Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Bu çalışma, biyoinformatik analiz yoluyla multipl skleroz (MS) patogenezinde hipoksi, ferroptoz ve immün infiltrasyon arasındaki etkileşimler hakkında yeni bilgiler sunmaktadır. Ağırlıklı gen koekspresyon ağı analizi (WGCNA) ve protein-protein etkileşimi (PPI) analizi kullanarak, üç önemli hub geni (ITGB1, ITGB8 ve VIM) belirledik.
Multipl skleroz (MS), demiyelinizasyon ile karakterize, başarısız remiyelinizasyonun kronik evrelerde ilerleyici akson kaybına yol açan kronik inflamatuar bir hastalıktır. Oligodendrosit öncü hücreleri (OPC'ler) remiyelinizasyon için kritik öneme sahiptir. Son çalışmalar, hem hipoksi hem de ferroptozisin OPC'lerin disfonksiyonel farklılaşmasında çok önemli roller oynadığını göstermektedir. Bu araştırma, MS hastalarının indüklenmiş pluripotent kök hücrelerinden (iPSC'ler) türetilen OPC'lerde hipoksi ve ferroptoz ile bağlantılı anahtar genleri ve immün infiltrasyon özelliklerini tanımlamayı ve bu önemli genlere odaklanan bir tanı modeli oluşturmayı amaçlamaktadır.
GSE196575 ve GSE147315 veri setlerinden gen ekspresyon verilerini analiz ettik ve MS hastalarını sağlıklı bireylerle karşılaştırdık. Ağırlıklı gen koekspresyon ağı analizini (WGCNA) kullanarak, hipoksi, ferroptoz ve MS ile ilişkili birincil modül genlerini ve temel genleri belirledik. Gen seti varyasyon analizi (GSVA) ile hesaplanan ferroptoz Z skoru ve hipoksi Z skoru, MS hastalarının iPSC'den türetilmiş OPC'lerinde kontrol grubununkinden daha yüksekti. İlgili genler, Gen Ontolojisi (GO) ve Kyoto Genler ve Genomlar Ansiklopedisi (KEGG) yol zenginleştirme analizleri yoluyla tanımlandığı gibi, ağırlıklı olarak PI3K / Akt / mTOR yolu ile bağlantılıdır.
Önemli genlerden oluşan bir protein-protein etkileşimi (PPI) ağı, 10 merkezi hub geni (COL4A1, COL4A2, ITGB5, ITGB1, ITGB8, ITGAV, VIM, FLNA, VCL ve SPARC) ortaya çıkardı. ITGB1, ITGB8 ve VIM'in sağlam ifadesi, GSE151306 veri setinde doğrulandı ve anahtar merkez genleri olarak rollerini destekledi. Ek olarak, transkripsiyon faktörleri (TF'ler) ve hub genleri arasında, beş anahtar TF'yi tanımlayan Cümle Tabanlı Metin Tarafından Çözülen Transkripsiyonel Düzenleyici İlişkiler (TRRUST) aracılığıyla bir etkileşim ağı kurulmuştur. Bu çalışmanın sonuçları, MS için yeni biyobelirteçlerin veya terapötik hedeflerin aydınlatılmasına yardımcı olabilir.
Multipl skleroz (MS), dünya çapında yaklaşık 2,5 milyon kişiyi etkileyen demiyelinizasyon ile karakterize kronik inflamatuar bir durumdur. MS tanısı konanların çoğunluğu nükseden-düzelen (RR) bir hastalık seyri sergiler. Nüksetme fazı sırasında, akut inflamasyon kaçınılmaz miyelin ve akson kaybına yol açar. Tersine, remisyon sırasında, demiyelinizasyon lezyonları remiyelinizasyon ile onarılabilir, aksonlara trofik destek sağlayabilir ve ilerleyici akson kaybını önleyebilir1. Remiyelinasyon başarısızlığı MS'in kronik evrelerinde ortaya çıkar ve ilerleyici aksonal dejenerasyonayol açar 2.
Remiyelinizasyon süreci, merkezi sinir sistemindeki (CNS) miyelin oluşturan hücreler olan olgun oligodendrositlere (OL'ler) farklılaşmak için OPC'lerin çoğalmasını ve göçünü içeren oligodendrosit öncü hücreleri (OPC'ler) ile kritik bir şekilde ilişkilidir.3. Hastalığın ilk aşamalarında, demiyelinize lezyonların etrafındaki OPC'ler tarafından üretilen yeni OL'lerin sayısı nispeten korunur ve remiyelinizasyonu başarılı bir şekilde teşvik edebilir4. Bununla birlikte, ileri MS evreleri sırasında, OPC'lerin yetersiz migrasyonu ve farklılaşması, yeni OL'lerde azalmaya ve remiyelinizasyonunbozulmasına 5 yol açarak sinir dejenerasyonuna ve özürlülük birikimine yol açar.
MS'deki nörodejenerasyonu açıklamak için iki hipotez öne sürülmüştür. Dışsal hipotez, aktive edilmiş T hücreleri tarafından başlatılan bağışıklık tepkisinin demiyelinizasyona ve nörodejenerasyona neden olduğunu göstermektedir6. Bununla birlikte, içsel model, OPC7, OL8 ve CNS'deki diğer hücrelerdeki içsel anormalliklerin nörodejenerasyona katkıda bulunabileceğini düşündürmektedir. İçsel model daha önce yalnızca birincil veya ikincil ilerleyici MS (PPMS ve SPMS) gibi MS'in daha ileri aşamalarında uygulanabilir olarak kabul ediliyordu. Bununla birlikte, son zamanlarda RRMS 9,10'da inflamasyon veya nüksetmekten bağımsız nörodejenerasyon gözlenmiştir, bu da RRMS dahil olmak üzere tüm hastalık evrelerinde içsel hücresel anormalliklerin rol oynayabileceğini düşündürmektedir.
Ayrıca, demir aracılı lipid metabolik bozukluklarına bağlı ayırt edici bir hücre ölüm yolu olan ferroptoz, nörodejenerasyonda çok önemli bir rol oynar. Bu yol, aşırı demir tarafından yönlendirilen hücre içi redoks durumlarının dengesizliğini içerir, bu da lipid peroksit birikimine ve reaktif oksijen türleri (ROS) üretimine yol açar ve sonuçta oksidatif hücre ölümü ile sonuçlanır11. Alzheimer hastalığı, Parkinson hastalığı ve Huntington hastalığı gibi nörodejeneratif hastalıklar genellikle nöronal hücrelere oksidatif hasardan kaynaklanır ve bu da sıklıkla lezyonlar içindeki alışılmadık derecede yüksek demir konsantrasyonları tarafından tetiklenir. MS'de, CNS hücrelerinin yüksek lipid içeriği ve oksijen tüketimine bağlı mitokondriyal disfonksiyon ile birlikte oksidatif hasara karşı artan savunmasızlık, ferroptozda kritik bir faktör olan lipid peroksidasyonunu teşvik eder. OL'ler, ferroptoz12'nin önemli bir özelliği olan lipid peroksidasyonuna duyarlıdır. Spinal inflamatuar lezyonların13 yakınında demir birikimi ve OL'lerin lipid peroksidasyonuna14 ve serbest radikallere15 karşı savunmasızlığı, MS'in ferroptozise duyarlılığını vurgulamaktadır.
Hipoksi, MS patogenezinde oligodendrosit kaybına katkıda bulunan bir diğer kritik faktördür. Akut MS lezyonlarında hipoksi benzeri hasar ve ROS ve nitrojen oksit (NO) oluşumunun kanıtı, bu tür stresörlerin mitokondriyal disfonksiyonu ve müteakip enerji eksikliklerini hızlandırabileceğini göstermektedir16. Bu metabolik stres sadece OL'leri etkilemekle kalmaz, aynı zamanda miyelinik kanallar miyelin kılıfı ve peri-aksonal boşluklar arasında enerji ilettiğinden, bozulmuş enerji transferi17 yoluyla komşu aksonları da bozar.
MS hastalarında MSS'nin primer insan OPC'lerine ve OL'lerine erişmek son derece zordur. Bu nedenle, indüklenmiş pluripotent kök hücre (iPSC'ler) türevli insan OPC'leri ve OL'ler, MS'in içsel bozukluklarını incelemek için umut verici araçlar olarak ortaya çıkmıştır. MS patogenezinde ferroptoz ve hipoksinin önemli rolleri ve bunların oligodendrosit soyu üzerindeki etkileri ışığında, bu çalışmada modül bilgilerini18 çıkarmak ve MS'de bu fenomenlerle ilişkili gen ekspresyon modellerini aydınlatmak için ağırlıklı gen koekspresyon ağı analizi (WGCNA) kullanılmıştır. Genler arasındaki korelasyon katsayılarını tarayarak, MS için yeni biyobelirteçlere veya potansiyel terapötik hedeflere ışık tutarak aynı veya benzer ortak ifade ağlarını veya modüllerini tanımlayabiliyoruz. Ek olarak, kritik genleri düzenleyen transkripsiyon faktörlerine (TF'ler) odaklanarak, bu çalışma MS için mekanizmaların ve potansiyel müdahale stratejilerinin daha fazla araştırılması için bir temel sağlar.
1. Veri indirme ve ön işleme
2. Diferansiyel eksprese gen analizi
3. Fonksiyonel zenginleştirme analizi (GO ve KEGG)
4. Ferroptoz ve hipoksi (GSVA) için gen seti varyasyon analizi
5. Ağırlıklı Gen Eş İfade Ağı Analizi (WGCNA)
6. MS hastalarında ferroptoz ve hipoksi ile ilişkili diferansiyel olarak eksprese edilen genlerin tanımlanması
7. Protein-protein etkileşimi (PPI) ağ analizi
8. GSE151306 veri seti ile doğrulama
9. Hub genleri için ROC eğrisi çizimi
10. Transkripsiyon faktör-hub gen düzenleyici ağlarının tahmini
Kontrol olarak dört sağlıklı bireyden ve MS'li (PwMS) dokuz kişiden oluşan birleştirilmiş veri seti, dört PwMS ve dört sağlıklı kontrolden oluşan başka bir veri setinde analiz edildi ve daha sonra doğrulandı. Analiz protokolü Şekil 1'de gösterilmiştir ve tüm numunelerin ayrıntılı bilgileri Ek Tablo S1'de listelenmiştir. Analiz sonucunda, MS hastalarında kontrollere kıyasla 378 geni yukarı regüle...
Remiyelinizasyon sürecindeki önemli rolü göz önüne alındığında, OPC'lerin göçü, farklılaşması ve ölümü uzun zamandır MS patogenezinde ve MS'in terapötik hedeflerinde çok önemli faktörler olarak belirlenmiştir. Her üç MS19 tipinde de inflamasyondan bağımsız ilerleyici sinir dejenerasyonu gözlenmiştir ve demiyelinize lezyonların merkezinde belirgin bir oligodendrosit kaybı kaydedilmiştir20, oligodendrosit so...
Yazarların, bu makalenin içeriğiyle ilgili olduğunu beyan etmek için rekabet eden hiçbir çıkarı yoktur.
Bu çalışma, Ulusal Üst Düzey Hastane Klinik Araştırma Fonu (2022-PUMCH-B-103) tarafından desteklenmiş ve finanse edilmiştir. Yazarlar, Harvard Üniversitesi T. H. Chan Halk Sağlığı Okulu, Biyoistatistik Bölümü'nden Dr. Shuang Song'a bu makalenin revizyon aşamasındaki değerli tavsiyeleri ve rehberliği için teşekkür eder.
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 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır