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不怕千招会,只怕一招鲜: 5+非肿瘤生信分析探讨IgG4-RD的发病机制

生信精讲 管理员 187℃ 0评论

不怕千招会,只怕一招鲜: 5+非肿瘤生信分析探讨IgG4-RD的发病机制插图

今天和大家分享的是2020年11月份发表在FRONT IMMUNOL杂志上的一篇文章“Multiple Processes May Involve in the IgG4-RD Pathogenesis: An Integrative Study via Proteomic and Transcriptomic Analysis”(IF=5.085)。文章中作者鉴定IgG4-RD患者血清和组织样品中几种不同表达的蛋白质,进行WGCNA、KEGG通路等蛋白质组学和转录组学的综合分析,确定了可能参与IgG4-RD发病机制的多个过程、因素和几种信号通路,并发现了IgG4-RD的一些潜在治疗靶标。

Multiple Processes May Involve in the IgG4-RD Pathogenesis: An Integrative Study via Proteomic and Transcriptomic Analysis

蛋白质组学和转录组学分析的综合研究:IgG4-RD发病的潜在机制

一、研究背景

 免疫球蛋白G4相关疾病(IgG4-RD)是一种新近定义的免疫介导疾病,具有常见的临床、血清学和病理学特征。IgG4-RD的共同特征包括血清IgG4水平升高,多器官受累,IgG4 +浆细胞的密集浸润和显着的组织浸润。这种疾病对男性的影响大于对女性,大多诊断年龄为50至70岁。尽管大多数患者对类固醇的反应都很好,但复发率可接近50%。蛋白质是生物学功能的效应物,在疾病的发病机理中起着至关重要的重要作用。蛋白质组学涉及鉴定和定量细胞,组织或生物体中总蛋白质含量的技术应用。但是,IgG4-RD领域的蛋白质组学研究仍是空白。因此蛋白质组学和转录组学方面鉴定IgG4-RD的特征对于研究IgG4-RD的潜在致病机制至关重要。

二、结果解读

1、蛋白质组学数据鉴定差异表达的蛋白
作者在武汉同济医院风湿免疫科研究了八名初治IgG4-RD患者(25-70岁)的八种诊断血清样品。IgG4-RD的诊断依据IgG4相关疾病(IgG4-RD)的诊断标准,同时收集了来自健康对照(HC)的八份血清样品。
 

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表1:研究中IgG4-RD患者的基本临床信息

组织中共有980种(DEPs)差异表达蛋白(DEPs)(542个上调,438个下调),而血清中94种差异表达蛋白(差异表达86个上调,8个下调)。根据标准(IgG4-RD与对照的均值之比≥1.2,p <0.05)在IgG4-RD和对照样品之间鉴定出图1B。

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图1.IgG4-RD患者和对照之间差异表达的蛋白质的火山图

其中,发现在组织和血清的比较中有12个DEP(IGHG4,ITA2B,URP2,HV118,APOC2,GP1BA,CAP1,TBB1,APOE,DSC2,TSP1和SODE)重叠,并且所有这些DEP在IgG4中上调,提示其对IgG4-RD患者的重要性。为了解这些可能参与IgG4-RD的DEP的功能,对在组织中/血清中在IgG4-RD和对照样品之间鉴定的这些DEP进行了功能富集分析。结果表明,大多数组织上调的DEP涉及免疫相关细胞激活过程,但组织中DEP的下调主要参与与细胞连接有关的加工过程。 

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图2.具有蛋白质组学数据的组织中DEP的功能富集

鉴于血清中被下调的DEP数量很少,将重点放在上调的DEP进行进一步分析在GO生物学过程(BP)和KEGG通路中都无法理解诸如蛋白激活级联,血小板激活和细胞外结构组织之类的通路。

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图3.KEGG分析和GO生物学过程中上调的DEP
 
2、转录组数据的加权基因共表达网络分析
使用来自LSC样本的GSE40568数据集,共输入4,364个变异系数(CV)> 5%的基因作为WGCNA的输入。结合拓扑重叠矩阵和分层平均链接聚类方法,我们在IgG4-RD(n = 5),pSS(n = 5)和HC样本(n = 3)中检测到13个模块。其中,具有934个基因的“绿松石模块”与IgG4-RD表型的相关性最强(相关= 0.81,p = 7e-5),总共输出354个“绿松石”模块中边缘邻接值大于0.2的基因,以进行进一步的功能富集分析。
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图4.WGCNA分析模块特征关系

基于PBMC样本的GSE66456数据集鉴定出2306个变异系数(CV)> 5%的基因作为WGCNA的输入。在这项研究中,WGCNA在治疗前(IgG4-RD_BT,n = 2),治疗后(IgG4-RD_AT,n = 2)和HC样品(HC,n = 4)中的IgG4-RD中检测到14个模块。其中,具有360个基因的黄色模块与IgG4-RD_BT表型相关性最强。此外,输出247个黄色模块中的边缘邻接值大于0.2的基因用于功能富集。总的来说发现了可能涉及IgG4-RD的三个主要生物学过程和几个信号通路。
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图5.黄色模块的组成曲线
3、抗体介导的自身免疫反应是IgG4-RD的特征
抗原受体介导的信号通路在IgG4-RD组织中显着丰富。除了T细胞相关的信号通路外,还利用KEGG分析的蛋白质组学数据,发现了几种与B细胞相关的免疫过程有关的KEGG途径。同时,在对IgG4-RD LSG的转录组数据进行WGCNA分析时,绿色模块也富集“FcγR介导的吞噬作用”等通路到。这些结果表明了IgG4-RD的自身免疫特性,并且还揭示了抗体在IgG4-RD的自身免疫应答中的重要作用。
 
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表2:PBMC转录组数据中黄色模块基因(邻接值> 0.2)的KEGG分析
 
4、潜在感染和与感染相关的反应可能是IgG4-RD的触发因素
传染原是病原体相关分子模式(PAMP)的主要来源,并且可以介导危险相关分子模式(DAMP)的释放。PAMP和DAMP都是模式识别受体(PRR)的配体,可以在参与免疫反应的许多细胞成分中找到它们。PRR的激活可以调节免疫相关细胞的功能状态,从而进一步影响免疫反应的过程。根据我们的蛋白质组学数据,IgG4-RD组织中富含许多与感染相关的通路:

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表3: IgG4-RD组织蛋白质组学数据富集的KEGG通路

同时还发现转录组数据中绿色模块的基因也富集与感染通路相关,例如“人乳头瘤病毒感染”,“幽门螺杆菌感染中的上皮细胞信号传导”,“细菌侵袭上皮细胞”等。

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表4 绿色模块有关的KEGG通路

这些通路中的大多数都与细菌感染有关,这可能与IgG4-RD中涉及最多的器官是外分泌器官,如胰腺和下颌下腺有关。因此可以推断出感染原和感染相关过程可能在IgG4-RD的发生和发展中起重要作用。
5、在IgG4-RD样品中观察到血小板活化
在蛋白质组学数据中,来自IgG4-RD患者血清和组织样品的DEPs富集“血小板活化”通路。同时,在组织转录组数据集的绿色模块的基因中也观察到 “血小板活化”通路的富集。这个结果与血小板的研究相一致,血小板可以作为具有调节功能的免疫成分。

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图6.血清中绿色模块与血小板激活通路的网络
 
6、多种信号通路可能参与了IgG4-RD的发病机制
了解IgG4-RD中明显富集的信号通路可能有助于寻找潜在的治疗靶标。在蛋白质组学数据中,如“ MAPK信号传导途径”等通路在转录组数据中也显著相关。

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表5:在IgG4-RD组织转录组数据中富集的信号通路

在这项研究中,仅在组织蛋白质组学数据和GSE40568数据集中的IgG4-RD LSG样品中观察到了 “ Rap1信号传导途径” 。Rap1信号通路的激活可以导致促炎性细胞因子的产生并调节MMPs的表达水平,这对调节细胞外基质至关重要,并影响纤维化过程。

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图6.Rap1信号传导通路的基因网络

 

7、与组织DEP相关的生物过程确定潜在治疗靶标

为找出IgG4-RD的潜在治疗靶标,提取了组织蛋白组学数据中所有DEP富集的前30个KEGG / GO通路中涉及的所有蛋白(不仅是DEP)。在KEGG排名前30的通路中有1,674个蛋白,在GO BP排名前30的通路中鉴定了2,291个蛋白。基于这些蛋白在不同生物学过程中的参与,构建了网络并计算了每种蛋白的连接度。

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图7.参与所有组织DEP的前30个 KEGG和GO通路蛋白互作网络

三、小结

作者检测了IgG4-RD患者的血清和组织蛋白酶体,基于蛋白质组和转录组分析的公共数据集进行WGCNA分析,找出与IgG4-RD相关的基因模块并寻求潜在的病原学信息,筛选差异表达蛋白,进行KEGG通路富集和GO分析。鉴定了与健康人相比IgG4-RD患者血清和组织样品中几种不同表达的蛋白质,阐明了IgG4-RD中免疫炎症反应的特征,这些结果可为阐明IgG4-RD的发病机理提供线索。

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