يدمج هذا البروتوكول مجموعات بيانات النسخ النصية العامة والتحقق من صحة خلايا الظهارة القولونية لتحديد S100P كمؤشر حيوي مشترك مرتبط بأمراض الأمعاء الالتهابية، وسرطان القولون والمستقيم، وسرطان الغدة في البنكرياس.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة بحثية
* These authors contributed equally
يدمج هذا البروتوكول مجموعات بيانات النسخ النصية العامة والتحقق من صحة خلايا الظهارة القولونية لتحديد S100P كمؤشر حيوي مشترك مرتبط بأمراض الأمعاء الالتهابية، وسرطان القولون والمستقيم، وسرطان الغدة في البنكرياس.
يرتبط مرض الأمعاء الالتهابي (IBD) بزيادة خطر الإصابة بسرطان القولون والمستقيم (CRC) وسرطان الغدة في البنكرياس (PAAD)، ومع ذلك لا تزال الخصائص الجزيئية المشتركة بين هذه الأمراض غير مفهومة بشكل كامل. هدفت هذه الدراسة إلى تحديد الجينات والمسارات البيولوجية الشائعة المرتبطة بأمراض الأمعاء الالتهابية وCRC وPAAD من خلال التحليل المتكامل للنسخ النصي والتحقق التجريبي. تم الحصول على مجموعات بيانات التعبير الجيني لأمراض التهاب الأمعاء وCRC وPAAD من قواعد بيانات أطلس جينوم السرطان وبيانات التعبير الجيني الشاملة. تم إجراء تحليل شبكة التعبير المشترك للجينات المرجحة وتحليل التعبير التفريقي لتحديد الجينات المرتبطة بالأمراض والمشتركة. أنطولوجيا الجينات وموسوعة كيوتو للجينات والجينومات (استخدمت تحليلات لاستكشاف الوظائف والمسارات البيولوجية المثرية). تم تقييم تسرب الخلايا المناعية باستخدام تحديد نوع الخلية من خلال تقدير المجموعات النسبية من نسخ RNA. تم إجراء تحليل خصائص تشغيل المستقبل لتقييم الأداء التشخيصي للجينات الشائعة. تم إجراء تحليل تسلسل الحمض النووي الريبي أحادي الخلية لفحص توزيع الخلايا ل S100P. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم تأثيرات خفض تنظيم S100P في الخلايا الظهارية القولونية التحفيزية بالدهون (LPS). تم تحديد ما مجموعه 162 جينا مرتبطا بالمرض وأربعة جينات شائعة. أشارت تحليلات الإثراء الوظيفي إلى إثراء كبير في المسارات المناعية والالتهابية، بما في ذلك مسار إشارات الإنترلوكين-17. كشف تحليل تسرب المناعة عن اتجاهات مماثلة في عدة مجموعات من خلايا المناعة عبر أمراض الأمعاء الالتهابية وCRC وPAAD. أظهر تحليل الخلايا الأحادية تعبيرا مرتفعا لS100P في الخلايا الطهارية من جميع الأمراض الثلاثة. أدى انخفاض تنظيم S100P إلى استعادة القدرة التكاثرية لخلايا الظهارة القولونية المحفزة ب LPS وقلل من تعبير السيتوكينات الالتهابية. حدد التحليل المتكامل للنسخ S100P كمؤشر حيوي مرتبط بأمراض الأمعاء الالتهابية وCRC وPAAD، وأبرز السمات المناعية المشتركة عبر هذه الأمراض.
يمثل مرض الأمعاء الالتهابي (IBD) طيفا من الاضطرابات المناعية التي تؤثر على الجهاز الهضمي، بما في ذلك التهاب القولون التقرحي ومرض كرون1. أسباب التهاب الأمعاء الالتهابي معقدة للغاية، وتشمل اضطرابات المناعة المخاطية، وخلل الجسم، والقابلية للإصابة الوراثية2. يعد مرض التهاب الأمعاء الالتهابي قلقا صحيا عالميا مع ارتفاع معدلات الإصابة وأعباء اقتصادية كبيرة، وقد جذب انتشاره المتزايد اهتماما كبيرا1. ومن المهم أن المرضى المصابين بأمراض الأمعاء الالتهابية لديهم خطر متزايد بشكل كبير للإصابة بسرطان القولون والمستقيم (CRC)3 وسرطان الغدة الغدية في البنكرياس (PAAD)4. على الرغم من أن هذا الارتباط موثق جيدا، إلا أن التحدث الجيني بين أمراض التهاب الأمعاء وسرطان القلب والسرطان واضطراب الالتهاب العاطفي لا يزال غير مفهوم بشكل كامل.
تشير الدراسات السابقة بقوة إلى أن أمراض الأمعاء الالتهابية وCRC وPAAD تشترك في عمليات ممرضة مشتركة؛ ومع ذلك، لا تزال العلامات الحيوية التشخيصية المحددة والحساسة تفتقر، ولم يتم توضيح الآليات الممرضة المشتركة بشكل كامل. لحسن الحظ، مع التقدم السريع وتوفر تقنيات التسلسل عالية الإنتاجية على نطاق واسع، أصبحت العديد من مجموعات البيانات النصية من مرضى التهاب الأمعاء الالتهابي وCRC وPAAD متاحة للجمهور، مما أتاح تحقيقا منهجيا للترابطات الجزيئية بين هذه الأمراض 2,5,6.
استخدمت هذه الدراسة بيانات تسلسل عالية الإنتاجية من مرضى التهاب الأمعاء الالتهابي وسرطان القلب واضطراب الجينات العاطفية لتحديد الجينات المرتبطة بالأمراض والمشتركة باستخدام تحليل شبكة التعبير المشترك للجينات المرجحة (WGCNA) وتحليل التعبير التفريقي. تم دراسة هذه الجينات بشكل أكبر لتحديد مسارات الإشارات المشتركة المحتملة بين أمراض التهاب الأمعاء وCRC وPAAD. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بتقييم القيمة التشخيصية لهذه الجينات الشائعة. أظهر تحليل تسلسل الحمض النووي الريبي أحادي الخلية (scRNA-seq) أن الجين الرئيسي S100P كان معبر عنه بشكل رئيسي في الخلايا الظهارية. وأخيرا، درسنا الدور البيولوجي ل S100P في مرض التهاب الأمعاء الالتهابي.
في الختام، هدفت هذه الدراسة إلى تحديد العلامات الحيوية التشخيصية الشائعة والمسارات البيولوجية المرتبطة بالتهاب الأمعاء وCRC وPAAD، مما يوفر رؤى سريرية قيمة حول الوقاية والعلاج المشترك لهذه الأمراض.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
استخدمت هذه الدراسة مجموعات بيانات متاحة للجمهور وغير محددة الهوية من أطلس جينوم السرطان (TCGA) ومجموعة تعبير الجينات (GEO)، بالإضافة إلى خطوط خلايا تجارية معتمدة. لم يشارك أي مشاركين بشريين جدد، أو معلومات مرضى قابلة للتعريف، أو عينات مشتقة من المرضى. تم إجراء جميع التحليلات وفقا للإرشادات المؤسسية ذات الصلة وشروط استخدام قواعد البيانات العامة. لذلك، لم تكن هناك حاجة إلى موافقة أخلاقية مؤسسية إضافية أو موافقة مستنيرة لهذه الدراسة.
مصدر البيانات
تم تنزيل بيانات RNA-seq لمجموعات IBD (GSE179285؛ المنصة: GPL6480 و GSE24287؛ المنصة: GPL6480)، ومجموعات CRC (TCGA-CRC؛ المنصة: Illumina HiSeq 2000 و GSE87211؛ المنصة: GPL13497)، ومجموعات PAAD (GSE128735؛ المنصة: GPL20301 و GSE62452؛ المنصة: GPL6244) من TCGA وGEO. تم الوصول إلى جميع مجموعات البيانات في 5 ديسمبر 2025.
لكل مجموعة بيانات، تم تقسيم العينات بدقة إلى مجموعتين فرعيتين، حيث كانت الأنسجة المرضية/الأنسجة الورمية هي مجموعة الحالة، والأنسجة الطبيعية غير المصابة بالآفات كمجموعة ضابطة. على وجه التحديد، احتوت مجموعة مرض التهاب الأمعاء على 297 عينة مخاطية معوية من مرضى التهاب الأمعاء و56 عينة مخاطية معوية طبيعية من أفراد أصحاء؛ شملت مجموعة CRC 841 نسجا أوليا من ورم القولون والمستقيم و211 نسجا ظهاريا متطابقا طبيعيا في القولون والمستقيم؛ وتكونت مجموعة PAAD من 114 نسجة ورم PAAD و106 أنسجة جماهية بنكرياس طبيعية.
تم دمج جميع مجموعات البيانات ضمن نفس فئة الأمراض بشكل موحد. تم تطبيق دالة تطبيع بين المصفوفات في حزمة ليما لإجراء تطبيع الكم عبر العينات، مما أدى فعليا إلى إلغاء تأثيرات الدفعات بين المنصات وتوحيد قيم تعبير الجينات عبر مجموعات بيانات مختلفة لتحليل التعبير التفاضلي لاحقا.
فحص الجينات المرتبطة بأمراض الأمعاء الالتهابية وCRC وPAAD والجينات الشائعة
أولا، تم فحص الجينات المعبر عنها بشكل تفاضلي (DEGs) من مجموعات IBD وCRC وPAAD باستخدام حزمة ليما، وتم تصحيح قيم P الأصلية باستخدام طريقة معدل الاكتشاف الخاطئ Benjamini-Hochberg (FDR). في مجموعات IBD وCRC وPAAD، تم تحديد معايير الفحص عند |logFC| > 0.4 والP < 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء WGCNA على جميع الجينات، مع حد أدنى لجين وحدة 100 (قدرة العتبة الناعمة = 0.90؛ نوع الشبكة = موقع). وبالتالي، تم تحديد DEGs وجينات الوحدة المشتركة عبر المجموعات الثلاث. تم تعريف الجينات التي تم تحديدها باستمرار بكلتا الطريقتين كجينات مشتركة، بينما تم تصنيف الجينات المتبقية كجينات مرتبطة.
مثبط مضخة البروتون وتحليل الإثراء الوظيفي
أجريت هذه التحليلات على الجينات المرتبطة بالمرض. تم إجراء تحليل تفاعل البروتين والبروتين (PPI) باستخدام قاعدة بيانات STRING (درجة التفاعل > 0.40). شمل تحليل الإثراء الوظيفي تحليلات أنطولوجيا جينية (GO) وموسوعة كيوتو للجينات والجينومات (KEGG)، والتي أجريت باستخدام clusterProfiler وenrichplot وorg. Hs.eg.db حزم (P < 0.05 وقيمة q المعدلة ب FDR [طريقة Benjamini–Hochberg] < 0.05).
التنميط المناعي للبيئة الدقيقة
CIBERSORT هو خوارزمية موثوقة لتقدير مستويات تسرب الخلايا المناعية من بيانات التعبير الجيني باستخدام مصفوفة توقيع LM22الافتراضية 7. في هذه الدراسة، تم استخدام خوارزمية CIBERSORT لتقدير مدى تسرب الخلايا المناعية إلى عينات من مجموعات IBD وCRC وPAAD لاستكشاف الخصائص المشتركة للبيئة المناعية الدقيقة بين الأمراض الثلاثة. تم إجراء التحليل باستخدام 1000 تبديل لحساب قيم P لكل عينة، وتم تطبيق تطبيع الكمي (QN = TRUE) على ملف تعبير الخليط. تم الاحتفاظ فقط بالعينات التي حصلت على قيمة CIBERSORT P < 0.05 للتحليلات اللاحقة، مما يضمن موثوقية نتائج فك الالتفاف.
تقييم القيمة التشخيصية للجينات المشتركة
تم تقييم القيمة التشخيصية للجينات المشتركة في مجموعات IBD وCRC وPAAD باستخدام تحليل خصائص تشغيل المستقبل (ROC) باستخدام حزمة pROC في R. تم تصور المقايضة المثلى بين الحساسية والنوعية باستخدام منحنيات ROC.
qRT-PCR، وتحويل الخلايا، واختبار تكوين المستعمرة
تم إجراء qRT-PCR ونقل الخلايا وفقا للدراسات السابقة 8,9,10. تم إجراء النقل العابر باستخدام كاشف النقل jetPRIME (بوليبلس، الصين) وفقا لتعليمات الشركة المصنعة. تم حضن الخلايا بخليط النقل لمدة 6 ساعات، وبعدها تم استبدال الوسط ب DMEM كامل. أجريت تجارب لاحقة بعد 48 ساعة من النقل.
باختصار، تم استخراج الحمض النووي الريبي الخلوي الكلي باستخدام مادة تريزول. تم نسخ RNA عكسيا إلى cDNA باستخدام PrimeScript RT Master Mix. تم إجراء PCR الكمي باستخدام TB Green qPCR. تم استخدام β-أكتين كجين مرجعي داخلي لتطبيع التعبير. أجريت التجارب البيولوجية على ثلاث نسخ. يمكن العثور على تسلسلات البادئات وتسلسل siS100P في دراسة سابقة 11.
تم الحصول على خلايا NCM460، FHC، HCT116، SW116، PANC1، وBXPC2 كما هو مدرج في جدول المواد. خضعت جميع خطوط الخلايا لاختبار تحديد الخلايا واختبار المايكوبلازما.
خلال التجارب، تم تمرير جميع الخلايا لمدة 3–5 أجيال. تم زراعة جميع الخلايا في DMEM كامل يحتوي على 10٪ مصل أبقار جنيني و1٪ بنسلين-ستربتومايسين.
تم إجراء اختبار تكوين المستعمرة كما هو موصوف في دراسة سابقة12. لفترة وجيزة، تم زرع 1000 خلية في كل بئر من صفيحة مكونة من 6 آبار وزرعت لمدة 10 أيام قبل إنهاء التجربة. تم تثبيت الخلايا ب 4٪ بارافورمالديهايد، وصبغت ب 0.1٪ بنفسجي بلور، وتم عد المستعمرات باستخدام ImageJ.
تحليل الجينات الشائعة بناء على بيانات scRNA-seq
تمت معالجة بيانات scRNA-seq من مجموعة بيانات IBD (GSE214695)، وCRC (GSE166555)، وPAAD (GSE154778) مسبقا كما هو موضح في الدراسات السابقة 8,13. تم تجميع مصفوفات العد الخام بواسطة التعبير المتوسط لرموز الجينات المكررة باستخدام limma::avereps. احتفظت التصفية الأولية بالجينات التي تم اكتشافها في ثلاث خلايا على الأقل وخلايا تحتوي على ما لا يقل عن 50 نسخة فريدة. تمت إزالة الخلايا التي تحتوي على نسبة نسخ ميتوكوندرية >5٪ أو أقل من 50 جينا مكتشفة. تم إجراء تطبيع اللوغاريتيم بعامل مقياس 10,000، تلاه تحويل مثبت التباين لتحديد أفضل 1,500 جين متغير للغاية، والتي تم توحيد درجة Z قبل تحليل المكونات الرئيسية (PCA). تم تصفية جينات العلامات التي تحدد العنقود باستخدام لوغاريتيم2 (تغيير الطية) > 0.5، ونسبة كشف ≥0.25 في المجموعات المستهدفة، وقيمة P معدلة <0.05.
باختصار، تم إجراء معالجة بيانات مسبقة باستخدام حزمة Seurat، وتم إجراء تعليقات نوع الخلية باستخدام حزمة SingleR (الإصدار 2.6.0). تم إجراء تجميع الخلايا في سورات باستخدام بناء رسم بياني k-أقرب جار وتضمين t-SNE بناء على أبعاد PCA من 1 إلى 20. ثم تم فحص توزيع ومستويات التعبير للجينات المشتركة عبر أنواع الخلايا المختلفة.
بناء نموذج IBD
وفقا للدراسات السابقة14، تم استخدام بوليبوسكاريد (LPS) لتحفيز الالتهاب في خلايا الظهارة القولونية الطبيعية البشرية (FHC و NCM460)، مما أدى إلى إنتاج نموذج لأمراض الأمعاء الالتهابية التي تحاكي الالتهاب. أجريت التجارب البيولوجية على ثلاث نسخ. كانت الخلايا تزرع بشكل روتيني في حاضنة رطبة عند درجة حرارة 37°C مع 5٪CO2. عندما وصل التقاء الخلايا إلى حوالي 50٪–70٪، تم استبدال وسط الزراعة بوسط جديد كامل، وعالجت الخلايا ب 10 نانوغرام/مل LPS لمدة 12 ساعة. تم استخدام حجم مماثل من محلول ملحي معقم بفوسفات (PBS) كوسيلة تحكم للمركبة. كان حجم الزراعة 2 مل لكل بئر في صفائح ذات 6 آبار. بعد المعالجة، تمت إزالة الوسط، وغسل الخلايا مرتين باستخدام PBS المعقم المبرد مسبقا، وجمعت الخلايا لإجراء تحليلات لاحقة.
التحليل الإحصائي
تم إجراء جميع تحليلات المعلوماتية الحيوية باستخدام برنامج R (الإصدار 4.1.2). تم إجراء المقارنات بين مجموعتين باستخدام اختبار t للطالب، بينما أجريت المقارنات بين مجموعات متعددة باستخدام تحليل التباين أحادي الاتجاه (ANOVA). تم إجراء تحليل الارتباط باستخدام طريقة سبيرمان. تم تكرار جميع التجارب الخلوية ثلاث مرات على الأقل، وتعرض البيانات كمتوسط ± انحراف معياري (SD). كانت قيمة P أو FDR < 0.05 تعتبر ذات دلالة إحصائية. NS، غير مهم؛ P < 0.05 (*)، P < 0.01 (**)، والP < 0.001 (***).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
معدلات DEG في IBD وCRC وPAAD
أولا، تم دمج مجموعات مرض التهاب الأمعاء (GSE179285 و GSE24287)، ومجموعات CRC (TCGA-CRC و GSE87211)، ومجموعات PAAD (GSE128735 و GSE62452)، وتم تقييم التكامل باستخدام مخططات كثافة تعبير الجينات وتحليل الالتهاب الكيميائي (PCA). أظهرت النتائج أن تأثيرات الدفعات بين مجموعات البيانات المختلفة تم القضاء عليها فعليا بعد التكامل (الشكل 1A–F).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
سلطت دراسات سابقة الضوء على ارتباط مرض التهاب الأمعاء الالتهابي، وهو اضطراب هضمي مرتبط بالمناعة، بعدة أمراض منها الأمراض التنكسيةالعصبية 17، التصلب المتعدد18، التصلب الجانبي الضموري19، الانتباذ البطاني الرحمي20، التهاب المفاصل الروماتويدي2، لمفوما هودجكين21، CRC22، وPAAD23. يعتبر التهاب الأمعاء الال...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تضارب المصالح:
يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.
يعترف المؤلفون بالدعم المالي من خطة البحث والتطوير الوطنية الرئيسية في الصين (المنحة رقم 2023YFB3210400).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| BXPC2 cell line | Cell Bank of the Chinese Academy of Sciences | N/A | Human pancreatic adenocarcinoma cell line |
| CIBERSORT | N/A | N/A | Immune cell infiltration analysis |
| clusterProfiler package | Bioconductor | v4.8.0 | Gene Ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) enrichment analyses |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Thermo Fisher Scientific | 11965092 | Cell culture medium |
| Fetal bovine serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific | A5256701 | Cell culture supplement |
| FHC cell line | Cell Bank of the Chinese Academy of Sciences | N/A | Human normal colonic epithelial cell line |
| GEO dataset (GSE128735) | Gene Expression Omnibus (GEO) | N/A | Public gene expression dataset for pancreatic adenocarcinoma |
| GEO dataset (GSE154778) | Gene Expression Omnibus (GEO) | N/A | Public single-cell RNA sequencing dataset for pancreatic adenocarcinoma |
| GEO dataset (GSE166555) | Gene Expression Omnibus (GEO) | N/A | Public single-cell RNA sequencing dataset for colorectal cancer |
| GEO dataset (GSE179285) | Gene Expression Omnibus (GEO) | N/A | Public gene expression dataset for inflammatory bowel disease |
| GEO dataset (GSE214695) | Gene Expression Omnibus (GEO) | N/A | Public single-cell RNA sequencing dataset for inflammatory bowel disease |
| GEO dataset (GSE24287) | Gene Expression Omnibus (GEO) | N/A | Public gene expression dataset for inflammatory bowel disease |
| GEO dataset (GSE62452) | Gene Expression Omnibus (GEO) | N/A | Public gene expression dataset for pancreatic adenocarcinoma |
| GEO dataset (GSE87211) | Gene Expression Omnibus (GEO) | N/A | Public gene expression dataset for colorectal cancer |
| ggplot2 package | CRAN | v3.4.2 | Data visualization |
| HCT116 cell line | Cell Bank of the Chinese Academy of Sciences | N/A | Human colorectal cancer cell line |
| ImageJ | National Institutes of Health (NIH) | v1.8.0 | Colony counting |
| jetPRIME Transfection Reagent | Polyplus | 101000046 | Cell transfection |
| Lipopolysaccharide (LPS) | Beyotime Co., Ltd | S1735 | Induction of an inflammation-mimicking IBD cell model |
| limma package | Bioconductor | v3.54.0 | Differential expression analysis |
| NCM460 cell line | Cell Bank of the Chinese Academy of Sciences | N/A | Human normal colonic epithelial cell line |
| org.Hs.eg.db package | Bioconductor | v3.23.1 | Gene annotation for enrichment analysis |
| PANC1 cell line | Cell Bank of the Chinese Academy of Sciences | N/A | Human pancreatic adenocarcinoma cell line |
| Penicillin–streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | Antibiotic supplement for cell culture |
| pheatmap package | CRAN | v1.0.12 | Heatmap visualization |
| pROC package | CRAN | v1.19.0.1 | Receiver operating characteristic (ROC) analysis |
| PrimeScript RT Master Mix | Takara Bio | RR036A | Reverse transcription of RNA into cDNA |
| Primer sets for qRT-PCR | Tsingke Biotech Co., Ltd | N/A | Primer sequences reported in Reference 11 |
| R software | R Foundation for Statistical Computing | v4.1.2 | Statistical and bioinformatics analyses |
| Seurat package | CRAN | v4.0 | Single-cell RNA sequencing data preprocessing and analysis |
| siS100P | Tsingke Biotech Co., Ltd | N/A | Small interfering RNA targeting S100P |
| SingleR package | Bioconductor | v2.6.0 | Cell type annotation for single-cell RNA sequencing |
| STRING database | STRING Consortium | N/A | Protein-protein interaction analysis |
| SW1116 cell line | Cell Bank of the Chinese Academy of Sciences | N/A | Human colorectal cancer cell line |
| TB Green qPCR Mix | Takara Bio | RR430B | Quantitative real-time PCR |
| TCGA-CRC dataset | The Cancer Genome Atlas (TCGA) | N/A | Public colorectal cancer transcriptomic dataset |
| TRIzol reagent | Invitrogen | 15596-026 | Total RNA extraction |
| WGCNA package | CRAN | v1.73 | Weighted gene co-expression network analysis |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.