Identification d'un module génique clé associé à la pneumonie pédiatrique par WGCNA
Afin d'identifier les modules géniques associés à la pneumonie pédiatrique, une analyse WGCNA a été réalisée à partir de données transcriptomiques provenant d'échantillons de sang total de patients atteints de pneumonie et de témoins sains. L'analyse de regroupement des échantillons n'a révélé aucun outlier évident, indiquant une bonne qualité des données pour les analyses ultérieures (Figure 1A). L'ACP a par ailleurs mis en évidence une séparation nette entre les groupes pneumonie et sains, suggérant des profils transcriptomiques distincts selon les conditions (Figure 1B). Pour construire un réseau sans échelle, les gènes ont été classés par déviation absolue médiane, les 5 000 gènes les plus variables ont été sélectionnés pour la construction du réseau, et la puissance de seuil doux a été fixée à 15 selon le critère d'ajustement à une topologie sans échelle (indice de corrélation R2 > 0,8), tout en maintenant une connectivité moyenne relativement faible (Figure 1C). À l'aide de ce seuil, le regroupement hiérarchique a identifié plusieurs modules géniques présentant des profils d'expression distincts (Figure 1D). L'analyse des relations entre modules et traits cliniques a révélé que plusieurs modules étaient significativement corrélés aux phénotypes cliniques. Notamment, le module bleu présentait une forte corrélation avec l'état pathologique (pneumonie contre sain) et la classification étiologique, suggérant son rôle potentiel dans la progression de la maladie et la réponse de l'hôte (Figure 1E).
De plus, l'analyse du nuage de points représentant l'appartenance au module par rapport à la signification des gènes au sein du module bleu a révélé une forte corrélation positive (cor = 0,6, p = 2,1e−35), indiquant que les gènes fortement connectés au sein du module étaient également fortement associés au caractère clinique (Figure 1F).
Association du module bleu avec l'étiologie de la pneumonie bactérienne
Afin d'approfondir l'analyse des différences d'expression génique selon les étiologies de la pneumonie, une analyse WGCNA a été réalisée en utilisant plusieurs classifications cliniques, incluant les groupes témoins (C), bactériens définitifs (BD), viraux définitifs (VD), bactériens probables (BP), viraux probables (VP) et d'étiologie inconnue (U). L'analyse des corrélations entre modules et traits a révélé que plusieurs modules présentaient des corrélations significatives avec des sous-types étiologiques spécifiques. Notamment, le module bleu a montré la plus forte corrélation positive avec le groupe BD, suggérant son implication potentielle dans les réponses de l'hôte spécifiques à l'infection bactérienne (Figure 2A).
Le dendrogramme de regroupement des gènes et l'attribution correspondante des modules ont davantage confirmé la robustesse de la construction des modules et la séparation nette des groupes de gènes (Figure 2B). Dans le module bleu, l'analyse de l'appartenance au module par rapport à la significativité des gènes a révélé une corrélation positive significative (cor = 0,41, p = 7,8e−14), suggérant que les gènes fortement connectés au sein de ce module étaient également fortement associés au caractère étiologique (Figure 2C).
De plus, la comparaison de l'expression des gènes-éigènes des modules entre différents groupes étiologiques a révélé des différences significatives dans le module bleu (test de Kruskal-Wallis, p = 1,5e−13). Plus précisément, le module bleu présentait une expression accrue dans les groupes atteints de pneumonie bactérienne, particulièrement dans le sous-groupe DB, par rapport aux autres catégories étiologiques (Figure 2D).
Dix-huit gènes candidats associés à des composés dérivés de Paeonia et identifiés par analyse intégrative dans la pneumonie pédiatrique
Afin d'identifier des gènes candidats associés à la pneumonie pédiatrique ainsi que des cibles potentielles liées au Paeonia, une analyse d'expression différentielle a d'abord été réalisée entre les patients atteints de pneumonie et les témoins sains. Selon ces critères, 1 110 gènes différentiellement exprimés (DEG) ont été identifiés entre les échantillons de pneumonie et les témoins sains, dont 524 gènes surexprimés et 586 gènes sous-exprimés. Les 524 DEG surexprimés sont fournis dans le Tableau supplémentaire S1 (voir également la Figure 3A). Afin d'affiner davantage les gènes clés, les DEG liés à la pneumonie ont été croisés avec les gènes associés au phénotype DB et les cibles prédites du Paeonia. Cette analyse intégrative a permis d'obtenir 18 gènes communs, suggérant leur rôle potentiel dans la progression de la maladie et dans les réponses associées au Paeonia (Figure 3B).
Un réseau d'interaction composé-cible a été construit afin de visualiser les relations entre les composants actifs de Paeonia et les gènes candidats identifiés, révélant une connectivité étendue entre les composés et les cibles (Tableau Supplémentaire S2 et Figure 3C). Afin d'explorer les fonctions biologiques de ces 18 gènes, des analyses d'enrichissement fonctionnel ont été réalisées. L'enrichissement des processus biologiques selon l'ontologie génétique (GO) a associé principalement les gènes candidats à des fonctions immunitaires et inflammatoires, notamment la régulation de la réponse inflammatoire, la réponse aux hormones peptidiques, la régulation positive du métabolisme des espèces réactives de l'oxygène, et la régulation de la signalisation médiée par l'interféron de type II (Figure 3D). L'analyse KEGG a en outre montré que les gènes étaient enrichis dans des voies liées à l'inflammation et à l'immunité, telles que les voies de signalisation IL-17 et NF-κB, ainsi que dans des voies métaboliques et endocriniennes, incluant la signalisation du glucagon et la biosynthèse des hormones stéroïdiennes (Figure 3D).
Enrichissement des gènes candidats dans les neutrophiles et les macrophages alvéolaires lors d'une analyse transcriptomique unicellulaire
Afin d'étudier la distribution cellulaire des gènes candidats dans un contexte expérimental de pneumonie, le jeu de données de séquençage transcriptomique unicellulaire (scARN-séq) pulmonaire de souris GSE295484 a été analysé. Une analyse de contrôle qualité a été réalisée afin d'évaluer la fiabilité des données. La distribution du nombre de gènes détectés, des comptages d'unités moléculaires uniques (UMI), ainsi que des pourcentages de gènes mitochondriaux et ribosomaux indiquait des données unicellulaires globalement de haute qualité dans la matrice traitée (Figure 4A). Des graphiques de dispersion ont montré les seuils de référence pour la détection des gènes et la teneur en mitochondries utilisés dans la visualisation du contrôle qualité (Figure 4B).
Après la normalisation et la réduction de la dimensionnalité, les cellules ont été regroupées et visualisées à l'aide de l'UMAP. Des populations cellulaires distinctes ont été identifiées, notamment des neutrophiles, des macrophages alvéolaires, des monocytes, des cellules épithéliales et d'autres types cellulaires immunitaires et stromales, démontrant l'hétérogénéité cellulaire du microenvironnement pulmonaire durant la pneumonie (Figure 4C). Afin d'évaluer l'activité des 18 gènes candidats au niveau monocellulaire, une analyse AUCell a été réalisée. Les résultats ont montré que la signature génique était principalement enrichie dans les neutrophiles et les macrophages alvéolaires, comme en témoignent des scores AUC plus élevés dans ces populations cellulaires (Figure 4D).
Gènes inflammatoires associés aux cibles de composés dérivés de Paeonia dans un modèle murin de pneumonie bactérienne
Afin d'approfondir l'étude de la dynamique des cellules immunitaires dans le modèle expérimental de pneumonie chez la souris, les proportions de macrophages alvéolaires et de neutrophiles ont été analysées dans les groupes air ambiant, PBS et E. coli aux temps 48 h et 96 h après l'aspiration. À 48 h, les macrophages alvéolaires présentaient une diminution marquée en cas d'infection par E. coli par rapport aux conditions air et PBS, tandis que les neutrophiles montraient une augmentation substantielle de leur proportion cellulaire (Figure 5A). Une tendance similaire a été observée à 96 h, la proportion de neutrophiles restant élevée en réponse à la stimulation par E. coli, alors que les macrophages alvéolaires présentaient des niveaux relativement plus faibles. Ces résultats indiquent une expansion marquée des neutrophiles durant l'infection bactérienne. Afin d'explorer les caractéristiques fonctionnelles des neutrophiles, les gènes marqueurs des neutrophiles ont été identifiés et une analyse d'enrichissement fonctionnel a été réalisée. L'enrichissement KEGG a associé les gènes marqueurs des neutrophiles à des voies de signalisation inflammatoire, notamment les voies du TNF, des MAPK et des récepteurs de type lectine C (Figure 5B). Les termes GO relatifs aux processus biologiques étaient également concentrés sur des fonctions liées à la réponse immunitaire, telles que la migration des leucocytes, l'adhésion cellule-cellule des leucocytes, la régulation positive de la réponse de défense et la réponse à des molécules d'origine bactérienne (Figure 5B). Afin d'identifier les gènes clés reliant l'activité des neutrophiles, la pneumonie et les cibles de Paeonia, les gènes marqueurs des neutrophiles ont été croisés avec les 18 gènes candidats identifiés précédemment. Cette analyse a révélé trois gènes communs : MMP9, PYGL et GADD45A (Tableau supplémentaire S3 et Figure 5C). Enfin, la visualisation de l'expression génique au niveau cellulaire unique a montré que ces trois gènes étaient principalement exprimés dans les populations de neutrophiles (Figure 5D), renforçant ainsi leur rôle potentiel dans les réponses inflammatoires médiées par les neutrophiles.
Affinité prévue de liaison de la catéchine avec des protéines sélectionnées lors du docking moléculaire
Afin d'évaluer davantage les interactions potentielles entre la catéchine et les protéines, une analyse de docking moléculaire a été réalisée entre les protéines sélectionnées (MMP9, PYGL et GADD45A) et la catéchine, un composé actif dérivé de Paeonia. Les structures cristallines de GADD45A, MMP9 et PYGL ont été obtenues à partir de la Protein Data Bank, et la structure tridimensionnelle de la catéchine a été extraite de la base de données PubChem. Les résultats du docking ont indiqué que la catéchine pourrait se lier à des sites des trois protéines sélectionnées, avec des énergies de liaison de −6,3 kcal/mol pour GADD45A, −7,6 kcal/mol pour MMP9 et −8,0 kcal/mol pour PYGL (Figure 6). Parmi ces protéines sélectionnées, la catéchine présentait l'affinité de liaison prévue la plus forte avec PYGL, suivie par MMP9 et GADD45A, suggérant une interaction potentielle privilégiée avec une protéine liée au métabolisme.
Au niveau moléculaire, la catéchine a formé plusieurs liaisons hydrogène et interactions hydrophobes avec des résidus d'acides aminés clés dans chaque protéine. Dans GADD45A, la catéchine a interagi avec des résidus tels que GLN33 et TRP135. Dans MMP9, une liaison hydrogène stable a été observée avec des résidus incluant GLN227, TYR248 et HIS236. De manière similaire, dans PYGL, la catéchine a formé plusieurs liaisons hydrogène avec des résidus tels que LYS554 et ASN631, contribuant à la stabilité de la liaison. En plus des liaisons hydrogène, l'analyse des interactions a révélé des forces de van der Waals et des interactions liées au π, indiquant un mode de liaison multiforme qui renforce la stabilité des complexes ligand–protéine prédits. Dans leur ensemble, ces résultats suggèrent que la catéchine peut former des complexes prédits stables avec MMP9, PYGL et GADD45A. Toutefois, la pertinence thérapeutique de ces interactions nécessite une validation expérimentale supplémentaire.
Interactions stables prédites entre la catéchine et les protéines sélectionnées
À partir des poses d'ancrage obtenues par la simulation d'ancrage moléculaire, des simulations de dynamique moléculaire de 100 ns ont été réalisées afin d'évaluer davantage la stabilité des complexes catéchine-protéine. L'analyse du RMSD a montré que les trois complexes protéine-ligand atteignaient un état d'équilibre pendant la durée de la simulation. Parmi eux, les complexes PYGL–catéchine et MMP9–catéchine présentaient des fluctuations de RMSD relativement stables, tandis que le complexe GADD45A–catéchine montrait des fluctuations légèrement plus élevées, mais restant dans une plage acceptable (Figure 7A). L'analyse du Rg indiquait que tous les complexes conservaient une compacité structurale stable tout au long de la simulation, avec des variations minimales dans le temps (Figure 7B). De même, l'analyse du SASA démontrait des niveaux d'exposition stables pour tous les complexes, confirmant ainsi leur stabilité structurale (Figure 7C). L'analyse des liaisons hydrogène révélait des interactions persistantes entre la catéchine et les protéines sélectionnées. Le complexe PYGL–catéchine maintenait un nombre plus élevé de liaisons hydrogène au cours du temps par rapport aux complexes MMP9 et GADD45A, suggérant des interactions de liaison plus fortes et plus stables (Figure 7D).
La flexibilité au niveau des résidus a été évaluée à l'aide de l'écart type quadratique moyen (RMSF). Les résultats ont montré que la plupart des résidus présentaient une faible fluctuation, seules quelques régions affichant une flexibilité plus élevée, ce qui indique que la liaison du ligand n'a pas induit d'instabilité structurale majeure dans les protéines (Figure 7E). Dans leur ensemble, ces résultats suggèrent que la catéchine forme des complexes prédits stables avec MMP9, PYGL et GADD45A, la stabilité la plus forte étant observée dans l'interaction entre PYGL et la catéchine. Ces résultats appuient l'existence d'interactions prédites stables entre la catéchine et les protéines sélectionnées, fournissant une preuve computationnelle justifiant une validation expérimentale ultérieure.
Disponibilité des données :
Des jeux de données accessibles au public ont été analysés dans cette étude. Le jeu de données de séquençage ARN en masse est disponible dans le Gene Expression Omnibus (GEO) sous le numéro d'accès GSE261482 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE261482), et le jeu de données de séquençage ARN monocellulaire du poumon de souris est disponible sous le numéro d'accès GSE295484 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE295484). Les résultats traités utilisés dans l'article sont fournis en tant que Tableau Supplémentaire S1, Tableau Supplémentaire S2 et Tableau Supplémentaire S3.

Figure 1. Construction de WGCNA et identification des modules associés à la maladie (A) Un regroupement des échantillons a été effectué à partir des profils d'expression génique, et les annotations des caractères correspondants sont affichées sous le dendrogramme. (B) L'analyse en composantes principales montre la répartition des échantillons selon les deux premières composantes principales. (C) La puissance de seuil doux a été évaluée à l'aide de l'indice d'ajustement à une topologie sans échelle et de la connectivité moyenne. (D) Les gènes ont été regroupés selon leur chevauchement topologique, et les affectations aux modules sont indiquées par des couleurs. (E) Les corrélations entre les eigengènes des modules et les caractères cliniques sont représentées sous forme de carte thermique. (F) La relation entre l'appartenance au module et la significativité du gène est illustrée pour les gènes du module bleu. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Figure 2. Analyse WGCNA selon l'étiologie de la pneumonie. (A) Les corrélations des eigengènes des modules sont présentées pour les groupes étiologiques, incluant le témoin, bactérien défini, viral défini, bactérien probable, viral probable et inconnu. (B) Les modules de gènes ont été attribués à partir du dendrogramme de regroupement basé sur la superposition topologique. (C) L'appartenance au module et la signification du gène sont représentées pour le module bleu. (D) L'expression de l'eigengène du module bleu est comparée entre les groupes étiologiques. Abréviations : WGCNA = analyse de réseau de co-expression génique pondérée ; C = témoin ; DB = bactérien défini ; DV = viral défini ; PB = bactérien probable ; PV = viral probable ; U = inconnu. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Figure 3. Identification et analyse fonctionnelle des gènes candidats. (A) Graphique en volcan illustrant les gènes différentiellement exprimés entre les échantillons de pneumonie et les témoins. (B) Diagramme de Venn montrant l'intersection entre les gènes différentiellement exprimés (DEGs) dans la pneumonie, les gènes associés aux bactéries définitives et les gènes cibles de Paeonia. (C) Réseau d'interactions composé-cible entre les composants actifs de Paeonia et les gènes candidats. (D) Diagrammes en barres montrant l'enrichissement fonctionnel en processus biologiques selon l'ontologie génétique (à gauche) et l'enrichissement en voies métaboliques selon KEGG (à droite) pour les gènes communs. Veuillez cliquer ici pour consulter une version agrandie de cette figure.

Figure 4. Analyse transcriptomique unicellulaire de la pneumonie. (A) Les diagrammes en violon résument les métriques de contrôle qualité, notamment le nCount_RNA, le nFeature_RNA, le pourcentage de gènes mitochondriaux et le pourcentage de gènes ribosomaux. (B) Diagrammes de dispersion montrant les relations entre le nombre d'UMI, le nombre de gènes détectés par cellule et le pourcentage de gènes mitochondriaux. (C) Visualisation UMAP des groupes cellulaires annotés par types cellulaires. (D) Graphique UMAP montrant les scores AUCell pour la signature génique candidate à travers les cellules uniques. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Figure 5. Dynamique des neutrophiles et identification des gènes clés. (A) Boîtes à moustaches montrant les proportions cellulaires des macrophages alvéolaires et des neutrophiles dans différentes conditions (air, PBS et E. coli) à 48 h et 96 h. (B) Histogrammes montrant l'enrichissement des voies KEGG (à gauche) et l'enrichissement des processus biologiques GO (à droite) pour les gènes marqueurs des neutrophiles. (C) Diagramme de Venn montrant les gènes communs entre les gènes marqueurs des neutrophiles et les cibles partagées de la pneumonie bactérienne et de Paeonia. (D) Graphiques UMAP montrant les profils d'expression de MMP9, PYGL et GADD45A au sein des populations cellulaires. Veuillez cliquer ici pour afficher une version agrandie de cette figure.

Figure 6. Docking moléculaire de la catéchine avec des protéines sélectionnées. Structures tridimensionnelles de complexes protéine-ligand illustrant la liaison de la catéchine à GADD45A (haut), MMP9 (milieu) et PYGL (bas). Les panneaux agrandis montrent les régions de liaison et les contacts avec des résidus d'acides aminés clés. Les diagrammes bidimensionnels présentent les liaisons hydrogène et autres interactions entre la catéchine et les protéines sélectionnées. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Figure 7. Simulations de dynamique moléculaire de complexes protéine-ligand. (A) Déviation quadratique moyenne des complexes au cours de la simulation. (B) Évolution du rayon de giration en fonction du temps. (C) Surface accessible au solvant au cours de la simulation. (D) Nombre de liaisons hydrogène entre la catéchine et les protéines cibles en fonction du temps. (E) Fluctuation quadratique moyenne des résidus protéiques dans chaque complexe. Abréviations : RMSD = déviation quadratique moyenne ; Rg = rayon de giration ; SASA = surface accessible au solvant ; RMSF = fluctuation quadratique moyenne. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Tableau supplémentaire S1. Gènes différentiellement exprimés surexprimés chez les enfants atteints de pneumonie par rapport aux échantillons témoins sains, incluant les symboles des gènes, les variations d'expression logarithmiques en base 2, les valeurs P, les valeurs P ajustées et les statistiques limma associées. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S2. Tableau des interactions composés-cibles pour Paeonia utilisé pour l'analyse de réseau, incluant les identifiants des composés, les noms des composés et les gènes cibles associés. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S3. Tableau des gènes marqueurs en simple cellule provenant de GSE295484, incluant les valeurs P, les logarithmes moyens de rapport d'expression (log2 fold changes), les pourcentages d'expression, les valeurs P ajustées, les annotations des groupes cellulaires et les symboles des gènes. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.