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Déclaration d’éthique
Cette étude n’a pas impliqué directement de participants humains ni de sujets animaux.
Acquisition de cibles BaP
BaP se caractérisait par l’intégration de données provenant de plusieurs bases de données. La base de données PubChem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/) a été interrogée en utilisant le mot-clé « Benzo[a]pyrène » pour obtenir sa structure chimique et sa structure 2D canonique (chaîne SMILES : C1=CC=C2C3=C4C(=CC2=C1)C=CC5=C4C(=CC=C5)C=C3)14. Les cibles potentielles de BaP ont été récupérées dans les bases de données ChEMBL (https://www.ebi.ac.uk/chembl/), SEA (https://sea.bkslab.org/) et PharmMapper (http://lilab-ecust.cn/pharmmapper)15, 16, 17. Toutes les cibles prédites étaient limitées au protéome d’Homo sapiens. La liste complète des cibles BaP prédites (n = 474) est fournie dans le tableau supplémentaire S1. Le flux de travail analytique complet est représenté de manière schématique dans la Figure 1.

Figure 1. Organigramme de l’analyse des ensembles de données dans cet article, illustrant le flux de travail global incluant l’acquisition de données, le prétraitement, l’analyse d’expression différentielle, la construction de réseaux et les étapes de validation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.
Acquisition de cibles liées à la RA
Dans cette étude, cinq ensembles de données sur la PR ont été acquis à partir de la base de données NCBI Gene Expression Omnibus (GEO) (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gds/) en utilisant les mots-clés « Rheumatoid arthritis » et « Homo sapiens »18. Sur la base de la taille du jeu de données et du plan expérimental, GSE77298 (RA : 16 échantillons ; Témoins : 7 échantillons), GSE1919 (AR : 5 échantillons ; témoins : 5 échantillons), et GSE55235 (AR : 10 échantillons ; Témoin : 10 échantillons) formaient l’ensemble d’entraînement pour identifier les gènes exprimés différiellement (DEG), tandis que GSE12021 (AR : 24 échantillons ; témoins : 13 échantillons) et GSE55457 (AR : 13 échantillons ; Témoin : 10 échantillons) servaient de jeu de validation. Plus de détails sur ces ensembles de données, tels que les plateformes, les échantillons et les séries GSE, se trouvent dans le Tableau 1.
Les données ont été standardisées à l’aide de l’outil en ligne GEO2R, générant des matrices d’expression transformées en log2 pour des analyses ultérieures. Pour éliminer les interférences provenant de différents lots expérimentaux, les biais systématiques entre ensembles de données ont été corrigés à l’aide de la fonction ComBat du package SVA basée sur un cadre empirique paramétrique de Bayes. L’analyse des composantes principales (ACP) a ensuite été utilisée pour vérifier l’effet de correction, montrant une amélioration significative du regroupement entre les échantillons par lots, confirmant ainsi la suppression effective des effets par lots. La matrice de données fusionnée et corrigée a été utilisée pour l’analyse différentielle ultérieure.
| Série GSE | Échantillons | Quai | Groupe |
| GSE77298 | 16 RA et 7 commandes | GPL570 | Cohorte de formation |
| GSE1919 | 5 RA et 5 commandes | GPL91 | Cohorte de formation |
| GSE55235 | 10 RA et 10 commandes | GPL96 | Cohorte de formation |
| GSE12021 | 24 RA et 13 commandes | GPL96 | Cohorte de validation |
| GSE55457 | 13 RA et 10 commandes | GPL9 | Cohorte de validation |
Tableau 1 : Résumé des cinq ensembles de données GEO utilisés dans cette étude.
Le tableau fournit le numéro d’accession GEO (série GSE), la composition de l’échantillon (nombre de patients atteints de polyarthrite rhumatoïde et de témoins sains), l’identifiant de plateforme (GPL) pour chaque jeu de données et l’affectation soit à la cohorte de formation, soit à la cohorte de validation.
Analyse pondérée du réseau de co-expression génique (WGCNA)
WGCNA a été utilisé pour évaluer les caractéristiques du réseau de co-expression des DEG associés àl’AR 19. Sur la base de la matrice d’expression corrigée par effet de batch, le prétraitement des données a d’abord été effectué : les gènes à faible variance avec un écart-type inférieur à 0,5 ont été retirés, tandis que la qualité des échantillons et des gènes a été évaluée à l’aide d’une fonction d’évaluation de bons échantillons et gènes. Par la suite, un regroupement hiérarchique a été appliqué pour identifier et supprimer les échantillons d’outliers. Pour construire un réseau de co-expressions pondéré, une fonction d’évaluation systématique des valeurs de puissance à seuil doux a été utilisée pour évaluer systématiquement les valeurs de puissance à seuil souple allant de 1 à 20. Puissance = 12 a été choisie comme seuil doux optimal (topologie sans échelle indice d’ajustement R2 = 0,90), garantissant que la topologie du réseau respecte un critère sans échelle. Sur la base de cette valeur de puissance, une matrice d’adjacence a été construite, et la matrice de chevauchement topologique (TOM) a été calculée. Les gènes étaient regroupés hiérarchiquement, et un algorithme dynamique de découpe d’arbre était utilisé pour identifier les modules géniques initiaux. Par la suite, des modules similaires ont été fusionnés par le regroupement des propres modules eux, aboutissant à un réseau robuste de modules géniques. Toutes les analyses étaient réalisées avec un package R dédié pour l’analyse pondérée des réseaux de co-expressions afin d’assurer la fiabilité et la reproductibilité de la construction du réseau. Une analyse de l’intersection entre les gènes centrals DEG/WGCNA et les cibles BaP prédites a été réalisée afin d’identifier les cibles principales de BaP associées à la pathogenèse de la PR, qui ont été visualisées à l’aide d’un logiciel de diagramme de Venn.
Identification des cibles associées à BaP associées à la pathogenèse de la PR
L’analyse d’intersection a été réalisée à l’aide d’un package R pour les diagrammes de Venn afin d’identifier les cibles de BaP qui chevauchent la pathogenèse de l’AR. Ces éléments ont été importés dans la base de données STRING pour construire un réseau d’interaction protéine-protéine (IPP), avec l’espèce réglée sur « Homo sapiens » et le score de confiance en interaction fixé à > 0,7 pour garantir une fiabilité réseauélevée de 20. Ce seuil a été choisi car il correspond à un niveau de « confiance élevé » dans la base de données STRING, qui équilibre la rétention des interactions biologiquement pertinentes tout en minimisant les faux positifs généralement associés à des scores de confiance plus faibles. Un seuil de > 0,7 a été largement adopté dans les études de toxicologie en réseau pour privilégier les associations protéiques robustes et reproductibles. Le fichier TSV résultant a été téléchargé depuis la base de données d’interaction protéine-protéine (STRING) et importé dans un logiciel de visualisation réseau (Cytoscape) pour la visualisation réseau. Les protéines centrales du réseau ont été identifiées à partir des résultats de classement générés par l’algorithme Degree dans le plugin CytoHubba et ont été utilisées pour des analyses ultérieures.
Analyse d’enrichissement KEGG et GO
Les abréviations des gènes associés à la modulation de BaP et à la pathogenèse de la PR ont été converties en identifiants Entrez à l’aide de l'« org ». Hs.eg.db » en version R. Par la suite, l’analyse d’enrichissement des voies KEGG a été réalisée à l’aide de l’outil clusterProfiler, avec un seuil de signification fixé à 0,05. Par contre, l’annotation fonctionnelle GO couvrait les trois grandes catégories GO : Processus biologique (BP), Composante cellulaire (CC) et Fonction moléculaire (MF), et était réalisée à l’aide de la fonction enrichitGO, avec des seuils de valeurs P et de valeurs q fixées à 0,05. Il convient de noter qu’aucune correction par tests multiples n’a été appliquée, car l’objectif principal de cette analyse exploratoire était de maximiser la découverte de voies biologiques potentiellement pertinentes et de termes fonctionnels, générant ainsi un ensemble plus large d’hypothèses testables pour une validation expérimentale future. Enfin, les résultats de l’analyse d’enrichissement ont été affichés graphiquement à l’aide des fonctions de barres et de dotplot du package enrichplot.
Validation des gènes de base basée sur l’apprentissage automatique
Pour évaluer la capacité prédictive des gènes de base associés à BaP et AR, et pour maintenir la transparence des modèles, nous avons mis en place un flux de travail systématique basé sur l’apprentissage automatique. En utilisant les profils d’expression des gènes centraux sélectionnés, des modèles prédictifs ont été construits avec 11 algorithmes d’apprentissage automatique distincts : régression lasso (LR), Support Vector Machine (SVM), forêt aléatoire (RF), glmBoost, modèle linéaire généralisé par étapes (GLM), régression de crête, filet élastique (Enet), machine à amplification de gradient (GBM), analyse discriminante linéaire (LDA), eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) et Naïve Bayes. Les hyperparamètres ont été optimisés par validation croisée en cinq parties, avec un échantillonnage stratifié utilisé pour diviser les données en ensembles d’entraînement et de validation internes. Une graine aléatoire fixe (set.seed(123)) était utilisée tout au long du flux de travail de l’apprentissage automatique pour garantir la reproductibilité de la division des données, des folds croisés et de l’entraînement des modèles. Les hyperparamètres clés pour chaque algorithme sont fournis dans le tableau supplémentaire S2. La performance du modèle a été évaluée à l’aide de plusieurs métriques, notamment l’aire sous la courbe (AUC), la précision et le score F1. Pour remédier aux limites inhérentes aux approches à modèle unique, nous avons appliqué une stratégie d’ensemble empilé intégrant les prédictions des modèles de base les plus performants. Reconnaissant la nature « boîte noire » de nombreux modèles d’apprentissage automatique, nous avons utilisé l’algorithme SHapley Additive ExPlanations (SHAP) pour quantifier la contribution de chaque gène aux prédictions. L’ampleur et la direction des valeurs SHAP ont été utilisées pour interpréter l’importance des gènes dans les décisions de classification, améliorant ainsi l’interprétabilité des résultats du modèle.
Amarrage moléculaire de BaP avec des cibles centrales
Pour étudier les caractéristiques de liaison entre BaP et les produits géniques principaux, des simulations d’amarrage moléculaire ont été réalisées. La structure tridimensionnelle de BaP (ligand) a été obtenue au format SDF à partir de la base de données PubChem. Les structures protéiques correspondant aux cibles principales ont été extraites de la base de données protéiques RCSB (https://www.rcsb.org/) au format PDB, sélectionnées selon leurs identifiants UniProt, avec une préférence pour les structures contenant des ligands co-cristallisés ou des coordonnées à haute résolution. Avant l’amarrage, la préparation des protéines était réalisée à l’aide de PyMol, durant laquelle les molécules d’eau, les ligands co-cristallisés et les composants non protéiques tels que les ions étaient retirés pour éviter toute interférence21. Pour les protéines dont les ligands co-cristallisés sont dans leurs structures PDB d’origine, le centre du site actif a été défini à l’aide des coordonnées atomiques du ligand lié. Pour les protéines sans ligands co-cristallisés, le centre du site actif a été déterminé sur la base des coordonnées des résidus clés rapportés dans la littérature comme critiques pour l’activité catalytique ou la liaison aux inhibiteurs. La grille d’amarrage était centrée sur les coordonnées définies du site actif, avec une boîte cubique de dimensions 25 × 25 × 25 Å appliquée à chaque cible. Cette taille standard de boîte de 25 Å assure une couverture complète de chaque site actif avec une marge suffisante pour l’échantillonnage des ligands tout en évitant un coût computationnel excessif. Tous les calculs d’amarrage étaient effectués avec AutoDock Vina (version 1.2.5). La conformation présentant le score de Vina le plus favorable a été choisie comme mode de liaison représentatif, et l’énergie de liaison correspondante a été enregistrée. Des poses de liaison tridimensionnelles ont été générées avec PyMol (version 2.5.7), et des diagrammes d’interaction bidimensionnels ont été produits avec Discovery Studio (version 2021) pour visualiser les interactions clés, y compris les liaisons hydrogène et les contacts hydrophobes.
Simulation de dynamique moléculaire
Des simulations de dynamique moléculaire ont été réalisées avec Gromacs 2025.3, en utilisant les complexes dérivés de l’amarrage comme structures de départ. Les atomes de protéines ont été modélisés avec le champ de force AMBER14SB, et les molécules d’eau ont été représentées à l’aide du modèle TIP3P. Chaque complexe protéine-ligand a été solvé dans une boîte d’eau cubique, avec une distance minimale de 1 nm entre la surface protéique et la frontière de la boîte. Des ions sodium ou chlorure étaient ajoutés selon les besoins pour obtenir l’électroneutralité du système. Une minimisation d’énergie initiale a été réalisée à l’aide d’une combinaison d’algorithmes de descente la plus raide et d’algorithmes de gradient conjugué, chacun pouvant parcourir jusqu’à 10 000 pas. Les interactions électrostatiques à longue portée étaient calculées via la méthode Particle-Mesh Ewald (PME), tandis qu’une distance de coupure de 1,0 nm était appliquée à la fois aux interactions de van der Waals et à courte portée. Après minimisation d’énergie, les systèmes ont été progressivement équilibrés sous des conditions NVT (volume et température constants) et NPT (pression et température constantes). Des séries de production de 100 ns ont ensuite été réalisées sous température et pression constantes, avec un écart de 0,002 ps (2 fs) et un total de 50 000 000 d’étapes. Chaque simulation a été effectuée une fois (sans réplication), l’objectif principal étant d’évaluer la stabilité des complexes de liaison dans des conditions standard. La température était maintenue à l’aide du thermostat V-rescale, et la pression contrôlée avec le barostat Parrinello–Rahman. Tout au long de la simulation, un seuil de 1,0 nm a été appliqué de manière constante pour les interactions non liées. Pour évaluer la stabilité et la flexibilité structurelles, nous avons calculé l’écart quadratique moyen (RMSD) des positions atomiques, la fluctuation quadratique moyenne (RMSF) par résidu, le rayon de gyration (Rg) comme mesure de la compacité structurelle, et la surface accessible au solvant (SASA). Tous les graphiques ont été générés avec QtGrace.