thuộc nhóm POPs (Persistent Organic Compounds), có khả năng tích tụ trong môi trường và chuỗi thức ăn. TCDD (2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin) và furan được xem là đại diện tiêu biểu của nhóm này, gây ra nhiều tác động tiêu cực đến sức khỏe con người. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc tiếp xúc với các chất này có thể dẫn đến u lympho tế bào lớn lan tỏa (DLBCL), một dạng phổ biến của bệnh u lympho. Cơ chế chính liên quan đến việc kích hoạt thụ thể AhR (Aryl Hydrocarbon Receptor), từ đó gây ra các biến đổi gen và thúc đẩy quá trình ung thư.

1.1. Cơ chế tác động của dioxin và furan

Dioxin và furan tác động thông qua việc liên kết với thụ thể AhR, một yếu tố phiên mã quan trọng. Khi AhR được kích hoạt, nó di chuyển vào nhân tế bào và tạo thành phức hợp với ARNT (Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator), từ đó kích hoạt các yếu tố đáp ứng xenobiotic (XRE). Quá trình này dẫn đến sự biểu hiện bất thường của các gen liên quan đến ung thư hạch, đặc biệt là DLBCL. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, TCDD và furan có khả năng kích hoạt protein TWIST1, một yếu tố thúc đẩy sự tiến triển của DLBCL.

1.2. Tác động đến sức khỏe cộng đồng

Việc tiếp xúc với dioxin và furan không chỉ ảnh hưởng đến cá nhân mà còn tác động đến sức khỏe cộng đồng. Các chất này có thể tích tụ trong mô mỡ và được giải phóng dần vào máu, gây ra các bệnh lý mãn tính như ung thư, rối loạn chuyển hóa, và suy giảm miễn dịch. Đặc biệt, tại Việt Nam, việc sử dụng chất độc da cam trong chiến tranh đã để lại hậu quả lâu dài, với tỷ lệ mắc bệnh u lympho tăng đáng kể trong những năm gần đây.

II. Xây dựng mạng lưới gen và phân tích tác động

Nghiên cứu sử dụng phân tích bioinformatics để xác định các gen biểu hiện khác biệt (DEGs) liên quan đến DLBCL và sự tiếp xúc với TCDD và furan. Dữ liệu được thu thập từ các cơ sở dữ liệu GEO (Gene Expression Omnibus) và Array Express, sau đó được phân tích bằng phần mềm Cytoscape cùng các plugin ClueGO và CluePedia. Kết quả cho thấy, các gen biểu hiện khác biệt đã được sử dụng để xây dựng mạng lưới gen, từ đó xác định các con đường tiềm năng mà dioxin và furan có thể gây ra DLBCL.

2.1. Phân tích gen biểu hiện khác biệt

Nghiên cứu đã xác định được các DEGs trong mô DLBCL so với tế bào bình thường, cũng như trong các nhóm tiếp xúc với TCDD và furan. Các gen này bao gồm cả gen được điều hòa tăng và giảm, liên quan đến các quá trình sinh học như tăng sinh tế bào, ức chế apoptosis, và rối loạn chuyển hóa. Điều này cho thấy sự tác động mạnh mẽ của dioxin và furan đến hệ gen của con người.

2.2. Xây dựng mạng lưới tương tác protein

Sử dụng CluePedia, nghiên cứu đã xây dựng được mạng lưới tương tác protein của DLBCL, TCDD, và furan. Các protein trung tâm (hub proteins) được xác định, bao gồm các yếu tố như AhR, TWIST1, và MYC. Những protein này đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự tiến triển của DLBCL thông qua các con đường tín hiệu phức tạp.

III. Ứng dụng thực tiễn và hướng nghiên cứu tương lai

Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế phân tử của DLBCL mà còn mở ra hướng đi mới trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh. Việc xác định các DEGs và hub proteins có thể giúp phát triển các liệu pháp nhắm mục tiêu, cải thiện hiệu quả điều trị. Ngoài ra, nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của y học môi trường trong việc giảm thiểu tác động của độc tố môi trường đến sức khỏe con người.

3.1. Tiềm năng trong chẩn đoán và điều trị

Việc xác định các DEGs và hub proteins liên quan đến DLBCL và dioxin có thể trở thành cơ sở cho việc phát triển các biomarker chẩn đoán và liệu pháp nhắm mục tiêu. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh DLBCL là một trong những dạng ung thư hạch phổ biến nhất, với tỷ lệ tử vong cao nếu không được điều trị kịp thời.

3.2. Hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu này là bước đầu tiên trong việc khám phá mối liên hệ giữa dioxin, furan, và DLBCL. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc xác định thêm các gen đột biến và con đường tín hiệu liên quan, cũng như đánh giá tác động của các độc tố môi trường khác đến sức khỏe con người.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Dioxins và các hợp chất tương tự dioxins, đặc biệt là 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) và polychlorinated dibenzofurans (furans), là những chất ô nhiễm hữu cơ bền vững (POPs) có khả năng tích tụ sinh học và gây ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe con người. Theo ước tính, khoảng 2700 ca mắc bệnh lymphoma không Hodgkin được ghi nhận mỗi năm tại Việt Nam, trong đó Diffuse Large B Cell Lymphoma (DLBCL) chiếm tới 40% các trường hợp lymphoma. Mặc dù nguyên nhân chính xác của DLBCL chưa được xác định rõ, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra sự liên quan giữa các biến đổi gen và sự phát triển của bệnh. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu xác định ảnh hưởng của việc tiếp xúc với dioxins và furans đến sự biểu hiện gen liên quan đến DLBCL thông qua xây dựng mạng lưới gen, từ đó làm rõ cơ chế sinh học tiềm năng dẫn đến bệnh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào dữ liệu biểu hiện gen của người thu thập từ các cơ sở dữ liệu công khai như Gene Expression Omnibus (GEO) và Array Express, với tổng cộng 809 mẫu, bao gồm 243 mẫu DLBCL, 376 mẫu tiếp xúc TCDD và 30 mẫu tiếp xúc furans. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ góp phần làm sáng tỏ mối liên hệ giữa ô nhiễm môi trường và bệnh lý ung thư mà còn hỗ trợ phát triển các phương pháp chẩn đoán và điều trị DLBCL trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Tác động của POPs và dioxins lên sức khỏe con người: Dioxins và furans là các hợp chất lipophilic, bền vững, có khả năng tích tụ trong mô mỡ và gây ra các tác động độc hại như ung thư, rối loạn miễn dịch và đột biến gen thông qua việc kích hoạt thụ thể Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR).
• Sinh học phân tử của DLBCL: DLBCL là loại lymphoma phổ biến nhất thuộc nhóm B cell non-Hodgkin lymphoma, với các biến đổi gen như đột biến hoặc biểu hiện bất thường của các proto-oncogenes (BCL6, BCL2, MYC) và các gen điều hòa apoptosis, DNA repair.
• Mạng lưới gen và phân tích biểu hiện gen: Sử dụng công nghệ microarray và phân tích bioinformatics để xác định các gene khác biệt biểu hiện (DEGs) giữa nhóm bệnh và nhóm đối chứng, từ đó xây dựng mạng lưới tương tác protein-protein (PPI) nhằm khám phá các con đường sinh học liên quan.
• Ứng dụng phần mềm Cytoscape và các plugin ClueGO, CluePedia: Hỗ trợ phân tích và trực quan hóa mạng lưới gen, xác định các hub-protein quan trọng và các con đường sinh học liên quan đến tác động của dioxins đến DLBCL.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập 10 bộ dữ liệu microarray từ GEO và Array Express, bao gồm 4 bộ dữ liệu DLBCL (243 mẫu), 5 bộ dữ liệu TCDD (376 mẫu) và 1 bộ dữ liệu furans (30 mẫu). Các mẫu DLBCL lấy từ mô bệnh lý, mẫu TCDD và furans từ các dòng tế bào người tiếp xúc hóa chất.
• Phân tích dữ liệu: Sử dụng Network Analyst để chuẩn hóa dữ liệu, chuyển đổi ID gene, và thực hiện phân tích biểu hiện gen khác biệt với ngưỡng |fold change| ≥ 1.2 và điều chỉnh p-value theo phương pháp Benjamini-Hochberg (FDR ≤ 0.05).
• Meta-analysis: Kết hợp dữ liệu từ nhiều bộ dữ liệu để tăng độ tin cậy của các DEGs được xác định.
• Xây dựng mạng lưới gen: Sử dụng Cytoscape cùng các plugin ClueGO và CluePedia để phân tích Gene Ontology (GO), xây dựng mạng lưới tương tác protein-protein, xác định các hub-protein và mô hình hóa con đường sinh học tiềm năng liên quan đến DLBCL và tác động của dioxins.
• Timeline nghiên cứu: Dữ liệu thu thập và phân tích từ tháng 9/2015 đến tháng 9/2017, hoàn thiện luận văn vào cuối năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Số lượng gene biểu hiện khác biệt: Tổng cộng 1228 DEGs được xác định, trong đó DLBCL có 488 DEGs (316 gene tăng biểu hiện, 172 gene giảm biểu hiện), TCDD có 288 DEGs (268 tăng, 20 giảm), và furans có 512 DEGs (217 tăng, 295 giảm).
2. Mạng lưới Gene Ontology: 15 con đường sinh học chính được xác định liên quan đến DLBCL và tác động của dioxins, bao gồm phản ứng với kích thích xenobiotic, điều hòa sinh sản lympho bào, tín hiệu NF-kB, điều hòa chu kỳ tế bào G2/M, và điều hòa sửa đổi histone.
3. Hub-protein quan trọng: 55 hub-protein trong mạng DLBCL, 62 trong mạng TCDD và 49 trong mạng furans được xác định. Các protein trung tâm như TP53, MYC, JUN, EGFR, UBC đóng vai trò quan trọng trong mạng lưới tương tác.
4. Con đường tiềm năng liên quan đến Dioxins và DLBCL: Mạng lưới protein-protein cho thấy con đường AhR – FOS – MYC – TP53 – YBX1 – TWIST1 là cơ chế chính, trong đó AhR được kích hoạt bởi dioxins, dẫn đến biểu hiện các protein liên quan đến tăng sinh tế bào, ức chế apoptosis và tiến triển lymphoma.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy dioxins và furans có khả năng kích hoạt thụ thể AhR, từ đó ảnh hưởng đến biểu hiện gen liên quan đến sự phát triển DLBCL. Các con đường sinh học như điều hòa chu kỳ tế bào, tín hiệu NF-kB và sửa đổi epigenetic được xác định phù hợp với các nghiên cứu trước đây về cơ chế sinh ung thư do dioxins. Sự tương đồng trong các hub-protein và con đường sinh học giữa DLBCL và nhóm tiếp xúc dioxins củng cố giả thuyết về mối liên hệ nhân quả. Biểu đồ mạng lưới protein-protein và bảng thống kê DEGs có thể được sử dụng để minh họa rõ ràng hơn mối quan hệ này. Nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các biomarker chẩn đoán và mục tiêu điều trị dựa trên mạng lưới gen.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường giám sát và kiểm soát ô nhiễm dioxins: Cơ quan quản lý môi trường cần thiết lập hệ thống giám sát định kỳ nồng độ dioxins trong môi trường và thực phẩm, nhằm giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm cho cộng đồng trong vòng 3 năm tới.
2. Phát triển công nghệ sinh học phân tử ứng dụng trong chẩn đoán DLBCL: Các viện nghiên cứu và bệnh viện nên đầu tư vào công nghệ microarray và phân tích mạng lưới gen để phát hiện sớm các biến đổi gen liên quan đến DLBCL, nâng cao tỷ lệ chữa khỏi trong 5 năm tới.
3. Tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình giáo dục về tác hại của dioxins và cách phòng tránh phơi nhiễm, đặc biệt tại các vùng có nguy cơ cao, nhằm giảm tỷ lệ mắc bệnh liên quan trong vòng 2 năm.
4. Hợp tác quốc tế trong nghiên cứu và điều trị: Khuyến khích các tổ chức y tế và nghiên cứu trong nước hợp tác với các trung tâm quốc tế để phát triển các liệu pháp điều trị dựa trên cơ chế phân tử của DLBCL, hướng tới cải thiện chất lượng điều trị trong 5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu môi trường và độc học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và phương pháp phân tích mạng lưới gen giúp hiểu rõ tác động của dioxins đến sức khỏe con người.
2. Bác sĩ và chuyên gia ung bướu: Thông tin về cơ chế phân tử và các biomarker tiềm năng hỗ trợ chẩn đoán và điều trị DLBCL hiệu quả hơn.
3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Cơ sở khoa học để xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm và phòng ngừa bệnh liên quan đến dioxins.
4. Sinh viên và học giả ngành khoa học môi trường, sinh học phân tử: Tài liệu tham khảo về ứng dụng bioinformatics trong nghiên cứu bệnh lý liên quan đến môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Dioxins là gì và tại sao chúng nguy hiểm?
   Dioxins là nhóm hợp chất hữu cơ bền vững, tích tụ sinh học và có khả năng gây ung thư, rối loạn miễn dịch thông qua kích hoạt thụ thể AhR, ảnh hưởng đến biểu hiện gen và tế bào.

2. DLBCL là loại lymphoma phổ biến như thế nào?
   DLBCL chiếm khoảng 40% các trường hợp lymphoma không Hodgkin, là loại ung thư tế bào B phổ biến nhất ở người trưởng thành.

3. Phương pháp bioinformatics được sử dụng trong nghiên cứu này là gì?
   Nghiên cứu sử dụng phân tích biểu hiện gen từ dữ liệu microarray, xây dựng mạng lưới tương tác protein-protein bằng phần mềm Cytoscape và các plugin ClueGO, CluePedia để xác định các con đường sinh học liên quan.

4. AhR đóng vai trò gì trong cơ chế gây bệnh của dioxins?
   AhR là thụ thể nhân tế bào được kích hoạt bởi dioxins, dẫn đến thay đổi biểu hiện gen, tăng sinh tế bào và ức chế apoptosis, góp phần vào sự phát triển của DLBCL.

5. Nghiên cứu này có thể ứng dụng như thế nào trong thực tế?
   Kết quả giúp phát triển các biomarker chẩn đoán sớm DLBCL, hỗ trợ xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm và phát triển liệu pháp điều trị dựa trên cơ chế phân tử.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định được 1228 gene biểu hiện khác biệt liên quan đến DLBCL và phơi nhiễm dioxins/furans.
• Mạng lưới gen và protein-protein interaction cho thấy con đường AhR – FOS – MYC – TP53 – YBX1 – TWIST1 là cơ chế tiềm năng dẫn đến DLBCL.
• Kết quả củng cố mối liên hệ giữa ô nhiễm môi trường và ung thư, mở ra hướng nghiên cứu mới trong chẩn đoán và điều trị.
• Đề xuất các giải pháp kiểm soát ô nhiễm, phát triển công nghệ sinh học phân tử và nâng cao nhận thức cộng đồng.
• Khuyến khích hợp tác nghiên cứu quốc tế và ứng dụng kết quả vào thực tiễn y tế và môi trường trong 3-5 năm tới.

Hành động tiếp theo là triển khai các nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phân tử và phát triển các công cụ chẩn đoán, đồng thời thúc đẩy chính sách kiểm soát ô nhiễm dioxins nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

THAI NGUYEN UNIVERSITY UNIVERSITY OF AGRICULTURE AND FORESTRY NGUYEN THI QUYNH LAM IDENTIFYING THE EFFECT OF EXPOSURE TO DIOXIN AND FURAN ON HUMAN HEALTH LEADING TO DIFFUSE LARGE B LYMPHOMA THROUGH GENE-NETWORK CONSTRUCTION BACHELOR THESIS Study Mode: Full-time Major: Environmental Science and Management Faculty: International Programs Office Batch: 2013 - 2017 Thai Nguyen, December 2017 DOCUMENTATION PAGE WITH ABSTRACT Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry Degree Program Bachelor of Environmental Science and Management Student name Nguyen Thi Quynh Lam Student ID DTN1353110372 Identifying the effect of exposure to dioxin and furans on Thesis Title human health leading to diffuse large B lymphoma through gene-network construction Supervisor(s) Prof. ChunYu Chuang, Assoc. Tran Thi Thu Ha Abstract: Many studies indicated that exposure to dioxins and dioxins – compounds (e., 2,3,7,8 tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) and polychlorinated dibenzofurans (furans) can induce several outcomes on human and animal in the long term period, and one of them is diffuse large B lymphoma which is considered as the most popular kind of lymphoma. In order to identify the gene expression altered by TCDD and Furans potentially underlying DLBCL development, bioinformatics meta-analysis was applied in this study.

In this study, 10 datasets containing the information of gene expression of DLBCL, TCDD and Furans were obtained from Gene Expression Omnibus (GEO) and Array Express websites, and further analyzed using Cytoscape software and its plugins – ClueGO and CluePedia. As a result, the most differentially expressed genes were found to construct gene- networks of DLBCL, TCDD and furans and hence the potential pathway presented how dioxins could cause the progress of lymphoma. In addition, the analytical result i reported that TCDD and furans have a possibility to induce the receptor AhR which promotes the appearance of protein TWIST1 and enhance the progress of DLBCL. The result of this study has made a great contribution for further dioxins study, and it is also considered as the initial steps of future work for DLBCL diagnosis and treatment.

Keywords: TCDD, Furans, DBLCL, bioinformatics, GEO, Array Express Number of pages: 87 Date of Submission: 20/09/2017 Supervisor’s signature ii ACKNOWLEDGEMENT First of all, I would like to use this opportunity to express my deepest gratitude and special thanks to Prof. Chun-Yu Chuang for her patient to guide and keep me on the correct path and show me many of wonderful things during the time of my internship at the Department of Biomedical Engineering and Environmental Science at National Tsing Hua University. I would like to express my deep thanks to Assoc. Tran Thi Thu Ha for giving me necessary advices and guidance in order to complete my thesis.

My sincere thanks are also given to all the members working in the Department of Biomedical Engineering and Environmental Science for supporting me all the materials and necessities when conducting experiments for my research. Finally, I would like to thank my family and my friends encouraging me and advising me during completion of this thesis. Thai Nguyen, October 2017 Nguyen Thi Quynh Lam iii TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENT. iii TABLE OF CONTENTS.

iv LIST OF FIGURES. vii LIST OF TABLES. viii LIST OF ABBREVIATIONS. Persistent Organic Compounds (POPs).

Dioxins and dioxin – liked compounds. Lymphoma and non – Hodgkin lymphoma. Diffuse large B lymphoma. SNPs of Diffuse Large B lymphoma.

Gene - network components. Gene network database: Array Express and GEO. Gene Network construction tools. Network Analyst website.

Cytoscape software and plugins: ClueGO and CluePedia Apps. RESULTS AND DISCUSSION. Differentially genes expression. Gene-network construction of DLBCL, TCDD and Furans.

Protein – protein interaction network of DLBCL, TCDD and Furans. Potential pathway showing the relation between TCDD and Furans and Diffuse Large B lymphoma. AhR – mediated key factor of dioxins – like compounds. Key factors of hypoxia response and the risk of MYC – TP53 interaction.

Inhibition of cancer cell apoptosis and tumorigenesis factor in DLBCL. Differentially expressed genes of DLBCL versus normal cell. Differentially expressed genes of exposure to TCDD group and versus control group. Differentially expressed genes of exposure to FURANS group versus control group.

Hub proteins of DLBCL network .