Recherche de biomarqueurs diagnostiques candidats pour le kélidoïde à l'aide d'un algorithme d'apprentissage automatique
Un total de 283 gènes liés au métabolisme de l'hème ont été inclus dans cette étude. L'analyse de l'expression différentielle du jeu de données GSE44270, comparant les tissus de peau chéloïdiens et normaux, a identifié 25 gènes exprimés de manière significativement différente (Figure 1A et Tableau supplémentaire S3). Afin de sélectionner davantage des biomarqueurs associés à la maladie, la régression LASSO a identifié 9 gènes candidats (Figure 1B,C et Tableau supplémentaire S3), tandis que l'algorithme de forêt aléatoire (RF) a sélectionné 11 gènes présentant une importance prédictive élevée (Figure 1D et Tableau supplémentaire S3). L'intersection entre les résultats de LASSO et de RF a été visualisée à l'aide d'un diagramme de Venn, permettant d'obtenir six biomarqueurs centraux, à savoir FLVCR1, TMCC2, EIF2AK1, XK, HPX et KEL (Figure 1E et Tableau supplémentaire S3). Une analyse de la caractéristique de fonctionnement du récepteur (ROC) dans la cohorte GSE44270 a montré une performance diagnostique satisfaisante pour les six biomarqueurs, avec des valeurs d'AUC de 0,8016 pour FLVCR1, 0,7063 pour TMCC2, 0,7817 pour EIF2AK1, 0,7460 pour XK, 0,7500 pour HPX et 0,7857 pour KEL (Figure 1F). À partir de ces six biomarqueurs, un nomogramme diagnostique pour les chéloïdes a ensuite été construit à l'aide du package rms dans R (Figure 1G).

Figure 1 : Identification de gènes candidats liés au métabolisme de l'hème associés aux chéloïdes à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique. (A) Graphique en boîte illustrant l'expression différentielle des gènes liés au métabolisme de l'hème entre les tissus chéloïdiens et normaux. (B,C) Analyse de régression logistique LASSO pour le criblage de marqueurs diagnostiques candidats. (D) Biomarqueurs candidats sélectionnés par l'algorithme RF. (E) Diagramme de Venn montrant les gènes communs identifiés par les deux algorithmes d'apprentissage automatique. (F) Analyse de la courbe ROC évaluant les performances diagnostiques des biomarqueurs candidats. (G) Nomogramme pour la prédiction des chéloïdes basé sur la signature à six gènes. Abréviations : LASSO, opérateur de sélection et de réduction absolue minimale ; RF, forêt aléatoire ; ROC, caractéristique de fonctionnement du récepteur. Signification statistique : ns, P > 0,05 ; *, P < 0,05 ; **, P < 0,01 ; ***, P < 0,001 ; et ****, P < 0,0001. Veuillez cliquer ici pour consulter une version agrandie de cette figure.
Les performances prédictives du nomogramme diagnostique ont été évaluées dans la cohorte d'apprentissage (GSE44270) et dans la cohorte de validation (GSE7890). Le modèle a montré une excellente précision diagnostique, avec des valeurs d'AUC de 0,984 (IC à 95 % : 0,950–1,000) et de 0,922 (IC à 95 % : 0,806–1,000), respectivement (Figure 2A,D). Afin d'évaluer davantage la robustesse et le risque de surajustement de la signature diagnostique à six gènes, des analyses de validation interne supplémentaires ont été réalisées dans la cohorte de découverte (GSE44270). Une validation croisée en cinq parties a révélé des performances discriminantes cohérentes entre les sous-groupes, avec une AUC moyenne de 0,925, indiquant que le modèle conservait des performances de classification stables malgré les variations des échantillons d'apprentissage. De plus, une validation par bootstrap avec 1 000 rééchantillonnages a donné une AUC moyenne de 0,930 (IC à 95 % : 0,794–1,000). Après correction de l'optimisme potentiel dû à la taille limitée de l'échantillon, l'AUC corrigée restait à 0,930, suggérant que les performances diagnostiques de la signature à six gènes étaient relativement stables après validation interne. En outre, l'analyse de courbe décisionnelle (DCA) a indiqué que le nomogramme offrait un bénéfice net potentiel supérieur à celui d'autres stratégies diagnostiques sur une gamme de probabilités seuils, bien que ces résultats doivent être interprétés avec prudence en raison de la taille limitée de l'échantillon (Figure 2B,E). Par ailleurs, les échantillons de chéloïdes présentaient des scores de risque significativement plus élevés que les témoins sains dans les deux cohortes, d'apprentissage et de validation (Figure 2C,F), confirmant davantage la stabilité et la fiabilité du modèle diagnostique.

Figure 2 : Validation du nomogramme pour la prédiction des chéloïdes. (A) Courbe ROC évaluant les performances prédictives du nomogramme dans le jeu de données GSE44270. (B) ACD évaluant l'utilité clinique du nomogramme dans GSE44270. (C) Distribution des scores de risque comparant les échantillons chéloïdiens et sains dans GSE44270. (D) Courbe ROC évaluant les performances prédictives du nomogramme dans le jeu de données indépendant GSE7890. (E) ACD évaluant l'utilité clinique du nomogramme dans GSE7890. (F) Distribution des scores de risque comparant les échantillons chéloïdiens et sains dans GSE7890. Abréviations : ROC = caractéristique de fonctionnement du récepteur ; ACD = analyse de courbe de décision. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Les biomarqueurs diagnostiques sont associés aux caractéristiques immunitaires du kélidoïde
Afin d'explorer la relation entre les six biomarqueurs diagnostiques et le microenvironnement immunitaire, une analyse de corrélation a été réalisée pour évaluer les associations entre l'expression des biomarqueurs et l'infiltration des cellules immunitaires. Les résultats ont révélé que les six biomarqueurs étaient significativement associés à plusieurs populations de cellules immunitaires infiltrantes (Figure 3A). Plus précisément, l'expression de FLVCR1 était négativement associée aux cellules T auxiliaires folliculaires (Figure 3B). TMCC2 présentait des corrélations positives avec les cellules natural killer et les cellules dendritiques activées, tandis qu'elle était négativement corrélée aux cellules dendritiques immatures et aux cellules B immatures (Figure 3C–F). De plus, l'expression de EIF2AK1 était négativement associée aux cellules natural killer CD56dim (Figure 3G), tandis que XK était négativement associé aux éosinophiles (Figure 3H).

Figure 3: Corrélation entre les gènes candidats liés au métabolisme de l'hème et l'infiltration des cellules immunitaires. (ACarte thermique montrant les corrélations entre les gènes candidats et les populations de cellules immunitaires. Le rouge indique des corrélations positives, tandis que le bleu indique des corrélations négatives.B). Corrélation entre FLVCR1 expression et cellules T auxiliaires folliculaires.C-F) Corrélations entre TMCC2 expression et cellules Natural Killer, cellules dendritiques activées, cellules dendritiques immatures et cellules B immatures, respectivement. (G) Corrélation entre EIF2AK1 expression et cellules natural killer CD56dim.H). Corrélation entre XK expression et éosinophiles. Abréviations : FLVCR1 = récepteur du sous-groupe C du virus de la leucémie féline 1 ; TMCC2 = transmembrane et domaines en hélice alpha 2 ; EIF2AK1 = kinase 1 de l'initiation de la traduction du facteur 2 alpha chez les eucaryotes ; CD56dim = population pauvre en cluster de différenciation 56 Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Analyse des données de transcriptome unicellulaire
Afin de caractériser les profils d'expression des biomarqueurs diagnostiques identifiés au sein du microenvironnement des chéloïdes, nous avons analysé le jeu de données de séquençage de l'ARN monocellulaire GSE163973. Après contrôle de qualité et intégration des données, 21 488 cellules de haute qualité ont été conservées pour les analyses ultérieures. Les cellules présentant moins de 200 ou plus de 6 000 comptes totaux d'identifiants moléculaires uniques (UMI) ont été exclues, et les doubles potentiels ont été identifiés et éliminés à l'aide du package DoubletDetection. Les 2 000 gènes présentant la plus grande variabilité d'expression ont été sélectionnés, suivis d'une réduction de dimensionnalité et d'une visualisation par l'approximation uniforme des variétés et la projection (UMAP). Un total de 10 grandes populations cellulaires a été identifié, incluant les cellules endothéliales, les fibroblastes, les fibres musculaires, les kératinocytes, les cellules immunitaires, les cellules endothéliales lymphatiques, les cellules glandulaires, les cellules nerveuses, les mélanocytes et une population cellulaire non classée (Figure 4A,B). L'analyse d'expression a révélé des profils de distribution spécifiques à chaque type cellulaire pour les biomarqueurs diagnostiques. FLVCR1 était principalement exprimé dans les cellules endothéliales et les mélanocytes, tandis que EIF2AK1 montrait une expression relativement élevée dans les cellules nerveuses, les cellules glandulaires et les fibroblastes. HPX était principalement enrichi dans les mélanocytes, tandis que KEL présentait une expression prédominante dans les cellules glandulaires (Figure 4C,D).

Figure 4 : Répartition des biomarqueurs diagnostiques liés au métabolisme de l'hème dans le transcriptome unicellulaire des cicatrices chéloïdiennes. (A) Graphique UMAP montrant 21 grappes cellulaires comprenant 21 488 cellules provenant d'échantillons de chéloïdes. (B) Annotations des types cellulaires basées sur les annotations rapportées dans l'étude initiale. (C) Graphiques d'expression montrant l'expression des biomarqueurs diagnostiques liés au métabolisme de l'hème dans différents types cellulaires. (D) Graphique en bulles montrant les niveaux d'expression moyens et les pourcentages de cellules exprimant les biomarqueurs diagnostiques liés au métabolisme de l'hème selon les différents types cellulaires. Abréviation : UMAP = approximation uniforme du collecteur et projection. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Identification et analyse du réseau d'interactions de biomarqueurs diagnostiques candidats
Afin d'explorer les mécanismes régulateurs sous-jacents aux biomarqueurs diagnostiques candidats, un réseau régulateur miARN–ARNm a été construit. Afin d'améliorer la fiabilité des interactions prédites, les miARN ciblant les biomarqueurs candidats ont été identifiés par recouvrement. Un total de 282 miARN interagissant avec les six biomarqueurs diagnostiques a été obtenu, et le réseau régulateur résultant est présenté dans la Figure 5. Notamment, il a été prédit que hsa-miR-34a-5p, hsa-let-7a-5p, hsa-let-7d-5p, hsa-let-7e-5p et hsa-miR-26b-5p régulent simultanément les six biomarqueurs candidats.

Figure 5 : réseau régulateur des miARN des biomarqueurs diagnostiques liés au métabolisme de l'hème. Le réseau illustre les relations régulatrices entre les six gènes biomarqueurs diagnostiques (FLVCR1, HPX, TMCC2, KEL, XK et EIF2AK1) et les miARN qui leur sont associés. Les nœuds géniques représentent les biomarqueurs diagnostiques, tandis que les nœuds environnants représentent les miARN. Les arêtes indiquent des interactions miARN–ARNm confirmées expérimentalement. Abréviations : FLVCR1 = récepteur 1 du sous-groupe C du virus de la leucémie féline ; HPX = hémopexine ; TMCC2 = domaines transmembranaires et en hélice enroulée 2 ; KEL = métallo-endopeptidase Kell ; XK = groupe sanguin X-lié Kx ; EIF2AK1 = kinase 1 de l'initiation de la traduction du facteur 2 alpha chez les eucaryotes ; miARN = ARN micro ; ARNm = ARN messager. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Validation expérimentale de l'expression de FLVCR1 et analyse de docking moléculaire de composés thérapeutiques potentiels
Afin de valider les résultats bioinformatiques et confirmer la pertinence fonctionnelle du gène central identifié, nous avons évalué expérimentalement l'expression de FLVCR1 dans les PKF et les NHDF. Les analyses par qRT-PCR et par immunotransfert ont systématiquement montré que FLVCR1 était significativement surexprimé dans les fibroblastes de chéloïde par rapport aux témoins normaux (Figure 6A–C, Figure supplémentaire S1 et Tableau supplémentaire S4). Cette surexpression cellulaire soutient l'implication potentielle d'une dysrégulation métabolique de l'hème associée à FLVCR1 dans la pathogenèse des chéloïdes.
Étant donné le rôle potentiel de FLVCR1 dans les modifications immunitaires associées au métabolisme du hème, nous avons ensuite cherché à identifier des composés thérapeutiques potentiels capables de cibler directement FLVCR1 afin d'interrompre cet axe pathogène. Un criblage virtuel à haut débit a été réalisé à l'aide d'une bibliothèque de composés de médecine traditionnelle chinoise (MTC) et de la structure protéique préparée. Les 20 composés présentant les scores de docking les plus favorables ont été sélectionnés pour une évaluation approfondie (Tableau supplémentaire S5). En général, une énergie de liaison plus faible indique une affinité de liaison plus forte, et des énergies de docking inférieures à −5 kcal/mol sont considérées comme indicatives d'interactions ligand–protéine stables. Parmi les composés criblés, la (+)-gallocatéchine, la (−)-épicatéchine, la (−)-gallocatéchine et la cyanidine (chlorure) ont montré des affinités de liaison favorables envers FLVCR1. Notamment, la (+)-gallocatéchine a présenté l'interaction la plus forte avec FLVCR1 en formant quatre liaisons hydrogène avec GLU214, ASN245, GLN246 et GLN471, suggérant un mode de liaison ligand–protéine stable (Figure 6D–G). Ces résultats mettent en évidence la (+)-gallocatéchine comme un candidat prometteur pour une intervention thérapeutique ciblée, basée sur le mécanisme, dirigée contre FLVCR1.

Figure 6 : Validation expérimentale de l'expression de FLVCR1 et modélisation moléculaire de composés ciblant FLVCR1. (A) Images représentatives de western blot montrant l'expression protéique de FLVCR1 dans les échantillons CON et les kélidoïdes. GAPDH a servi de contrôle de chargement. (B) Quantification des niveaux protéiques de FLVCR1 normalisés à GAPDH. (C) Les niveaux d'expression relative de l'ARNm de FLVCR1 dans les fibroblastes CON et kélidoïdes ont été déterminés par qRT-PCR. GAPDH a été utilisé comme référence interne. (D–G) Représentations tridimensionnelles des modes de liaison prédits entre FLVCR1 et des composés organiques sélectionnés : (D) (+)-Gallocatéchine. (E) (-)-Épicatéchine. (F) (-)-Gallocatéchine. (G) Cyanidine (chlorure). Abréviations : FLVCR1 = récepteur du sous-groupe C du virus de la leucémie féline 1 ; CON, témoin ; GAPDH, déshydrogénase du glyceraldéhyde-3-phosphate ; qRT-PCR, réaction de transcription inverse quantitative en chaîne par polymérase ; SD, écart type. Les données sont exprimées comme moyenne ± SD. Signification statistique : ns, P > 0,05 ; *, P < 0,05 ; **, P < 0,01 ; ***, P < 0,001 ; et ****, P < 0,0001. Veuillez cliquer ici pour consulter une version agrandie de cette figure.
Confirmation de la stabilité du complexe FLVCR1–(+)-gallocatéchine par simulation de dynamique moléculaire
Afin d'évaluer la fiabilité du mode de liaison ligand–protéine prédit, une simulation de dynamique moléculaire (DM) a été réalisée pour le complexe FLVCR1–(+)-gallocatéchine. L'analyse s'est concentrée sur la stabilité structurale du complexe au cours du temps et sur l'impact de la liaison du ligand sur le comportement conformationnel de la protéine, en utilisant les calculs de RMSD, RMSF, du rayon de giration (Rg), de SASA, d'analyse des liaisons hydrogène et de MM/GBSA. L'analyse du RMSD (Figure 7A) a montré que la protéine apo et le complexe lié au ligand présentaient des fluctuations initiales durant les 20 premières ns, suivies d'une stabilisation progressive, indiquant que les systèmes avaient atteint un état d'équilibre au cours de la simulation. Après l'équilibration, la valeur de RMSD du complexe FLVCR1–(+)-gallocatéchine est restée inférieure à 0,2 nm, suggérant que la liaison du ligand contribuait au maintien de la stabilité structurale de FLVCR1. L'analyse du RMSF (Figure 7B) a révélé que la majorité des résidus présentaient des fluctuations limitées tout au long de la simulation, indiquant le maintien de l'intégrité globale de la protéine, tandis que plusieurs régions flexibles pourraient correspondre à des boucles impliquées dans l'accommodation du ligand. De plus, des profils stables de Rg et de SASA (Figure 7C,D) ont indiqué que le complexe conservait une conformation compacte, sans expansion structurale marquée ni changement notable d'exposition au solvant. L'analyse des liaisons hydrogène (Figure 7E) a révélé que le complexe FLVCR1–(+)-gallocatéchine maintenait des interactions intermoléculaires persistantes, avec environ 3 à 4 liaisons hydrogène formées durant la simulation, soutenant ainsi la stabilité de l'association ligand–protéine. L'analyse MM/GBSA a en outre montré que le complexe FLVCR1–(+)-gallocatéchine présentait une énergie libre de liaison favorable (ΔGtotal = −34,87 ± 4,13 kcal/mol) (Supplemental Table S6). L'analyse de décomposition énergétique a indiqué que les interactions de van der Waals (ΔVDWAALS = −46,34 ± 2,16 kcal/mol) et les interactions électrostatiques (ΔEelec = −14,09 ± 3,45 kcal/mol) étaient les principales contributions favorables à la liaison, malgré la contribution défavorable de l'énergie de solvatation polaire (ΔGsolvation = 25,55 ± 0,74 kcal/mol) (Supplemental Table S6). Dans leur ensemble, ces résultats de simulation de DM démontrent que la (+)-gallocatéchine forme un complexe stable avec FLVCR1 et confirment davantage la fiabilité du mode de liaison prédit par le docking.

Figure 7 : Analyse par simulation de dynamique moléculaire du complexe FLVCR1–(+)-Gallocatéchine. (A) Profils de RMSD de la FLVCR1 apo et du complexe FLVCR1–(+)-Gallocatéchine au cours de la simulation de dynamique moléculaire de 100 ns. (B) Profil de RMSF montrant les fluctuations au niveau des résidus de la FLVCR1 durant la simulation. (C) Profil de SASA illustrant les variations de la surface accessible au solvant du complexe FLVCR1–(+)-Gallocatéchine. (D) Profil de Rg évaluant la compacité du complexe FLVCR1–(+)-Gallocatéchine au cours de la simulation. (E) Analyse des liaisons hydrogène montrant les interactions intermoléculaires dynamiques entre la FLVCR1 et la (+)-Gallocatéchine tout au long de la simulation. Abréviations : FLVCR1 = récepteur 1 du sous-groupe C du virus de la leucémie féline ; RMSD = écart quadratique moyen ; RMSF = fluctuation quadratique moyenne ; SASA = surface accessible au solvant ; Rg = rayon de giration. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Disponibilité des données :
Les jeux de données transcriptomiques accessibles au public analysés dans cette étude peuvent être consultés sur le Gene Expression Omnibus (GEO) sous les numéros d'accès GSE44270, GSE7890 et GSE163973. Les données brutes générées dans cette étude et sous-jacentes à la validation expérimentale, incluant les mesures de qRT-PCR, les images originales de western blot et les données de quantification de western blot, sont fournies sous forme de Figure Supplémentaire S1, Tableau Supplémentaire S1, Tableau Supplémentaire S2, Tableau Supplémentaire S3 et Tableau Supplémentaire S4. Les résultats de docking moléculaire et les données d'énergie libre de liaison MM/GBSA sont également fournis dans le Tableau Supplémentaire S5 et le Tableau Supplémentaire S6.
Figure supplémentaire S1 : Données brutes du western blot.Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S1 : Gènes liés au métabolisme de l'hème.Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S2 : Séquences des amorces des gènes sélectionnés. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S3 : Approches d'apprentissage automatique pour l'identification de biomarqueurs diagnostiques potentiels dans l'excès de cicatrisation chéloïdienne. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S4 : Données brutes soutenant la validation expérimentale de l'expression de FLVCR1. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S5 : Les 20 meilleurs composés candidats identifiés par le dockage moléculaire avec FLVCR1.Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S6 : Analyse de l'énergie libre de liaison MM/GBSA du complexe FLVCR1–(+)-Gallocatéchine.Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.