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Questo protocollo delinea un metodo computazionale per definire i possibili biomarcatori del danno epatico indotto dal paracetamofene, che sfrutta la tossicologia delle reti, la trascrittomica, il machine learning e il docking molecolare (Figura 1). Il protocollo è rivolto ai ricercatori che hanno accesso a strumenti bioinformatici, dataset trascrittomici e software di docking molecolare.
Procedura
Passo 1: Identificazione dei bersagli del paracetamolo
Recupera la rappresentazione SMILES del paracetamolo (APAP) da PubChem. Utilizzare piattaforme online (ChEMBL, SwissTargetPrediction, STITCH, SEA) per prevedere potenziali bersagli molecolari di APAP. Integrare e deduplicare i target previsti per generare una lista di 140 target APAP ad alta fiducia.
Passo 2: Identificazione degli obiettivi di epatotossicità
Recuperare geni correlati all'epatotossicità dal database GeneCards. Compila e deduplica la lista per generare un insieme non ridondante di 657 geni correlati all'epatotossicità. Identificare geni sovrapposti tra i bersagli APAP e i geni correlati all'epatotossicità utilizzando un diagramma di Venn.
Passo 3: Preprocessing dei dati trascritomici
Scarica il dataset GSE74000 da GEO. Pre-elabora i dati grezzi di espressione usando DESeq2: rimuovere geni a bassa espressione, normalizzare usando fattori di dimensione e applicare la trasformazione stabilizzante della varianza (VST). Eseguire analisi di espressione differenziale usando Limma e DESeq2, con soglie di valore p aggiustato < 0,05 e |log 2FC| > 1.
Passo 4: Analisi dell'arricchimento funzionale
Carica geni sovrapposti su STRING per analisi di Gene Ontology (GO), KEGG pathway, espressione tissutale e correlazione con la malattia. Visualizza i risultati dell'arricchimento funzionale usando grafici a bolle e heatmap.
Passo 5: Machine Learning per la selezione dei geni delle funzionalità
Applicare un classificatore Random Forest (n_estimators=500, max_depth=10) per dare priorità ai geni caratteristici provenienti dai geni APAP e epatotossicità sovrapposti. Valutare le prestazioni del modello utilizzando l'errore Out-of-Bag (OOB) e i punteggi di importanza delle caratteristiche. Seleziona i 20 geni principali delle caratteristiche per ulteriori analisi.
Passaggio 6: Aggancio molecolare
Recuperare la struttura APAP (CID 1983) da PubChem e dai recettori proteici (ESR1: PDB ID 1SJ0, PNP: PDB ID 1V2H) da PDB. Prepara file di ligando e recettori: converti in formato PDB, aggiungi idrogeni polari, assegna cariche e salva come file PDBQT. Definisci la griglia di attracco in AutoDock Tools, che copre il sito attivo della proteina. Esegui il docking molecolare usando AutoDock Vina, con esaustività impostata a 8, e analizza affinità e interazioni di legame. Visualizza i risultati dell'aggancio usando PyMOL per analizzare le conformazioni di binding e le interazioni delle chiavi.
Passo 7: Analisi statistica
Determinare la significatività statistica usando i test t e regolare i valori p per confronti multipli utilizzando il metodoBenjamini-Hochberg 31. Visualizza associazioni statisticamente significative usando heatmap e scatter plot.
Materiali e metodi
Identificazione dei bersagli del paracetamolo
Per identificare potenziali bersagli molecolari di APAP, abbiamo prima recuperato la sua rappresentazione SMILES dal database PubChem. Abbiamo poi utilizzato diverse piattaforme online, tra cui il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare Chimica (ChemBL)32, Swiss TargetPrediction 33, Search Tool for the Interaction of Chemicals and Targets (STITCH)34 e Similarity ensemble approach (SEA)35, per prevedere i possibili obiettivi. Dopo aver integrato i risultati di questi strumenti, abbiamo selezionato un insieme di obiettivi ad alta fiducia per APAP. La Tabella 1 definisce le principali categorie geniche utilizzate in questo studio, chiarendo i loro ruoli nell'analisi dei dati e nell'interpretazione biologica. L'uso costante di questi termini garantisce una comunicazione chiara dei nostri risultati.
Identificazione degli obiettivi di epatotossicità
I geni potenzialmente associati all'epatotossicità sono stati recuperati dal database GeneCards. Tutti i geni identificati sono stati compilati, i duplicati sono stati rimossi e viene generata una lista non ridondante per le analisi a valle. Il dataset GSE74000 è stato scaricato dal repository GEO il 15 marzo 2024. I dati grezzi di espressione venivano elaborati e normalizzati utilizzando il pacchetto limma (normalizzazione quantile). L'analisi differenziale dell'espressione è stata effettuata utilizzando modellazione lineare con contrazione bayesiana empirica. Geni che rispettano il valore p corretto < 0,05 (Benjamini-Hochberg FDR) e |log₂FC| > 1 erano considerati significativi. La visualizzazione dei DEG è stata effettuata utilizzando grafici vulcanici e heatmap generati con ggplot2.
Preprocessing dei dati
I dati grezzi di conteggio sono stati pre-elaborati utilizzando DESeq2. I geni a bassa espressione sono stati rimossi utilizzando una soglia di rilevamento di CPM >1 in almeno il 70% dei campioni. La normalizzazione della dimensione della libreria è stata eseguita utilizzando i fattori di dimensione DESeq2, come definiti nell'equazione (1):
(1)
Dove il fattore mediano di rapporto e dimensione è indicato con sj. Per stabilizzare le relazioni media-varianza, è stata utilizzata una trasformazione stabilizzante della varianza (VST) nell'equazione (2):
(2)
I DEG sono stati identificati utilizzando il test di Wald con correzione di Benjamini-Hochberg, considerando geni significativi se usati nell'equazione (3):
(3)
L'insieme DEG derivato da DESeq2 è stato definito come equazione (4):
(4)
Questo insieme (X) è stato utilizzato nella strategia di consenso insieme a Limma Trend (Y) e Limma Voom (Z).
Costruzione della rete PPI
Diagrammi di Venn sono stati utilizzati per identificare geni comuni tra i bersagli APAP e quelli di epatotossicità. I geni sovrapposti sono stati poi caricati nel database Search Tool for the Retrieval of Interacting Genes/Proteins (STRING) per costruire reti PPI.
Analisi di arricchimento funzionale multidimensionale
Abbiamo inizialmente condotto Gene Ontology (GO), Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG), analisi funzionali e espressione tissutale e analisi funzionali correlate a malattie dei geni sovrapposti per APAP ed epatotossicità utilizzando il sito web STRING. Successivamente, abbiamo eseguito analisi di arricchimento GO, KEGG e Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) (REACTOME) dei geni differenziali per l'epatotossicità utilizzando gli strumenti accademici di Sendo.
Analisi della foresta casuale
Abbiamo applicato il machine learning per identificare i primi 20 geni delle caratteristiche dai geni sovrapposti APAP e epatotossicità nei dati sul trascrittoma epatotossicità indotti da APAP. È stato implementato un classificatore Random Forest, con 500 alberi (n_estimators=500), profondità massima dell'albero di 10 (max_depth=10), minimo 2 campioni necessari per dividere un nodo (min_samples_split=2) e il criterio di impurità di Gini (criterio='gini')36. Le prestazioni del modello sono state valutate utilizzando l'errore Out-of-Bag (OOB), dove un valore vicino a 0 indica una maggiore accuratezza predittiva. I punteggi di importanza delle caratteristiche sono stati calcolati e visualizzati sulla base dell'analisi Random Forest per classificare il contributo di ciascun gene, come nell'equazione (5).
(5)
N era il numero totale di campioni, yi era 1(·) una funzione indicatrice, 1 se la condizione era vera e 0 altrimenti;
era l'etichetta prevista del campione III utilizzando solo alberi dove III non era incluso nell'addestramento.
Espressione differenziale di geni caratterizzati
Le differenze di espressione dei geni delle caratteristiche nei dati trascritomici sono state visualizzate utilizzando grafici di violino. I biomarcatori che mostravano differenze statisticamente significative sono stati identificati come potenziali nuovi biomarcatori dell'epatotossicità indotta da APAP per ulteriori indagini.
Aggancio molecolare
I composti di piccole molecole (CID 1983) sono stati recuperati dal database PubChem, e i recettori proteici ESR1 e PNP (ID PDB 1SJ0 e 1V2H) sono stati scaricati dalla Protein Data Bank. Le strutture dei liganti sono state convertite in formato PDB usando OpenBabel e preprocessate in AutoDock Tools aggiungendo idrogeni polari, assegnando cariche di Gasteiger, definendo legami rotabili e risparmiando in formato PDBQT. I recettori proteici sono stati preparati utilizzando PyMOL rimuovendo molecole d'acqua e liganti co-cristallizzati, seguiti dall'aggiunta di idrogeni polari e dall'assegnazione delle cariche di Kollman tramite AutoDock Tools, e salvati come file PDBQT.
Nel docking molecolare, il software AutoDock è stato utilizzato per definire la griglia di docking che copre il sito attivo dellaproteina 37. La casella della griglia era centrata sulle coordinate (x = XX·XX, y = YY· YY,z = ZZ· ZZ) con dimensioni di 40 × 40 × 40 Å e una distanza a griglia di 0,375 Å, garantendo una copertura completa della tasca di rilacciamento. AutoDock Vina è stato impiegato per calcolare le modalità di legame ligando-proteina e le affinità di legame, con il parametro di esaustività impostato a 8, e le prime nove pose di legame sono state generate per ciascun ligando.
La validazione del protocollo di attracco è stata effettuata ri-agganciando il ligando co-cristallizzato nel sito attivo, ottenendo un valore RMSD di < 2,0 Å, confermando l'affidabilità della procedura di aggancio. I risultati dell'attracco sono stati visualizzati utilizzando PyMOL per analizzare le conformazioni di legame e le interazioni chiave, inclusi i legami a idrogeno.
Le simulazioni di attracco hanno previsto che il Composto X si inserisce nel sito di legame della proteina Y, formando potenziali legami idrogeno e contatti idrofobi, con un'energia di legame prevista di -8,5 kcal/mol.
Risoluzione dei problemi e potenziali modifiche
Per migliorare la robustezza e la riproducibilità del flusso di lavoro proposto, vanno presi in considerazione diverse considerazioni di risoluzione dei problemi e potenziali modifiche. Se viene identificato un numero inaspettatamente basso di geni espressi differenzialmente (DEG), si consiglia agli utenti di verificare la procedura di normalizzazione, confermare l'etichettatura accurata dei gruppi e considerare l'adeguamento del cambiamento di fold |log2| soglia mantenendo un controllo adeguato del tasso di false scoperte (FDR). Al contrario, se si ottiene un numero eccessivo di DEG, applicare cutoff FDR più rigidi o filtrare geni a bassa varianza prima dell'analisi di espressione differenziale può migliorare la specificità.
Gli effetti batch possono influenzare i modelli di clustering in analisi esplorative come l'analisi dei componenti principali (PCA). Se i campioni si raggruppano prevalentemente per condizione batch piuttosto che biologica, dovrebbero essere applicati metodi di correzione batch (ad esempio, approcci bayiani empirici come ComBat) e i metadati del campione dovrebbero essere rivalutati attentamente per coerenza.
Per la selezione delle caratteristiche basata su Random Forest, alti tassi di errore Out-of-Bag (OOB) o classifiche instabili delle caratteristiche possono indicare una configurazione del modello subottimale. In tali casi, aumentare il numero di alberi, modificare il parametro mtry o eseguire ripetute esecuzioni del modello con selezione di caratteristiche consensuale può migliorare la stabilità del modello e l'affidabilità predittiva. Inoltre, possono essere impiegate strategie di validazione incrociata per valutare ulteriormente la robustezza dei modelli.
Per rafforzare l'affidabilità, gli utenti possono opzionalmente ripetere l'analisi utilizzando soglie alternative di DEG o impostazioni dei parametri di apprendimento automatico e confrontare la consistenza dei geni caratteristici identificati. Tali analisi di sensibilità aiutano a garantire che i risultati chiave non siano guidati da scelte specifiche di parametri e supportano la riproducibilità del flusso di lavoro tra dataset trascrivomici simili.
Analisi statistiche
La significatività statistica è stata determinata tramite un test t, con i valori p riportati per il confronto. Le correlazioni statistiche tra i livelli di espressione genica e i fenotipi correlati all'epatotossicità sono state valutate utilizzando i coefficienti di correlazione di Pearson e Spearman, a seconda della normalità dei dati. I valori p sono stati aggiustati per confronti multipli utilizzando il metodo di Benjamini-Hochberg. Sono state visualizzate associazioni significative con mappe di calore e diagrammi a scatter, fornendo una valutazione robusta delle relazioni trascricomiche.