Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Research Article
Это исследование дает новое представление о взаимодействии между гипоксией, ферроптозом и иммунной инфильтрацией в патогенезе рассеянного склероза (РС) с помощью биоинформатического анализа. Используя взвешенный анализ сети коэкспрессии генов (WGCNA) и анализ белок-белковых взаимодействий (PPI), мы идентифицировали три ключевых гена-хаба (ITGB1, ITGB8 и VIM).
Рассеянный склероз (РС) — это хроническое воспалительное заболевание, характеризующееся демиелинизацией, при этом неудачная ремиелинизация приводит к прогрессирующей потере аксонов на хронических стадиях. Клетки-предшественники олигодендроцитов (ОПК) имеют решающее значение для ремиелинизации. Недавние исследования показывают, что как гипоксия, так и ферроптоз играют решающую роль в дисфункциональной дифференцировке OPC. Это исследование направлено на выявление ключевых генов, связанных с гипоксией и ферроптозом, а также характеристиками иммунной инфильтрации в OPC, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSCs) пациентов с рассеянным склерозом, и на построение диагностической модели, основанной на этих ключевых генах.
Мы проанализировали данные экспрессии генов из наборов данных GSE196575 и GSE147315 и сравнили пациентов с рассеянным склерозом со здоровыми людьми. Используя взвешенный сетевой анализ коэкспрессии генов (WGCNA), мы точно определили гены первичного модуля и основные гены, связанные с гипоксией, ферроптозом и рассеянным склерозом. Z-балл ферроптоза и Z-балл гипоксии, рассчитанные с помощью анализа вариаций набора генов (GSVA), были выше в OPC пациентов с РС, полученных из iPSC, чем в контрольной группе. Вовлеченные гены преимущественно связаны с путем PI3K/Akt/mTOR, что было выявлено с помощью анализа обогащения пути Gene Ontology (GO) и Киотской энциклопедии генов и геномов (KEGG).
Сеть белок-белковых взаимодействий (PPI) ключевых генов выявила 10 центральных узловых генов (COL4A1, COL4A2, ITGB5, ITGB1, ITGB8, ITGAV, VIM, FLNA, VCL и SPARC). Устойчивая экспрессия ITGB1, ITGB8 и VIM была подтверждена в наборе данных GSE151306, что подтверждает их роль в качестве ключевых генов-хабов. Кроме того, сеть взаимодействия между факторами транскрипции (TFs) и генами-хабами была установлена с помощью технологии Transcriptional Regulatory Relationships, Unraveled by Sentence-based Text (TRRUST), которая идентифицировала пять ключевых TF. Результаты этого исследования могут помочь пролить свет на новые биомаркеры или терапевтические мишени для лечения рассеянного склероза.
Рассеянный склероз (РС) — это хроническое воспалительное заболевание, характеризующееся демиелинизацией, которое поражает около 2,5 миллионов человек во всем мире. У большинства пациентов с диагнозом РС наблюдается рецидивирующе-ремиттирующее (RR) течение заболевания. Во время фазы рецидива острое воспаление приводит к неизбежной потере миелина и аксонов. И наоборот, во время ремиссии демиелинизированные поражения могут быть восстановлены путем ремиелинизации, обеспечивая трофическую поддержку аксонам и предотвращая прогрессирующую потерю аксонов1. Сбой ремиелинизации возникает на хронических стадиях РС и приводит к прогрессирующей аксональной дегенерации2.
Процесс ремиелинизации критически коррелирует с клетками-предшественниками олигодендроцитов (ОПК), включая пролиферацию и миграцию ОПК для дифференцировки в зрелые олигодендроциты (ОЛ), которые являются миелинобразующими клетками в центральной нервной системе (ЦНС)3. На начальных стадиях заболевания количество новых ОЛ, генерируемых OPC вокруг демиелинизированных поражений, относительно сохраняется и может успешно способствовать ремиелинизации4. Однако на поздних стадиях РС недостаточная миграция и дифференцировка ОПЦ приводят к снижению новых ОЛ и нарушению ремиелинизации5, что приводит к нервной дегенерации и накоплению инвалидности.
Были предложены две гипотезы для объяснения нейродегенерации при рассеянном склерозе. Внешняя гипотеза предполагает, что иммунный ответ, инициируемый активированными Т-клетками, вызывает демиелинизацию, а такженейродегенерацию. Однако внутренняя модель предполагает, что внутренние аномалии в OPCs7, OLs8 и других клетках ЦНС могут способствовать нейродегенерации. Ранее считалось, что внутренняя модель применима только на более поздних стадиях РС, таких как первичный или вторичный прогрессирующий РС (PPMS и SPMS). Тем не менее, нейродегенерация, не зависящая от воспаления или рецидива, недавно наблюдалась при RRMS 9,10, что позволяет предположить, что внутренние клеточные аномалии могут быть вовлечены на всех стадиях заболевания, включая RRMS.
Кроме того, ферроптоз, особый путь гибели клеток, связанный с железо-опосредованными нарушениями метаболизма липидов, играет ключевую роль в нейродегенерации. Этот путь включает в себя дисбаланс внутриклеточных окислительно-восстановительных состояний, вызванный избытком железа, что приводит к накоплению перекиси липидов и производству активных форм кислорода (АФК), что в конечном итоге приводитк окислительной гибели клеток. Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона, часто возникают из-за окислительного повреждения нейрональных клеток, которое часто вызывается необычно высокими концентрациями железа в поражениях. При РС повышенная уязвимость к окислительному повреждению в сочетании с митохондриальной дисфункцией из-за высокого содержания липидов и потребления кислорода клетками ЦНС способствует перекисному окислению липидов, что является критическим фактором ферроптоза. ОЛ чувствительны к перекисному окислению липидов, что является существенным признаком ферроптоза12. Отложение железа вблизи воспалительных поражений позвоночника13 и уязвимость ОЛ к перекисному окислению липидов14 и свободным радикалам15 подчеркивают восприимчивость МС к ферроптозу.
Гипоксия является еще одним критическим фактором патогенеза РС, способствующим потере олигодендроцитов. Данные о гипоксииподобном повреждении и образовании АФК и оксида азота (NO) при острых поражениях РС указывают на то, что такие стрессоры могут ускорять митохондриальную дисфункцию и последующий дефицитэнергии. Этот метаболический стресс не только влияет на ОЛ, но и ухудшает работу соседних аксонов из-за нарушения передачиэнергии17, поскольку миелиновые каналы передают энергию между миелиновой оболочкой и периаксональными пространствами.
Первичные человеческие OPC и OLs ЦНС чрезвычайно труднодоступны у пациентов с РС. Таким образом, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), полученные из человеческих ОПЦ и ОЛ, стали многообещающими инструментами для изучения внутренних нарушений РС. В свете решающей роли ферроптоза и гипоксии в патогенезе РС и их влияния на линию олигодендроцитов, в данном исследовании был использован взвешенный анализ сети коэкспрессии генов (WGCNA) для извлечения информации о модуле18 и выяснения паттернов экспрессии генов, связанных с этими явлениями при РС. Проводя скрининг коэффициентов корреляции между генами, мы можем идентифицировать одинаковые или похожие сети или модули коэкспрессии, проливая свет на новые биомаркеры или потенциальные терапевтические мишени для РС. Кроме того, сосредоточившись на факторах транскрипции (ТФ), которые регулируют критические гены, это исследование обеспечивает основу для дальнейшего изучения механизмов и потенциальных стратегий вмешательства при РС.
1. Загрузка и предварительная обработка данных
2. Дифференциальный анализ экспрессических генов
3. Анализ функционального обогащения (GO и KEGG)
4. Анализ вариаций набора генов для ферроптоза и гипоксии (GSVA)
5. Взвешенный сетевой анализ коэкспрессии генов (WGCNA)
6. Идентификация дифференциально экспрессируемых генов, связанных с ферроптозом и гипоксией у пациентов с РС
7. Анализ сети белок-белковых взаимодействий (ИПП)
8. Валидация с помощью набора данных GSE151306
9. Построение ROC-кривой для генов-хабов
10. Прогнозирование регуляторных сетей генов фактор-хаб транскрипции
Объединенный набор данных, состоящий из четырех здоровых людей в контрольной группе и девяти человек с рассеянным склерозом (PwMS), был проанализирован, а затем проверен в другом наборе данных из четырех PwMS и четырех здоровых контрольных групп. Протокол анализа показан ...
Учитывая его ключевую роль в процессе ремиелинизации, миграция, дифференцировка и гибель ОПК уже давно определены как решающие факторы патогенеза РС и терапевтические мишени РС. Независимая от воспаления прогрессирующая нервная дегенерация наблюдалась при всех тре...
Авторы не имеют конкурирующих интересов, которые имеют отношение к содержанию данной статьи.
Это исследование было поддержано и профинансировано Национальным финансированием клинических исследований больниц высокого уровня (2022-PUMCH-B-103). Авторы хотели бы поблагодарить доктора Шуан Сонг (Shuang Song), факультет биостатистики, Гарвардская школа общественного здравоохранения им. Т. Х. Чана, Гарвардского университета, за ее ценные советы и рекомендации на этапе редактирования этой статьи.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
BioInfoTools | / | online analysis website http://biowinford.site:3838/patrick_wang87/ | |
Cytoscape | / | bioinformatics network analysis software | |
GSE196575,GSE147315 and GSE151306 | / | RNA-seq from GEO dataset | |
Omicshare | GENE DENOVO | online analysis tools https://www.omicshare.com/tools/Home/Soft/getsoft | |
R-studio | RStudio, Inc | R integrated development environment software |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены