Multi-omics network characterizationreveals novel microRNA biomarkers and mechanisms for diagnosis and subtyping ofkidney transplant rejection
多組學(xué)網(wǎng)絡(luò)特征揭示了新的microRNA生物標(biāo)志物和腎移植排斥反應(yīng)的診斷和亞型劃分機(jī)制
發(fā)表期刊：J Transl Med
發(fā)表日期：2021 Aug 13
DOI:? 10.1186/s12967-021-03025-8
一、背景
????????腎臟移植是臨床治療終末期腎衰竭患者的最有效方法。基于移植腎的穩(wěn)定工作，電解質(zhì)和酸堿平衡可以得到維持，患者不再需要透析的支持來消除代謝廢物。然而，由于人體的免疫反應(yīng)，腎移植排斥反應(yīng)（KTR），包括抗體介導(dǎo)的排斥反應(yīng)（AMR）和T細(xì)胞介導(dǎo)的排斥反應(yīng)（CMR），被觀察到有不可逆的影響，甚至導(dǎo)致腎臟異體移植功能喪失。
????????微核糖核酸（miRNAs）是小型單鏈非編碼RNA，有可能成為各種病癥的生物標(biāo)志物。最近的研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs是腎臟移植相關(guān)的免疫過程中的功能調(diào)節(jié)器和指標(biāo)。人們普遍認(rèn)為，miRNA和mRNA之間的相互作用形成了大規(guī)模的miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的動態(tài)變化為疾病預(yù)測提供了功能上的啟示。在生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代，計(jì)算機(jī)輔助生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)已成為建模和破譯復(fù)雜miRNA-mRNA調(diào)控的新領(lǐng)域。
二、材料與方法
1.數(shù)據(jù)來源
miRNA和mRNA數(shù)據(jù)集從GEO收集和下載：GSE30282共包含65個(gè)移植后活檢樣本；用Illumina HiSeq 2500篩選的6個(gè)AMR、4個(gè)CMR和6個(gè)穩(wěn)定移植物功能樣本的GSE115816作為獨(dú)立的驗(yàn)證數(shù)據(jù)集
2.實(shí)驗(yàn)流程
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
01 - KTR特異性miR-PPIN的全球特征
????????在這項(xiàng)研究中，通過整合DE-miRNA/mRNA、miRNA-mRNA和PPI數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)KTR特異性miR-PPIN網(wǎng)絡(luò)，用于系統(tǒng)地描述KTR中miRNA介導(dǎo)的相互作用。如圖2a所示，該網(wǎng)絡(luò)包含了31個(gè)miRNA和642個(gè)在KTR中異常表達(dá)的基因中總共949個(gè)miRNA-mRNA對和1447個(gè)PPI。根據(jù)圖2b所述的STRING分析，網(wǎng)絡(luò)中的基因在T細(xì)胞相關(guān)的BP術(shù)語中明顯富集，如NK T細(xì)胞增殖、T細(xì)胞抗原處理和表達(dá)、記憶性T細(xì)胞激活的正向調(diào)節(jié)等，這表明所識別的網(wǎng)絡(luò)在KTR發(fā)展中的特異性。
????????為了描述網(wǎng)絡(luò)中miRNAs和基因的全局特征，作者分別在miRNA-mRNA和PPI水平上分析了程度分布。如圖2c和d所示，miRNA-mRNA網(wǎng)絡(luò)中靶點(diǎn)較多的miRNA較少，大部分靶點(diǎn)傾向于位于PPIN的邊界位點(diǎn)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的程度遵循冪律分布，斜率為-1.34?；谶@些發(fā)現(xiàn)，然后根據(jù)目標(biāo)基因在PPIN中的程度、接近性和間性特性，對目標(biāo)基因的結(jié)構(gòu)重要性進(jìn)行了優(yōu)先排序，并將高度優(yōu)先的目標(biāo)基因歸為核心基因集，以加強(qiáng)miRNA的調(diào)控。最后，這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特征被協(xié)同測量，并在miR-PPIN中計(jì)算miRNA的CORE靶點(diǎn)的數(shù)量。如圖2e所示，有極少數(shù)的miRNAs調(diào)節(jié)更多的CORE基因，它可能是發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物的一個(gè)潛在線索。
02 - 用于KTR診斷和亞型劃分的生物標(biāo)志物miRNAs
????????在本研究中，根據(jù)新定義的拓?fù)鋮?shù)和篩選標(biāo)準(zhǔn)，即明顯高的NTGA和NTGC，在多組學(xué)網(wǎng)絡(luò)特征的基礎(chǔ)上，共確定了三個(gè)miRNAs，即miR-145-5p、miR-155-5p和miR-23b-3p，作為KTR預(yù)測的候選生物標(biāo)志物。如圖3所示，miR-145-5p和miR-23b-3p在KTR組下調(diào)，而miR-155-5p在KTR特別是在CMR中過量表達(dá)。
????????對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和獨(dú)立驗(yàn)證數(shù)據(jù)集進(jìn)行ROC分析，以評估所確定的miRNAs和miRNA組合在KTR診斷和亞型劃分中的潛力。在單個(gè)miRNA水平上，如圖4a、b和e所示，所有三個(gè)miRNA在區(qū)分KTR和非KTR（nKTR，正常對照）的腎臟移植活檢樣本方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的能力（AUC>0.8，平均AUC=0.898），而且它們在KTR亞型劃分，即AMR和CMR（AUC>0.75，平均AUC=0.829）方面具有相當(dāng)?shù)哪芰?。在?yàn)證組中，使用血液樣本測量miRNAs，因?yàn)榕c腎臟組織相比，血液可以無創(chuàng)地獲得。如圖4c、d和e所示，miR-155-5p和miR-23b-3p在KTR預(yù)測上的表現(xiàn)趨于優(yōu)異（AUC>0.75），而miR-145-5p在AMR和CMR亞型的AUC達(dá)到了0.917。與單個(gè)生物標(biāo)志物相比，三個(gè)miRNA的組合提高了不同組別的總體表現(xiàn)，這表明三個(gè)miRNA作為組合特征在KTR管理中的潛力。
????????應(yīng)該注意的是，已鑒定的miRNA的AUC值在組織和血型之間是高度異質(zhì)的。除了樣本源的差異之外，數(shù)據(jù)集的數(shù)量和大小是另一個(gè)重要的考慮因素。因此，應(yīng)進(jìn)行基于大樣本的一致性分析，以進(jìn)行進(jìn)一步的功能驗(yàn)證。
03 - 基于文獻(xiàn)的功能驗(yàn)證和比較
????????基于文獻(xiàn)的調(diào)查是為了驗(yàn)證生物信息學(xué)模型的性能，并研究已確定的miRNA的功能。其中，miR-155-5p是與腎臟移植中異體器官功能障礙狀態(tài)相關(guān)的一個(gè)被充分研究的對象。例如，Anglicheau等人（MicroRNA expression profiles predictive of human renal allograft status - PMC (nih.gov)）證明了miRNAs的移植內(nèi)表達(dá)與mRNAs密切相關(guān)，這種調(diào)控的紊亂導(dǎo)致了急性排斥反應(yīng)，影響了腎臟異體移植的功能。與此結(jié)果類似，Soltaninejad等人（Increased expression of miR-155 correlates with abnormal allograft status in solid organ transplant patients and rat kidney transplantation model - PubMed (nih.gov)）的研究中也檢測到miR-155-5p在T細(xì)胞介導(dǎo)的排斥反應(yīng)中的過表達(dá)，并建議該miRNA的診斷作用用于CMR預(yù)測。其余兩個(gè)miRNA，即miR-145-5p和miR-23b-3p，也被報(bào)道在KTR進(jìn)展中具有功能性。
????????miR-155-5p是報(bào)道的KTR診斷的生物標(biāo)志物，其余的候選物也與KTR特別是與腎臟急性排斥過程有密切聯(lián)系，支持所提出的模型的整體預(yù)測性能。與以前的方法和研究結(jié)果相比，在KTR組中確定的miRNAs的表達(dá)模式是高度一致的。更重要的是，在這項(xiàng)研究中，基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算策略被應(yīng)用于識別在KTR診斷（KTR vs. nKTR）和亞型（AMR vs. CMR）中具有生物標(biāo)志物潛力的miRNAs，這為miRNA治療KTR的發(fā)病機(jī)制提供了新的見解。
04 - KTR發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)模塊和機(jī)制
????????免疫反應(yīng)是腎移植后影響同種異體移植物功能的主要因素。在本研究中，免疫相關(guān)的BP詞，如干擾素-γ介導(dǎo)的信號通路、I型干擾素信號通路、免疫反應(yīng)、抗原處理和表達(dá)等，在KTR特異性miR-PPIN中被生物標(biāo)志物miRNA靶點(diǎn)顯著富集，包括HLA-A、HLA-C、HLA-G、SAMHD1、ICAM1、IRF1/2等。為了探索與確定的BP術(shù)語相關(guān)的遺傳相互作用，Cytoscape的插件MCODE被應(yīng)用于聚類功能模塊以了解病理。根據(jù)MCODE分析，從KTR特異性PPIN中共提取了18個(gè)聚類，并選擇了具有確定生物標(biāo)志物目標(biāo)的聚類2進(jìn)行病因?qū)W研究。
????????如圖5所示，在KTR特異性聚類2中，確定的靶點(diǎn)相互作用，形成了調(diào)節(jié)免疫和干擾素相關(guān)途徑的關(guān)鍵模塊。其中HLA-A、HLA-C、HLA-G、IRF1/2和SP100分別受miR-23b-3p調(diào)控，其余三個(gè)為miR-155-5p的靶點(diǎn)。其中，HLA（人類白細(xì)胞抗原）是已知的人類主要組織相容性復(fù)合體（MHC）的表達(dá)產(chǎn)物，HLA的不匹配是影響腎臟異體移植功能和增加排斥反應(yīng)機(jī)會的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素。作為HLA I類重鏈的三個(gè)重要成員，HLA-A、HLA-C和HLA-G在本研究中被發(fā)現(xiàn)有可能受到miR-23b-3p的調(diào)節(jié)。這里HLA I類分子在免疫系統(tǒng)中具有核心功能，它們可以通過來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的呈遞肽被細(xì)胞毒性T細(xì)胞檢測到。因此，miR-23b-3p/HLA/免疫軸的信號傳遞為KTR的產(chǎn)生提供了新的見解。除了HLA組，ICAM1和VCAM1在移植腎臟的功能中也被充分研究。最后，IRF1是一種轉(zhuǎn)錄因子，它在KTR中介導(dǎo)MHC誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)對壞死的抵抗，這對于干預(yù)排斥反應(yīng)至關(guān)重要。
四、結(jié)論
????????在這項(xiàng)研究中，基于多組學(xué)網(wǎng)絡(luò)特征的綜合生物信息學(xué)模型，共篩選出三個(gè)miRNAs，即miR-145-5p、miR-155-5p和miR-23b-3p，作為診斷和亞型化腎移植后異體移植排斥的候選生物標(biāo)志物。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)HLA相關(guān)基因的潛在調(diào)控機(jī)制、免疫信號通路和確定的miRNAs，以了解致病原因。
