Identificazione e annotazione funzionale dei geni co-espressi nella cuproptosi e ferroptosi
Sono stati integrati quattro set di dati di addestramento composti da 421 campioni di colite ulcerosa e 97 controlli sani. Sono stati identificati complessivamente 551 geni a espressione differenziale, inclusi 362 geni upregolati e 189 geni downregolati. L'analisi di correlazione ha prodotto 444 geni correlati con la ferroptosi e la cuproptosi, e l'intersezione con i geni a espressione differenziale ha generato 32 geni a espressione differenziale co-espressi nella cuproptosi e ferroptosi (CF-DEGs).
I 32 CF-DEG sono risultati arricchiti nelle risposte a lesioni, ioni rameici, trasporto di acidi grassi, lipopolisaccaride, malattia infiammatoria intestinale, segnalazione NF-κB, segnalazione TNF e ferroptosi (Tabella Supplementare 4).
Individuazione dei biomarcatori principali mediante l'integrazione di apprendimento automatico e analisi WGCNA
L'analisi della rete di co-espressione genica pesata (WGCNA) ha identificato MEpurple, MEbrown e MEblack come i moduli più fortemente associati alla colite ulcerosa (UC). Insieme, i moduli selezionati contenevano 1.426 geni (Supplementary Table 5).
L'operatore di selezione e riduzione del valore assoluto minimo (LASSO), la macchina a vettori di supporto con eliminazione ricorsiva delle caratteristiche (SVM-RFE) e la foresta casuale hanno selezionato rispettivamente 21, 32 e 19 caratteristiche. Tredici geni erano comuni a tutti e tre i modelli. L'integrazione del consenso derivato dall'apprendimento automatico, del nucleo di interazione proteina-proteina classificato tramite CytoHubba e dei moduli WGCNA selezionati ha prodotto cinque biomarcatori candidati associati alla colite ulcerosa: LCN2, IDO1, CXCL2, NOS2 e CD274.
Valutazione diagnostica e arricchimento del percorso della firma del biomarcatore
Tutti e cinque i biomarcatori candidati sono risultati positivamente correlati e upregolati nella colite ulcerosa nel gruppo di addestramento (Figura 2A, B). Ogni marcatore ha raggiunto un'area sotto la curva ROC (caratteristica operativa del ricevitore) > 0,80 nel gruppo di addestramento e > 0,75 nel gruppo di validazione indipendente GSE47908 (Figura 2C–E).
Il nomogramma basato su cinque geni ha mostrato una calibrazione favorevole, con un valore P di Hosmer–Lemeshow > 0,05 e un errore medio assoluto < 0,1, nonché una buona capacità discriminatoria nel coorte analizzato, con un'area sotto la curva e un indice di concordanza pari a 0,945 e un intervallo di confidenza al 95% per l'indice di concordanza compreso tra 0,922 e 0,968 (Figura 3).
L'analisi dell'arricchimento di geni ha collegato i cinque candidati alle vie di segnalazione JAK–STAT, interferone–RIPK1/3 e recettore simile a Toll–NF-κB (Figura 4).

Figura 2: Espressione dei biomarcatori candidati e prestazioni diagnostiche. (A) Mappa termica di correlazione. (B, C) Espressione dei biomarcatori e curve caratteristiche operative del ricevitore nella coorte di addestramento. (D, E) Espressione dei biomarcatori e curve caratteristiche operative del ricevitore nella coorte di validazione GSE47908. ROC: caratteristica operativa del ricevitore; AUC: area sotto la curva; UC: colite ulcerosa. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3: Sviluppo e valutazione del nomogramma per la colite ulcerosa. (A) Nomogramma basato su cinque geni. (B) Grafico di calibrazione. (C) Curva caratteristica operativa del ricevitore. ROC: curva caratteristica operativa del ricevitore; UC: colite ulcerosa; AUC: area sotto la curva; C-index: indice di concordanza. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: Analisi dell'arricchimento di gruppi genici dei cinque biomarcatori candidati. (A–E) Risultati dell'analisi dell'arricchimento di gruppi genici per LCN2, IDO1, CXCL2, NOS2 e CD274, rispettivamente. GSEA: analisi dell'arricchimento di gruppi genici. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Analisi del paesaggio del microambiente immunitario e della rete di regolazione
I campioni di CU hanno mostrato proporzioni aumentate di neutrofili, linfociti T CD4⁺ a memoria attivati, macrofagi M1 e mastociti attivati, con una corrispondente diminuzione di macrofagi M2, mastociti inattivi e cellule dendritiche inattive. Questi schemi sono stati riprodotti nel gruppo di convalida (Figura 5A–E).
I cinque candidati hanno mostrato correlazione positiva con i neutrofili, le cellule T CD4⁺ a memoria attivate e i macrofagi M1, e correlazione inversa con le cellule del mastocito a riposo e i macrofagi M2 (Figura 5F–J). La rete genica miRNA comprendeva 98 nodi e 146 interazioni. hsa-miR-34a-5p e hsa-miR-16-5p mostravano la maggiore connettività come biomarcatori, mentre AR e RELA erano i fattori di trascrizione più connessi (Figura 6).

Figura 5: Analisi dell'infiltrazione immunitaria. (A) Composizione delle cellule immunitarie. (B) Differenze tra i gruppi nelle proporzioni delle cellule immunitarie. (C) Mappa termica di correlazione tra le cellule immunitarie. (D, E) Infiltrazione delle cellule immunitarie nelle coorti di training e di validazione. (F–J) Correlazioni tra biomarcatori candidati e popolazioni di cellule immunitarie. UC: colite ulcerosa. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 6: Reti predette di miRNA e fattori di trascrizione. (A) Rete gene–miRNA. I cerchi indicano i biomarcatori candidati e i quadrati indicano i miRNA. (B) Rete fattore di trascrizione–gene. I rombi indicano i biomarcatori candidati e i triangoli capovolti indicano i fattori di trascrizione. miRNA: microRNA; TF: fattore di trascrizione. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Dinamica dell'espressione spaziotemporale a risoluzione di singola cellula
Dopo il controllo di qualità, 31.712 cellule hanno formato 22 cluster che sono stati annotati come nove popolazioni cellulari principali (Figura 7A–C). Le proporzioni di cellule epiteliali e plasmacellule erano più elevate nella colite ulcerosa (UC). LCN2 e NOS2 erano arricchiti nelle cellule epiteliali, mentre IDO1, CXCL2 e CD274 erano arricchiti nelle cellule mieloidi (Figura 7D–G).
Il sottoclustering delle cellule epiteliali ha identificato 11 sottogruppi, con un'espansione di colonociti infiammatori e un arricchimento di LCN2 e NOS2 in questo sottogruppo (Figura 8). Il sottoclustering delle cellule mieloidi ha identificato sette sottogruppi, con un aumento dei monociti, una riduzione dei macrofagi e un arricchimento di IDO1, CXCL2 e CD274 nei monociti (Figura 9).
I colonociti infiammatori si sono accumulati in una fase tardiva della traiettoria epiteliale, con un'espressione crescente di LCN2 e NOS2 (Figura 10). I monociti hanno mostrato una traiettoria distinta associata alla colite ulcerosa, con un'espressione dinamica di IDO1, CXCL2 e CD274 (Figura 11).
I colonociti infiammatori hanno mostrato il segnale in uscita più intenso e una comunicazione evidente con i monociti. La coppia ligando-recettore APP–CD74 era predominante tra questi sottogruppi (Figura 12).

Figura 7: Espressione dei biomarcatori candidati tra le popolazioni cellulari. (A) Cluster cellulari. (B) Marcatori di annotazione. (C) Nove popolazioni cellulari annotate. (D, E) Distribuzione e proporzioni cellulari in campioni sani e con colite ulcerosa. (F, G) Espressione dei biomarcatori candidati visualizzata mediante UMAP e grafico a bolle. UC: colite ulcerosa; UMAP: uniform manifold approximation and projection. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 8: Sottoraggruppamento delle cellule epiteliali ed espressione dei marcatori candidati. (A) Raggruppamenti iniziali delle cellule epiteliali. (B) Marcatori di annotazione. (C) Sottoinsiemi di cellule epiteliali annotati. (D) Proporzioni dei sottoinsiemi nei campioni sani e nei campioni di colite ulcerosa. (E) Espressione di LCN2 e NOS2 nei sottoinsiemi di cellule epiteliali. t-SNE: embedding stocastico di vicini distribuiti in t; UC: colite ulcerosa. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 9: Sottoclustering delle cellule mieloidi ed espressione dei candidati. (A) Cluster iniziali di cellule mieloidi. (B) Marcatori di annotazione. (C) Sottoinsiemi di cellule mieloidi annotati. (D) Proporzioni dei sottoinsiemi in campioni sani e con colite ulcerosa. (E) Espressione di IDO1, CXCL2 e CD274 nei sottoinsiemi di cellule mieloidi. t-SNE: t-distributed stochastic neighbor embedding; UC: colite ulcerosa. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 10: Analisi della pseudotempo delle cellule epiteliali. (A) Traiettoria della pseudotempo e assegnazione degli stati. (B) Distribuzione delle cellule epiteliali sane e delle cellule con colite ulcerosa lungo la traiettoria. (C) Dinamica dell'espressione di LCN2 e NOS2 lungo la pseudotempo. UC: colite ulcerosa. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 11: Analisi del pseudotempo delle cellule mieloidi. (A) Traiettoria del pseudotempo e assegnazione degli stati. (B) Distribuzione delle cellule mieloidi sane e di quelle con colite ulcerosa lungo la traiettoria. (C) Dinamiche di espressione di IDO1, CXCL2 e CD274 lungo il pseudotempo. UC: colite ulcerosa. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 12: Comunicazione epiteliale-mieloide. (A) Numero e intensità delle interazioni. (B) Intensità del segnale in uscita e in entrata. (C) Interazioni che coinvolgono colonociti infiammatori. (D) Mappa di calore dell'intensità della comunicazione. (E) Coppie ligando-recettore che coinvolgono colonociti infiammatori. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
in vitro validazione sperimentale di interventi sulla ferroptosi e sulla cuproptosi
L'esposizione a lipopolisaccaride (LPS) ha ridotto la vitalità delle cellule Caco-2 e aumentato l'espressione di IL-6 e IL-1β rispetto al controllo con veicolo (Figura 13A–C e Figura Suppletiva 5).
L'LPS ha aumentato Fe2⁺, il malondialdeide e l'abbondanza di RNA messaggero di LCN2, IDO1, CXCL2 e NOS2, mentre il ferrostatina-1 ha invertito ciascuna variazione associata all'LPS (Figura 13D–I). Per i confronti tra LPS e LPS + ferrostatina-1, i valori esatti di P bilaterali sono variati da 9,45 × 10⁻5 a 0,0027 dopo la media delle repliche tecniche all'interno di ciascuna replica biologica.
L'LPS ha ridotto la vitalità e aumentato IL-6, IL-1β, FDX1/DLAT, CD274 e la fluorescenza sensibile al rame, mentre il tetratiomolibdato ha invertito questi effetti (Figura 14 A–E). Per i confronti tra LPS e LPS + tetratiomolibdato, i valori esatti di P a due code sono variati da < 1 × 10⁻15 a 0,0008.
Nel complesso, le analisi hanno identificato cinque potenziali marcatori diagnostici associati alla colite ulcerosa, ne hanno localizzato l'espressione nelle popolazioni epiteliali e mieloidi, e hanno mostrato che LCN2, IDO1, CXCL2 e NOS2 rispondono all'inibizione della ferroptosi, mentre CD274 risponde alla chelazione del rame in cellule Caco-2.

Figura 13: Il ferrostatina-1 attenua le alterazioni infiammatorie e legate alla ferroptosi associate all'LPS nelle cellule Caco-2. (A) Vitalità cellulare. (B, C) Espressione dell'mRNA di IL-6 e IL-1β. (D, E) Livelli intracellulari di malondialdeide e Fe2⁺. (F–I) Espressione dell'mRNA di LCN2, IDO1, CXCL2 e NOS2. Le misurazioni tecniche triplicate sono state mediate all'interno di ciascun replicato biologico indipendente; le barre di errore indicano la deviazione standard. I numeri disponibili di replicati biologici sono: Controllo n = 4 in A e C, Controllo n = 2 in F, e n = 6 per tutte le altre combinazioni di pannello/gruppo. I valori esatti di P a due code e i controlli delle assunzioni sono riportati nel Tavolo Supplementare 5. Fer-1: ferrostatina-1; LPS: lipopolisaccaride; MDA: malondialdeide. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 14: Il tetratiomolibdato attenua le alterazioni infiammatorie e legate alla cuproptosi associate all'LPS nelle cellule Caco-2. (A) Vitalità cellulare. (B, C) Espressione dell'RNA messaggero di IL-6 e IL-1β. (D) Espressione dell'RNA messaggero di FDX1 e DLAT. (E) Espressione dell'RNA messaggero di CD274. (F) Fluorescenza intracellulare di Cu2⁺; barra della scala = 50 µm. Le misurazioni tecniche triplicate sono state mediate all'interno di sei repliche biologiche indipendenti per gruppo; le barre di errore indicano la deviazione standard. I valori esatti di P a due code e i controlli delle assunzioni sono riportati nel Tabulato Supplementare 5. TTM: tetratiomolibdato; LPS: lipopolisaccaride. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
I dati grezzi e quelli elaborati, gli script di analisi e i fogli di calcolo sorgente degli esperimenti sulle cellule sono disponibili pubblicamente all'indirizzo https://doi.org/10.5281/zenodo.21202720.
Figura supplementare 1: Diagnostica per la pre-elaborazione dei dati e per l'espressione differenziale. (A–F) Distribuzioni dei campioni prima (A–C) e dopo (D–F) la correzione del batch. (G) Diagramma a vulcano dei geni a espressione differenziale. (H) Mappa termica dei profili di espressione normalizzati. DEGs: geni a espressione differenziale; GEO: Gene Expression Omnibus.Fare clic qui per scaricare questo file.
Figura supplementare 2: Analisi di arricchimento dei CF-DEGs. (A) Arricchimento dell'ontologia genica. (B) Arricchimento dell'Enciclopedia di Kyoto di geni e genomi. CF-DEGs: geni differenzialmente espressi co-espressi nella cuproptosi e ferroptosi; GO: Ontologia genica; KEGG: Enciclopedia di Kyoto di geni e genomi.Cliccare qui per scaricare questo file.
Figura supplementare 3: Diagnostica di screening WGCNA. (A) Selezione della soglia morbida. (B) Raggruppamento degli eigengeni dei moduli. (C) Dendrogramma gene-modulo. (D) Associazioni tra moduli e tratti. (E–G) Relazioni tra significatività del gene e appartenenza al modulo per i moduli viola, marrone e nero. WGCNA: analisi della rete di co-espressione genica pesata; UC: colite ulcerosa.Cliccare qui per scaricare il file.
Figura supplementare 4: Screening biomarker multistadio. (A, B) Selezione delle caratteristiche tramite LASSO. (C, D) Selezione delle caratteristiche tramite SVM-RFE. (E, F) Classificazione delle caratteristiche tramite foresta casuale. (G) Convergenza tra i tre modelli. (H, I) Rete di interazione proteina-proteina (PPI) e nodi centrali identificati con CytoHubba. (J) Integrazione dei risultati ottenuti con apprendimento automatico, WGCNA e PPI. (K) Localizzazione cromosomica dei cinque candidati. LASSO: operatore di riduzione e selezione con norma L1; SVM-RFE: eliminazione ricorsiva delle caratteristiche basata su macchine a vettori di supporto; RF: foresta casuale; PPI: interazione proteina-proteina; WGCNA: analisi della rete di co-espressione genica pesata.Cliccare qui per scaricare il file.
Figura supplementare 5: Validazione del modello LPS in cellule Caco-2. (A) Viabilità cellulare. (B, C) Espressione dell'mRNA di IL-6 e IL-1β. Le replicazioni tecniche triplicate sono state mediate all'interno di sei replicati biologici indipendenti per gruppo; le barre di errore indicano la deviazione standard. LPS: lipopolisaccaride.Cliccare qui per scaricare il file.
Tabella supplementare 1: Set di dati GEO utilizzati per la scoperta e la validazione. Numeri di accessione dei set di dati, piattaforme, composizione dei campioni e assegnazioni dei cohort per i set di dati GEO inclusi nelle analisi di scoperta e validazione. GEO: Gene Expression Omnibus.Cliccare qui per scaricare il file.
Tabella supplementare 2: Sequenze dei primer per la PCR quantitativa con trascrizione inversa. Sequenze dei primer utilizzate per l'analisi mediante PCR quantitativa con trascrizione inversa dei geni valutati in questo studio.Cliccare qui per scaricare il file.
Tabella supplementare 3: Dettagli statistici per le Figure 13, 14 e la Figura supplementare 1. Numeri di repliche biologiche, verifiche delle assunzioni, metodi di analisi statistica e valori P esatti per i confronti sperimentali indicati.Cliccare qui per scaricare il file.
Tabella supplementare 4: Geni differenzialmente espressi co-espressi nella cuproptosi e nella ferroptosi. Elenco dei CF-DEG identificati intersecando i geni correlati a ferroptosi e cuproptosi con i geni differenzialmente espressi.Cliccare qui per scaricare il file.
Tabella Supplementare 5: Geni nei moduli WGCNA selezionati per lo screening dei biomarcatori. Elenco dei geni contenuti nei moduli WGCNA selezionati per lo screening successivo dei biomarcatori. WGCNA: analisi della rete di co-espressione genica pesata.Fare clic qui per scaricare il file.