基因表达谱的SOM聚类分析识别功能基因集

前不久我接触了这样一个分析，给定基因表达矩阵后，通过 自组织映射（Self-organizing map，SOM） 技术识别其中的高表达基因集，以便和功能建立关联。

下文将该方法简称为SOM聚类分析，因为它就是一种基于神经网络的聚类算法。那么，SOM聚类在表达谱数据中是如何应用的呢？本篇我们就来看一下。

为了帮助大家理解这种方法，首先来看文献“ NLRP3 inflammasome activation drives tau pathology ”中的部分内容。

作者构建小鼠模型，模拟额颞叶痴呆（FTD）病理学效应。Tau22小鼠转基因了人类tauFTD变体，并在一段时间内发展为tau病理学。获取野生型（WT）和Tau22小鼠的脑组织并提取RNA，包括2、8、11月龄的小鼠，进行RNA芯片分析基因表达，获得脑组织在tau病理学过程中显著被激活的基因。

作者通过SOM聚类，鉴定了参与tau蛋白的致病性基因集 。分别根据野生型或Tau22小鼠在3、8、11月时间点的相似表达水平将基因分组，并根据表达水平升高将其定义为每种条件的特征基因。共识别了6个主要的表达模块，同一模块内的基因集具有相似的表达模式，它们在该时间点均处于相对高表达的状态，暗示它们在这些时间点中发挥主要活性。

为了明确这些高度活跃的基因发挥的功能，随后作者通过基因集富集分析（GSEA），比较Tau22小鼠相较于WT小鼠中哪些途径被激活。在3个月大的Tau22小鼠中，特征基因显示与免疫反应的联系，表明在疾病开始时特征基因就参与了免疫过程；而在疾病发展后期，小鼠中上调的基因参与了诸如“应激反应”等功能中，且高达73%的特征基因与干扰素相关。

不难理解，上述文献中，作者通过SOM聚类识别高度表达的基因集，用作功能分析。

本篇模仿该文献中的思路，展示如何在R中执行基因表达谱的SOM聚类。

使用kohonen包执行SOM聚类，首先安装加载该包。

接下来基于示例的基因表达谱，对各基因执行SOM聚类。

如上过程基于基因表达值进行了聚类，获得了聚类模块，并按模块内基因的平均表达值赋值了模块颜色。随后，即可从图中判断选择高表达的模块，将其中的基因挑选出来，作为发挥生物学过程的“活跃”基因集。

那么，如何获得各模块中，都包含哪些基因呢？参考以下 *** 作。

这样，就将基因名称和其所属模块对应起来了。

最后，识别高表达的模块，并从中进一步筛选基因集就可以了。这些基因集既然存在高表达，那么必然会和功能密不可分。了解它们的功能，可以初步执行GO或KEGG富集分析进行探索，如开篇展示的文献中思路那样，不再多说了。

GN粒子，人称扯淡粒子，神棍粒子，属性多样变异性粒子，是高达蛋蛋里最富创造性的发明，以其多角度全方位高性价比而著称于世，是通过高达的太阳炉经七七四十九天而精炼而成。此粒子遍及之处一切通讯设备全部瘫痪，然而高浓度的GN粒子反而能扩张人的意识，从而达到千里传音，心灵相通的效果，此外该粒子还有治疗疑难杂症，起死回生之功效，实乃出门旅游，居家必备的好物啊！

大脑 各种在脑部产生的伤害，是造成失智的最直接原因，其中最具代表性的，就是「类淀粉蛋白」造成的退化型失智症。 类淀粉蛋白堆积造成失智 缝纫或是打毛线衣的时候，用到的线必须要先梳理好，不能纠结在一起。人体内的蛋白质结构有的很长，像毛线一样必须要先整理，称为「折叠」，折叠方式如果出错，就像毛线球全纠在一起变成一个大死结。 国立台湾师范大学生命科学系副教授李冠群表示，折叠错误的类淀粉蛋白有时还会跟旁边正常的蛋白质一起纠缠不清，如此一来脑部运作就会受影响。在阿兹海默症和帕金森氏症等神经性疾病患者的神经系统中， 都可以观察到许多类淀粉蛋白的堆积，所以学界多认为这是造成失智症的主要原因。 在这些会伤脑的物质中，比较有名的就是「β类淀粉蛋白」，而我们的身体其实有清除这些废物的机制。美国乔治城大学医学中心的一项研究指出，一种存在于脑细胞内称为陶（tau）蛋白的物质，负责把细胞用不到的或有害的蛋白质清除，他们发现当陶蛋白不正常，β类淀粉蛋白等就会堆积在细胞中。 此时，细胞必须靠自己努力排出这些无用的蛋白质，但能力有限，最后还残存在细胞内的β类淀粉蛋白与坏掉的陶蛋白等物质，就会促使细胞死亡。当细胞死亡后，β类淀粉蛋白等就会释出来堆积在外头，成为科学家观察到的类淀粉蛋白堆积现象。 预防失智对策 让自己的生活多一些变化，训练脑细胞接受不同 ；多跟外界接触，活化大脑运作；进行记忆力与思考力训练，让大脑成长速度永远快过失智的速度！ 自由基抢劫脑细胞 自由基是身体新陈代谢后的产物之一，不过麻烦的是，它本身并不稳定。林口长庚医院检验医学科特殊医检师孙玉珍指出，自由基必须攻击细胞内的蛋白质、 DNA等取得它缺少的物质，这样就会对细胞造成伤害。身体原本是有一套消除自由基的机制，但如果体内存在过多自由基时，来不及应付就会造成发炎反应及退化、衰老。 东京医科大学齿科名誉教授藤田纮一郎在《绝妙好肠不忧郁》一书中指出，调查发现阿兹海默症患者脑部的海马回附着了许多自由基。日本医科大学教授太田成男，为此进行一项实验：将含有「氢水」的物质喂给阿兹海默症老鼠吃。因水中所含的氢可以消除自由基，实验结果发现老鼠的阿兹海默症获得惊人改善，脑部海 马回里的自由基消失了。藤田表示，由此可知自由基是造成阿兹海默症的主因。 预防失智对策 多摄取抗氧化物质，协助身体消除自由基。 脑部疾病损伤脑细胞 脑部疾病本身就会伤害脑部功能。常压型水脑症是因为脑脊髓液不断留在脑部无法循序排除，渐渐会对脑细胞产生压迫，进而影响脑部运作。 令人闻之色变的癌症也是一大原因，长庚医院嘉义院区副院长李冠德表示，原发性的脑瘤常见于五十岁左右的年轻人，电磁波是否致病还有争议，但放射线照射是一大原因。 预防失智对策 一次旧式电脑断层扫瞄等于照一百张X光，辐射剂量很大，最好是只用新型扫瞄机，照射的时间从十分钟降到三分钟较安全。 消化道 消化道主要包括胃与肠。我们吃进了什么食物，没吃进什么食物，都对脑部运作与发展有很大影响。肠道除了消化与吸收养份，肠道细菌对失智也有意想不到的影响。 糖尿病与失智症有关 科学家的研究显示，糖尿病的胰岛素异常情况跟失智相关。在一九八零年 后，科学家就发现胰岛素也会在脑部出现，几项实验都显示出，受试者如果注射或吸入胰岛素，记忆能力马上增强。美国布朗大学的科学家则测量胰岛素在脑部记忆相关区域的含量并进行比较，发现健康者胰岛素含量是阿兹海默症患者4倍，在脑部与胰岛素产生互动的受体数量，健康者十倍于阿兹海默症患者。 一项二零零二年的研究就指出，糖尿病患者得到阿兹海默症的机率，比一般人高了两倍。还有一项临床试验，找来511位轻、中度的阿兹海默症患者参加，发现某种治疗糖尿病的药物对某些阿兹海默症患（叶酸）与者有疗效。这些科学研究虽然还无法明确指出胰岛素与失智的因果关系，但已说明糖尿病确实与失智高度相关。 预防失智对策 控制热量摄取，增加帮助消耗热量的轻松运动。 脑部需要的营养素 美国医师尼尔柏纳德在《吃出好脑力》一书中指出，维生素族群中有四种是保护大脑的关键。 维生素E： 荷兰一个研究团队找了近5,400 名年纪55岁以上受试者，寻找饮食中维生素E与未来发生失智症的可能关连。研究进行了十年后发现，摄取最多维生素E的受试者分组，得到失智症的机率少了25％。维生素E具有抗氧化的作用，因此能够对抗自由基，减少脑部因自由基的攻击造成的伤害。 维生素B6、B9、B12： 血液中有一种具有破坏性的物质叫做 「同半胱胺酸」，若浓度过高，会引发中风或心脏病，也会损害大脑。维生素B6、B9（叶酸）与B12可以联手消灭同半胱胺酸，因此维生素B群若不足，就会产生危害。另一方面，阿兹海默症患者血液中的同半胱胺酸浓度很高，说明他们需要维生素B群减少同半胱胺酸的效果。 预防失智对策 每天均衡饮食，依自身需求补足蔬菜与水果摄取份量，成年男性要吃9份，女性要吃7份。 肌肉 随着年纪渐长，身体肌肉衰弱、行动容易感到无力或失去平衡的「肌少症」，常会让长者活动量变少、更少出门，这与失智症密切相关。觉得身体衰弱而不想出门，在家里的生活环境很容易一成不变，这对于 大脑活化促进成长是一大阻碍。同时，因为肌肉力量减少，难以协助心脏促进血液循环，容易引发血管型失智症。 为了解肌少症与大脑认知功能障碍间之相关性，台北荣总神经医学中心教授王培宁，从二零一一年开始收集宜兰县1,839名50岁以上民众之健康资料，并以体重减轻、手部握力降低、容易感到疲倦、走路速度变慢、活动力下降作为老化衰弱指标。结果发现若符合其中3项以上老化衰弱症状，将显著增加257倍罹患非阿兹海默型失智症之风险，且大脑与小脑均已出现萎缩现象。 预防失智对策 多多活动筋骨、走出户外，活动量变大就可减缓肌肉减少速度；饮食方面多摄取蛋白质与维生素D。 肝脏 肝脏是身体解毒器官，负责将有害身体的物质分解成无害的物质后，再加以回收利用或是排出体外。但是也 有很多有毒物质是肝脏难以分解，或是毒物量太大来不及分解，就可能会对身体造成伤害。 如果吸食一般常见的毒品包括强力胶、安非他命、 ，或是镇静安眠药过量，都有可能造成失智。就有研究指出， 会降低学习能力，造成记忆力减退，因此在美国被称为「笨药」；强力胶会造成脑部缺氧、引发中风；安非他命造成记忆力下降，损伤脑组织。 预防失智对策 绝不吸毒。至于药物过量对身体来说也是一种毒，使用时一定要遵照医师指示，不可自行调整剂量；安眠药种类与原理各不相同，应就医请医师对症下药，切勿自行购买服用。 煮菜让你多动脑，还能吃得更健康 不仅是进食时要注意预防失智，烹调料理时就已经可以先采取行动了，因为对家庭主妇（夫）来说，预防阿兹海默症最适合的训练就是「煮菜」。日本NHK超人气健康节目「老师没教的事」，就曾经采访过大分县宇佐市安心院地区的「安心院健康俱乐部」，该俱乐部每周会安排一次活动，聚集被诊断出轻度认知障碍的人，让他们一起进行体 *** 、煮菜、边踏步边玩接龙、30分钟以内的午睡等各项活动。 这项计画执行开始三年后，18位参加者再次接受诊断，不仅无任何一人罹患失智症，甚至高达16位轻度认知障碍病情好转。一般来说，轻度认知障碍在5年内会有半数以上的人恶化成失智症。 预防失智对策：规划一顿美味晚餐 煮菜其实是很耗费脑力的工作，它包含了设计菜色、采买东西、料理顺序等，还要考虑家人临时的好恶、手头上有什么食材、时间够不够用等，能够运用到大脑十分重要的判断力和规划力。再加上自己动手制作创意料理，以及完成后的成就感，一连串的过程可有效预防或改善失智症。 走出户外，把心放开 要不断给予脑细胞各种 ，就能促使脑细胞成长，彼此的连结更为紧密，也就愈容易传递讯息、更不容易失智。这是科学研究的结果，但是在日常生活中也能轻易做到。 预防失智对策：外出旅行去吧！ 不管你退休了没有，外出旅行是必要的。加藤俊德在《 66妙招轻松练出好脑力》中不断告诉我们，必须时时刻刻给脑部带来不同的 与变化，不要一成不变过日子，这样才能让大脑活跃起来，因此外出旅行就是一个最佳选择。 不管是几天几夜的旅游，或是周休二日的外出踏青，起床时间跟平常就不一样了；以前是自己准备早餐，或是赶上班吃早餐店的食物，现在可能是前一天就准备好，或是吃旅馆提供的免费早餐吧；看风景、 看名胜古迹或是看展览，再再都给脑部不同于平常的新颖 ，心情也会跟着愉快起来；当然，外出旅行常常走路到腿酸，这代表运动量够大，既能消耗热量，又能因小腿活动多，促进血液循环。 预防失智对策：规划一段旅行 外出旅行除了本身就能 脑部运作，为了外出旅行的事前规划，也是一种活脑的最佳策略，这牵涉到失智初期最先开始低下的功能：执行功能，也就是计画并执行的能力。为了规划一段旅行，除了要选定地点、找出必看的行程重点，还要协调所有参加者的时间，以及住宿、交通工具等等，这些都是重度依赖脑部功能发挥才能做好的事。让大脑有事忙，就不会失智。 加藤俊德还建议我们，除了自己规划行程，有时也可以放手让他人为你规划行程。因为每个人做事都有一定的思考方式与习惯，最后常会变成相同的旅行模式；让别人决定自己的旅游行程，可以去到自己不会想过的地点、未曾采用的行程，这些新鲜与意外，就是健全大脑最好的礼物。 快步走路也能健脑 运动不仅可以有助心肺功能，促进血液循环，让大脑得到充足的能量供应，运动本身也能让大脑成长，更不 容易中风或失智。美国乔治华盛顿大学医学院兼任助理教授尼尔柏纳德医师在《吃出好脑力》一书中，指出哥伦比亚大学一项实验证明了这项功效。 实验找来一群发胖的年轻人与中年人，每周运动四次，每次四十分钟，共持续十二周。接着用磁振造影（MRI）扫瞄受试者大脑，结果发现集中在海马回的区域有新生的血管与脑细胞；受试者减肥的效果愈显著，海马回的变化就愈大，接受认知能力相关测试的成绩也愈好。 预防失智对策：配合心跳数走路 柏纳德推荐配合心跳数的快步走路，步骤如下： 1、每周快走三次，每次30分钟。刚开始时可以先每次走15分钟就好。 2、快走几分钟后，测量自己的脉搏数。可以像中医把脉一样，用指尖轻轻触摸手腕关节，或是轻触脖子两侧的颈动脉。可以只测量15秒就好，将脉搏次数乘以四，就是每分钟心跳数。 借由走路增加心跳数，意义在于促进血液循环，让更多血液有机会流进大脑；大脑获得充份的氧气与养份供应，才能确保不断发展与成长，而消极面来看，则是避免因养份及氧气不足而受损。 不过心跳数并不是无限往上加，而是依照年龄与身体状态有个上限。柏纳德说，运动计画应该先跟医师商量，并获取专业意见。至于在心跳数的目标方面，柏纳德依据年龄计算出一组适当数字如下： 年龄 30 35 40 45 50 55 60 65 70 目标心跳数下限 114 111 108 105 102 99 96 93 90 目标心跳数上限 152 148 144 140 136 132 128 124 120 年龄 75 80 85 90 95 100 目标心跳数下限 87 84 81 78 75 72 目标心跳数上限 116 112 108 104 100 96 柏纳德表示，目标下限是需要达到的目标，如果状况许可，可以把目标心跳数往上调，但不要超过目标上限，以免反而给身体造成伤害。 注意事项 柏纳德指出，配合心跳的走路，重点是心跳数而不是走了多远，因为心跳数要比平常快，才有促进血液循环的积极功用。 快步走路的目的不是要让你觉得累，如果快步走时无法正常说话、呼吸困难或胸闷等，应立即停下来休息，休息够了再出发，而原来的走路速度也有调整的必要。 持续、规律地运动才能展现效果，可以找亲友约定好一起快走，彼此互相勉励；也可以自我设定一段时间或某个作息一定要用快走，例如上下班的过程改用快走，或是饭后拨出固定时间快走。 你可能是属于那种天生就不想运动的人。事实上，生理结构的确会影响运动意愿。柏纳德表示，有些人肌肉组织里「第一型细胞」天生比较多，他们内部有较密的微血管网路，运送氧气、排放废物的能力都比较强，能减低疲劳度，同时也有助于分解脂肪转化成能量。 但「第二型细胞」较多的人，比较适合像短跑冲刺这种很短时间的运动，时间一拖长，就会后继无力。不过他也强调，只要持续运动，第二型细胞是可以进化成第一型细胞，摆脱先天不爱运动的命运。

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