פרוטוקול זה משלב מערכי נתונים טרנסקריפטומיים ציבוריים ואימות תאי אפיתל המעי הגס כדי לזהות את S100P כסמן ביולוגי משותף הקשור למחלות מעי דלקתיות, סרטן המעי הגס ואדנוקרצינומה בלבלב.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר מחקר
* These authors contributed equally
פרוטוקול זה משלב מערכי נתונים טרנסקריפטומיים ציבוריים ואימות תאי אפיתל המעי הגס כדי לזהות את S100P כסמן ביולוגי משותף הקשור למחלות מעי דלקתיות, סרטן המעי הגס ואדנוקרצינומה בלבלב.
מחלת מעי דלקתי (IBD) קשורה לסיכון מוגבר לסרטן המעי הגס (CRC) ולקרצינומה של הלבלב (PAAD), אך התכונות המולקולריות המשותפות למחלות אלו עדיין אינן מובנות במלואן. מחקר זה נועד לזהות גנים משותפים ונתיבים ביולוגיים הקשורים ל-IBD, CRC ו-PAAD באמצעות ניתוח טרנסקריפטומי משולב ואימות ניסוי. מערכי ביטוי גנים עבור IBD, CRC ו-PAAD התקבלו ממאגרי הנתונים The Cancer Genome Atlas ו-Gene Expression Omnibus. בוצעו ניתוח רשת ביטוי משותף של גנים משוקללים וניתוח ביטוי שונה לזיהוי גנים הקשורים למחלה ומשותפים. אונטולוגיית גנים ואנציקלופדיית קיוטו של גנים וגנומים (ניתוחים שימשו לחקר פונקציות ביולוגיות מועשרות ונתיבים. חדירת תאי חיסון הוערכה באמצעות זיהוי סוגי תא על ידי הערכת תת-קבוצות יחסיות של תמלילי RNA. בוצע ניתוח תכונות פעולה של מקלט כדי להעריך את ביצועי האבחון של גנים נפוצים. בוצע ניתוח ריצוף RNA חד-תאי כדי לבחון את התפלגות התאים של S100P. בנוסף, השפעות הירידה ב-S100P הוערכו בתאי אפיתל המעי הגס המונעים על ידי ליפופוליסכריד (LPS). זוהו בסך הכל 162 גנים הקשורים למחלה וארבעה גנים נפוצים. ניתוחי העשרה פונקציונלית הצביעו על העשרה משמעותית של מסלולים הקשורים למערכת החיסון והדלקת, כולל מסלול האיתות אינטרלוקין-17. ניתוח חדירת מערכת החיסון חשף מגמות דומות במספר אוכלוסיות תאי חיסון ברחבי IBD, CRC ו-PAAD. ניתוח תא יחיד הראה ביטוי מוגבר של S100P בתאי אפיתל מכל שלוש המחלות. ירידה בוויסות של S100P החזירה את יכולת ההתרבות של תאי האפיתל המעי הגס המונעים על ידי LPS והפחיתה את ביטוי הציטוקינים הדלקתיים. ניתוח טרנסקריפטומי משולב זיהה את S100P כסמן ביולוגי הקשור ל-IBD, CRC ו-PAAD, והדגיש תכונות משותפות הקשורות למערכת החיסון במחלות אלו.
מחלת מעי דלקתי (IBD) מייצגת ספקטרום של הפרעות חיסוניות המשפיעות על מערכת העיכול, כולל קוליטיס כיבית ומחלת קרוהן1. האטיולוגיה של IBD מורכבת מאוד, וכוללת חריגות חיסוניות ריריות, דיסביוזיס ורגישות גנטית2. IBD הוא נושא בריאותי עולמי עם שיעורי שכיחות הולכים וגדלים ועומס כלכלי משמעותי, והשכיחות הגוברת שלו משכה תשומת לב רבה1. חשוב לציין כי חולי IBD נמצאים בסיכון מוגבר משמעותית לפתח סרטן המעי הגס (CRC)3 ואדנוקרצינומה של הלבלב (PAAD)4. למרות שקשר זה תועד היטב, השילוב הגנטי בין IBD, CRC ו-PAAD נותר לא מובן במלואו.
מחקרים קודמים מצביעים בחוזקה על כך ש-IBD, CRC ו-PAAD חולקים תהליכים פתוגניים משותפים; עם זאת, סמנים אבחנתיים ספציפיים ורגישים עדיין חסרים, והמנגנונים הפתוגנים המשותפים טרם הוברו במלואם. למזלנו, עם ההתקדמות המהירה והזמינות הרחבה של טכנולוגיות ריצוף במהירות גבוהה, מערכי נתונים טרנסקריפטומיים רבים של מטופלים עם IBD, CRC ו-PAAD הפכו לזמינים לציבור, מה שמאפשר חקירה שיטתית של הקשרים המולקולריים בין מחלות אלו 2,5,6.
מחקר זה השתמש בנתוני ריצוף בתפוקה גבוהה ממטופלים עם IBD, CRC ו-PAAD כדי לזהות גנים הקשורים למחלה וגנים משותפים באמצעות ניתוח רשת ביטוי משותף של גנים משוקללים (WGCNA) וניתוח ביטוי שונה. גנים אלו נחקרו לעומק כדי לזהות מסלולי איתות משותפים פוטנציאליים בין IBD, CRC ו-PAAD. בנוסף, הערכנו את הערך האבחוני של הגנים הנפוצים הללו. ניתוח ריצוף RNA חד-תאי (scRNA-seq) הראה כי הגן המרכזי S100P מתבטא בעיקר בתאי אפיתל. לבסוף, חקרנו את התפקיד הביולוגי של S100P ב-IBD.
לסיכום, מחקר זה נועד לזהות סמנים ביולוגיים אבחנתיים משותפים ומסלולים ביולוגיים הקשורים ל-IBD, CRC ו-PAAD, ובכך לספק תובנות קליניות חשובות למניעה וטיפול משותפים במחלות אלו.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מחקר זה השתמש במאגרי נתונים זמינים לציבור וללא זיהוי מ-The Cancer Genome Atlas (TCGA) ו-Gene Expression Omnibus (GEO), וכן קווי תאים מסחריים מבוססים. לא היו מעורבים משתתפים אנושיים חדשים שגויסו, מידע מטופל מזוהה או דגימות שמקורם במטופלים. כל הניתוחים בוצעו בהתאם להנחיות מוסדיות רלוונטיות ולתנאי השימוש של מאגרי המידע הציבוריים. לכן, לא נדרשו אישור אתי מוסדי נוסף והסכמה מדעת למחקר זה.
מקור נתונים
נתוני RNA-seq עבור קבוצות IBD (GSE179285; פלטפורמה: GPL6480 ו-GSE24287; פלטפורמה: GPL6480), קבוצות CRC (TCGA-CRC; פלטפורמה: Illumina HiSeq 2000 ו-GSE87211; פלטפורמה: GPL13497), וקוהורטים של PAAD (GSE128735; פלטפורמה: GPL20301 ו-GSE62452; פלטפורמה: GPL6244) הורדו מ-TCGA ומ-GEO. כל מערכי הנתונים נלקחו ב-5 בדצמבר 2025.
לכל מערך נתונים, הדגימות חולקו בקפדנות לשתי תת-קבוצות, כאשר רקמות הנגע/הגידול של המחלה שימשו כקבוצת המקרה ורקמות נורמליות שאינן נגע שימשו כקבוצת הביקורת. באופן ספציפי, קבוצת IBD כללה 297 דגימות רירית מעי ממטופלים עם IBD ו-56 דגימות רירית מעי תקינות מאנשים בריאים; קבוצת ה-CRC כללה 841 רקמות גידול ראשוניות של המעי הגס ו-211 רקמות אפיתל תקינות סמוכות; וקבוצת PAAD כללה 114 רקמות גידול PAAD ו-106 רקמות פרנכימיות תקינות.
כל מערכי הנתונים באותה קטגוריית מחלה שולבו באופן אחיד. פונקציית הנורמליזיז בין מערכים של חבילת לימה יושמה לביצוע נרמול קוונטילי חוצה מדגמים, ובכך ביטל אפקטים באצווה בין-פלטפורמיים וסטנדרטיזציה של ערכי ביטוי גנים בין מערכי נתונים שונים לניתוח ביטוי דיפרנציאלי עתידי.
סקר גנים וגנים נפוצים הקשורים ל-IBD, CRC ו-PAAD
ראשית, גנים מבוטאים באופן שונה (DEGs) נבדקו מקבוצות IBD, CRC ו-PAAD באמצעות חבילת לימה, וערכי ה-P המקוריים תוקנו בשיטת קצב הגילוי השגוי של בנג'מיני-הוכברג (FDR). בקבוצות IBD, CRC ו-PAAD, קריטריוני הסינון נקבעו ב-|logFC| > 0.4 ו-P < 0.05. בנוסף, WGCNA בוצע על כל הגנים, עם סף גן מודולי מינימלי של 100 (סף רך = 0.90; סוג רשת = חתום). כתוצאה מכך, זוהו DEGs וגנים מודולים משותפים בשלוש הקבוצה. גנים שזוהו בעקביות בשתי השיטות הוגדרו כגנים נפוצים, בעוד שהגנים הנותרים סווגו כגנים קשורים.
PPI וניתוח העשרה פונקציונלית
ניתוחים אלו בוצעו על גנים הקשורים למחלה. ניתוח אינטראקציה בין חלבון לחלבון (PPI) בוצע באמצעות מאגר הנתונים STRING (ציון אינטראקציה > 0.40). ניתוח העשרה פונקציונלית כלל ניתוחים של Gene Ontology (GO) ואנציקלופדיית קיוטו לגנים וגנומים (KEGG), שבוצעו באמצעות clusterProfiler, enrichplot ו-org. חבילות Hs.eg.db (P < 0.05 וערך q מותאם ל-FDR [שיטת Benjamini–Hochberg] < 0.05).
פרופיל מיקרו-סביבה חיסונית
CIBERSORT הוא אלגוריתם אמין להערכת רמות חדירת תאי חיסון מנתוני ביטוי גנים באמצעות מטריצת החתימה המוגדרת כברירת מחדל LM227. במחקר זה, אלגוריתם CIBERSORT שימש להערכת מידת חדירת תאי החיסון לדגימות מקבוצות IBD, CRC ו-PAAD, כדי לחקור את המאפיינים המשותפים של המיקרו-סביבה החיסונית בין שלוש המחלות. הניתוח בוצע עם 1,000 פרמוטציות לחישוב ערכי P לכל מדגם, והוחלה נרמול קוונטילי (QN = TRUE) על קובץ הביטוי של התערובת. רק דגימות עם ערך CIBERSORT P < 0.05 נשמרו לניתוחים הבאים, מה שהבטיח את אמינות תוצאות הדקונבולוציה.
הערכת הערך האבחנתי של גנים נפוצים
ערך האבחון של הגנים המשותפים בקבוצות IBD, CRC ו-PAAD הוערך באמצעות ניתוח מאפייני תפעול מקלט (ROC) עם חבילת pROC ב-R. הפשרה האופטימלית בין רגישות לספציפיות הוצגה באמצעות עקומות ROC.
qRT-PCR, העברת תאים ובדיקת יצירת מושבות
qRT-PCR והעברת תאים בוצעו לפי מחקרים קודמים 8,9,10. טרנספקציה זמנית בוצעה באמצעות מגיב טרנספקציה jetPRIME (פוליפלוס, סין) לפי הוראות היצרן. התאים דוגרו עם תערובת הטרנספקציה למשך 6 שעות, ולאחר מכן הוחלף המדיום ב-DMEM מלא. ניסויים נוספים בוצעו 48 שעות לאחר הטרנספקציה.
בקצרה, RNA תא מלא הופק באמצעות תגובת טריזול. ה-RNA הועבר הפוך ל-cDNA באמצעות PrimeScript RT Master Mix. PCR כמותי בוצע באמצעות TB Green qPCR. β-אקטין שימש כגן ייחוס פנימי לנרמול ביטוי. ניסויים ביולוגיים בוצעו בשלושה עותקים. רצפי הפריימרים ורצף siS100P נמצאים במחקר קודם 11.
תאי NCM460, FHC, HCT116, SW116, PANC1 ו-BXPC2 הושגו כפי שמפורט בטבלת החומרים. כל קווי התאים עברו זיהוי תאים ובדיקות מיקופלסמה.
במהלך הניסויים, כל התאים עברו במשך 3–5 דורות. כל התאים תורבדו ב-DMEM מלא שכלל 10% סרום בקר עוברי ו-1% פניצילין–סטרפטומיצין.
בדיקת יצירת המושבה בוצעה כפי שתואר במחקר קודם12. בקצרה, 1,000 תאים הוזרעו בכל באר של לוח בן 6 בארות וגודלו במשך 10 ימים לפני שהניסוי הופסק. התאים נקבעו ב-4% פאראפורמלדהיד, צובעו ב-0.1% קריסטל סגול, וקולוניות נספרו באמצעות ImageJ.
ניתוח גנים נפוצים בהתבסס על נתוני scRNA-seq
נתוני scRNA-seq ממאגר הנתונים של IBD (GSE214695), מאגר הנתונים CRC (GSE166555) ומערך PAAD (GSE154778) עובדו מראש כפי שתואר במחקרים קודמים 8,13. מטריצות ספירת גולמיות הוקמו לפי ביטוי ממוצע לסמלי גן כפולים באמצעות limma::avereps. הסינון הראשוני שמר גנים שזוהו לפחות בשלושה תאים ובתאים המכילים לפחות 50 תמלולים ייחודיים. תאים עם שבר תמלול מיטוכונדריאלי >5% או פחות מ-50 גנים זוהו הוסרו. נירמול לוגריתם בוצע עם גורם סולם של 10,000, ואחריו טרנספורמציה מייצבת שונות לזיהוי 1,500 הגנים המשתנים הגבוהים ביותר, שעברו סטנדרטיזציה של ציון Z לפני ניתוח רכיב ראשי (PCA). גני הסמן המגדירים את האשכולות סיננו באמצעות log2 (שינוי קפל) > 0.5, שבר זיהוי ≥0.25 באשכול יעד, וערך P מותאם <0.05.
בקצרה, עיבוד נתונים מוקדם בוצע באמצעות חבילת Seurat, והאנוטציה של סוגי תאים בוצעה באמצעות חבילת SingleR (גרסה 2.6.0). קיבוץ תאים בוצע ב-Seurat באמצעות בניית גרף k-nearest neighbor והטמעת t-SNE בהתבסס על ממדים PCA 1–20. לאחר מכן נבדקו התפלגות ורמות הביטוי של הגנים המשותפים בין סוגי תאים שונים.
בניית מודל IBD
לפי מחקרים קודמים14, ליפופוליסכריד (LPS) שימש לגרימת דלקת בתאי האפיתל המעי הגס התקינים (FHC ו-NCM460), ובכך נוצר מודל IBD המדמה דלקת. ניסויים ביולוגיים בוצעו בשלושה עותקים. תאים גודלו באופן שגרתי באינקובטור לחות בטמפרטורה של 37°C עם 5%CO2. כאשר מפגש התאים הגיע לכ-50%–70%, תווך התרבית הוחלף במדיום טרי ושלם, והתאים טופלו ב-10 ng/mL LPS במשך 12 שעות. נפח שווה של מלח סטרילי עם מאגר פוספט (PBS) שימש כבקרת הרכב. נפח התרביות היה 2 מ"ל לבאר בלוחות עם 6 בארות. לאחר הטיפול, המדיום הוסר, התאים נשטפו פעמיים עם PBS סטרילי מקורר מראש, והתאים נאספו לניתוחים נוספים.
ניתוח סטטיסטי
כל ניתוחי הביואינפורמטיקה בוצעו באמצעות תוכנת R (גרסה 4.1.2). השוואות בין שתי קבוצות בוצעו באמצעות מבחן t של סטודנט, בעוד שהשוואות בין קבוצות מרובות בוצעו באמצעות ניתוח שונות חד-כיווני (ANOVA). ניתוח קורלציה בוצע באמצעות שיטת ספירמן. כל הניסויים התאיים חזרו על עצמם לפחות שלוש פעמים, והנתונים מוצגים כסטיית תקן ממוצעת ± (SD). ערך P או FDR < 0.05 נחשב מובהק סטטיסטית. NS, לא משמעותי; P < 0.05 (*), P < 0.01 (**), ו-P < 0.001 (***).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
DEGs ב-IBD, CRC ו-PAAD
ראשית, קבוצות IBD (GSE179285 ו-GSE24287), קבוצות CRC (TCGA-CRC ו-GSE87211), וקבוצות PAAD (GSE128735 ו-GSE62452) שולבו, והאינטגרציה הוערכה באמצעות גרפים של PCA וצפיפות ביטוי גנים. התוצאות הראו כי השפעות אצווה בין מערכי הנתונים השונים בוטלו למעשה לאחר האינטגרציה (איור 1A–F).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מחקרים קודמים הדגישו את הקשר בין IBD, הפרעה במערכת העיכול הקשורה למערכת החיסון, לבין מספר מחלות, כולל מחלות ניווניות נוירודגנרטיביות17, טרשת נפוצה18, טרשת לטרלית אמיוטרופית19, אנדומטריוזיס20, דלקת מפרקים שגרונית2, לימפומה הודג'קין21, CRC22 ו-PAAD23. מחלת מעי מעי נחשבת בדרך כלל כמגבירה את הסיכון לפתח...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
ניגוד עניינים:
המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים מתחרים.
המחברים מכירים בתמיכה כספית מתוכנית המחקר והפיתוח הלאומית של סין (מענק מס' 2023YFB3210400).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 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 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.