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方法論記事

特発性肺線維症における糖シル化関連遺伝子の役割を探る統合的機械学習アプローチ

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DOI:

10.3791/71408

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2026年7月31日

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この記事について

サマリー

本研究では統合トランスクリプトミクス解析、機械学習(LASSO、SVM-RFE、XGBoost)、免疫浸潤解析、分子ドッキング、RT-qPCR検証を用いて特発性肺線維症に関連する糖鎖化関連遺伝子を特定しました。10の診断遺伝子候補が同定され、肺組織データセットで高い性能を持つ診断モデルが開発・検証されました。

要約

特発性肺線維症(IPF)は進行性の慢性性肺疾患であり、病因は不明であり、糖鎖化関連遺伝子(GRG)の発症への寄与は依然として十分に解明されていません。本研究は、IPFにおけるGRGの潜在的なメカニズムの解明、主要なバイオマーカーの特定、バイオインフォマティクスと機械学習を用いた診断モデルの開発に焦点を当てています。GEOデータベースのトランスクリプトミックデータはGRGsと統合され、IPFにおける役割を調査しました。差異発現遺伝子(DEGs)を特定し、機能豊化およびタンパク質間相互作用(PPI)解析を行いました。LASSO回帰、サポートベクター機械再帰特徴消去(SVM-RFE)、XGBoostを組み合わせた機械学習ワークフローを用いて、GSE150910トレーニングデータセットを用いて主要な遺伝子を特定し、診断モデルを構築しました。その後、モデルの性能は4つの独立した検証データセットで評価されました。遺伝子セット濃縮解析(GSEA)、免疫浸潤解析、薬物-遺伝子相互作用解析、分子ドッキング、IPF患者および健康対照群の末梢血サンプルを用いたRT-qPCR検証などの追加解析が行われ、同定された遺伝子の生物学的関連性を調査しました。合計126の糖鎖化関連DEGが同定され、10の主要遺伝子が選定されました。診断モデルは肺組織データセットで曲線下面積(AUC)が0.963および0.814、血液データセットで0.681および0.706を記録しました。免疫浸透解析により患者サブグループ間のB細胞存在量の違いが明らかになり、RT-qPCR検証により臨床サンプルにおける選択遺伝子の差異発現が確認されました。これらの発見は、IPFにおけるGRGの関与の可能性を示す洞察を提供し、候補診断遺伝子としての関連性を支持しています。

概要

特発性肺線維症(IPF)は、遺伝的素因、環境的誘因、免疫機能障害を含む異質性の病因を特徴とする進行性の線維化間質性肺疾患です1,2。この疾患は、早期診断の困難さ、治療効果の限界、そして一般的に悪い予後により、重大な臨床的課題を抱えています。IPFの有病率は10万人あたり20人から80人の範囲で、治療なしの中央値生存期間は通常3〜5年3.4年です。急速な病変進行のリスクが高い患者を特定することは、効果的な治療戦略に不可欠であり、病況悪化を経験しやすい人々に対して標的治療を可能にします。

グリコシル化はタンパク質の共翻訳および翻訳後修飾であり、タンパク質活性および細胞生物学の調節において重要な役割を果たします 5,6。タンパク質糖鎖の調節不全がIPF進行に寄与している可能性が高い7,8。多くのリウマチ疾患では、タンパク質の糖基化変化が観察され、これは....

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プロトコル

本研究は蚌埠医科大学第一附属病院の機関審査委員会により承認されました(承認番号:2023YJS162)。サンプル採取前に全参加者から書面によるインフォームドコンセントを取得しました。

データ収集

本研究で使用されたトランスクリプトームデータは、Gene Expression Omnibus(GEO)データベース(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/;リッド:SCR_005012)。主要なトレーニングデータセットGSE150910はIllumina NovaSeq 6000プラットフォーム(GPL24676)を用いて生成され、103のIPFと103の正常肺組織サンプルで構成されました。結果の検証のために、独立したデータセットGSE24206、GSE110147、GSE93606、GSE38958が用いられました。各データセットの詳細情報は 表1に記載されています。さらに、これまでに発表された研究から合計636件のGRGが選ばれました。

糖シル化関連DEGの差異発現解析および機能的特性評価

GSE150910データセット....

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結果

GR-DEGの関数解析および相互作用ネットワーク解析

IPFにおける遺伝子関与を調査するために、GSE150910の差異発現解析を実施し、4,216個のDEGが特定されました(図2A)。これらのDEGを636個のGRGと交差させることで、126の疾患関連糖基化遺伝子が同定されました(図2B)。さらに、交差遺伝子の生物学的機能の可能性を評価するために、GOおよびKEGG濃縮解析を実施しました。図2Cに示すように、GO濃縮解析では112の有意な項が明らかになり、その中には53 BP(例:糖タンパク質代謝、タンパク質糖シル化)、26の細胞成分(例:ゴルジ腔、小胞体腔)、33の分子機能(例:グリコシルトランスフェラーゼ活性、UDP-グリコシルトランスフェラーゼ活性)が含まれていま.......

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ディスカッション

IPFは原因不明の慢性進行性疾患であり、患者の生活の質を著しく低下させ、早期死亡につながります4。治療戦略の進歩にもかかわらず、診断後の中央値生存期間は依然として低く、IPFの病因は依然として完全には解明されていません。したがって、IPFの分子メカニズムを解明することは緊急かつ極めて重要です。過去の研究では、脱糖糖と肺疾患との関連が確立されています。しかし、IPFの病因における糖鎖化の潜在的役割は、依然としてほとんど解明されていません。したがって、本研究はIPF診断のためにグリコシル化関連の遺伝子シグネチャーを機械学習手法と統合した初の研究です。この革新的なアプローチは、主要な遺伝子の特定に新たな視点をもたらし、IPFの病態生理学の理解を深める助けとなる可能性があります。

最近の研究では、統合トランスクリプトミクスおよび機械学習手法を用いてIPFにおける小胞体ストレス関連遺伝子が同定されています(23,24,25)。

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開示事項

著者には利益相反を主張するものはありません。

謝辞

研究過程を通じて支援と支援を提供してくださったすべての同僚に感謝申し上げます。彼らの協力と励ましは、私たちの仕事にとって非常に貴重なものでした。この研究は外部からの資金援助を受けていません。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
CaretR Foundation for Statistical Computingバージョン 6.0.94SVM-RFE
ClusterProfilerR Foundation for Statistical Computingバージョン 4.12.6GSEA、GO、KEGG エンリッチメント分析
DESeq2R Foundation for Statistical Computingバージョン 1.44.0差次発現分析
Fast First-Strand cDNA Synthesis MixGoonie Biotech Co., Ltd.500-101RT-qPCR 用 cDNA 合成
FastTaq qPCR SYBR Green Master MixGooniebio500-102定量 PCR 増幅
Fluorescent Quantitative PCR SystemBio-Rad Laboratories, Inc.CFX96定量 PCR 増幅
GEO DatabaseNCBIhttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/トランスクリプトームデータソース
ggpubr R Foundation for Statistical Computingバージョン 0.6.0ボックスプロット生成
GSVAR Foundation for Statistical Computingバージョン 1.52.3ssGSEA
MSigDBBroad Institutehttps://www.gsea-msigdb.org/GSEA 分析
PCR SystemBio-Rad Laboratories, Inc.PTC TempoRT-qPCR 用 cDNA 合成
PrimersTsingke Biotechnology Co., Ltd.N/AqPCR プライマーのカスタム合成
R softwareR Foundation for Statistical Computingバージョン 4.4.1統計分析と可視化
RNA Isolater Total RNA Extraction ReagentVazyme Biotech Co., Ltd.R401-01全血からの総 RNA 抽出
STRING DatabaseSTRING Consortiumhttps://string-db.org/PPI ネットワーク構築
Synergy HTX Multi-Mode ReaderBioTek Instruments, Inc.Synergy HTXRNA 濃度測定

参考文献

  1. Koudstaal T, Wijsenbeek MS. Idiopathic pulmonary fibrosis. Presse Med. 2023;52(3):104166.
  2. Moss BJ, Ryter SW, Rosas IO. Pathogenic Mechanisms Underlying Idiopathic Pulmonary Fibrosis. Annu Rev Pathol. 2022;17:515-46.
  3. Bonella F, Spagnolo P, Ryerson C. Current and Future Treatment Landscape for Idiopathic Pulmonary Fibrosis. Drugs. 2023;83(17):1581-93.
  4. Spagnolo P, et al. Idiopathic pulmonary fibrosis: Disease mechanisms and drug development. Pharmacol Ther. 2021;222:107798.
  5. Schjoldager KT, Narimatsu Y, Joshi HJ, Clausen H. Global view of human protein glycosylation pathways and functions. Nat Rev Mol Cell Biol. 2020;21(12):729-49.
  6. He M....

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再版と許可

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