Для систематического изучения потенциальных кандидатных биомаркеров, связанных с митохондриями, для оценки LLF при лечении диабетической нефропатии (ДН), мы разработали аналитический рабочий процесс, состоящий из четырех этапов (Рисунок 1)На первом этапе мы интегрировали транскриптомные данные из набора GSE142025 (обучающая выборка, вся почка, n=36) и GSE96804 (валидационная выборка, клубочек, n = 61) с 1 136 генами, связанными с митохондриями, из базы данных MitoCarta 3.0, и 517 прогнозируемыми мишенями 9 активных ингредиентов из базы данных TCMSP. Пересечение этих трех наборов генов позволило выявить 9 генов-кандидатов. На втором этапе для приоритизации значимых генов с использованием среднеквадратической ошибки (RMSE) были применены четыре модели машинного обучения (RF, KNN, PLS и SVM). < 0,281 в качестве порогового значения. Кросс-датасетная валидация с помощью ROC-анализа (AUC > (0,7 в обоих наборах данных) были определены четыре потенциальных биомаркера: CAT, FABP1, MAOB и MAOA. На III этапе мы провели GSEA для выявления обогащенных путей KEGG, анализ иммунной инфильтрации с помощью CIBERSORT, прогнозирование модификации m6A, а также построили сети lncRNA-miRNA-mRNA, сети «активный ингредиент — биомаркер» и «активный ингредиент — биомаркер — путь» с последующим молекулярным докингом. На IV этапе на модели диабетической нефропатии у мышей db/db были оценены фармакодинамические эффекты LLF и изменения экспрессии мРНК четырех потенциальных биомаркеров.
Скрининг генов-кандидатов при лечении DN с помощью LLF
В наборе данных GSE142025 между группой с DN и контрольной группой было выявлено 3 810 дифференциально экспрессируемых генов (DEG), включая 1 904 гена с повышенной экспрессией и 1 906 генов с пониженной экспрессией (Рисунок 2A,B). С помощью базы данных TCMSP было предсказано тринадцать активных ингредиентов LLF, а именно: бета-ситостерол, кемпферол, таксифолин, люцидумозид D, Lucidumoside D_qt, (20S)-24-ene-3,20-diol-3-acetate, эриодиктиол, syringaresinol diglucoside_qt, люцидускулин, олиторизид, Olitoriside_qt, лютеолин и кверцетин (Таблица 2). Для четырех активных ингредиентов — Lucidumoside D_qt, (20S)-24-ene-3,20-diol-3-acetate, syringaresinol diglucoside_qt и Olitoriside_qt — не было предсказано никаких потенциальных генов-мишеней, тогда как для остальных девяти ингредиентов было предсказано 517 потенциальных генов-мишеней. Путем перекрытия 3 810 DEG, 1 136 MRG и 517 потенциальных генов-мишеней были выявлены девять генов-кандидатов: GPX1, BAX, CASP8, MAOA, MAOB, CAT, AKR1B10, ALDH2 и FABP1 (Рисунок 2C). Впоследствии была построена сеть «активный ингредиент — ген-кандидат» (Рисунок 2D). Эти девять генов-кандидатов были обогащены по 341 термину GO, включая ответ на воздействие токсических веществ, катаболический процесс органических гидроксисоединений и клеточная детоксикация (Рисунок 2E). Кроме того, они были связаны с 52 путями KEGG, такими как метаболизм триптофана, нейродегенеративные пути и метаболизм гистидина (Рисунок 2F).
Скрининг потенциальных биомаркеров для лечения диабетической нефропатии (ДН) при LLF
Сеть PPI выявила семь узлов и восемь ребер, при этом MAOA, ALDH2, MAOB и AKR1B10 взаимодействовали между собой (Рисунок 3A). В качестве характерных генов были определены гены со значениями RMSE менее 0,281 в четырех моделях машинного обучения: CAT, MAOB, MAOA, BAX и FABP1 (Рисунок 3B-E). Анализ экспрессии показал, что уровни CAT, FABP1, MAOB и MAOA значимо различались между группами с ДН и контрольной группой, что подтверждалось в обоих наборах данных GSE142025 и GSE96804 (Рисунок 3F,G). Кроме того, значения AUC для этих генов при анализе ROC-кривых превышали 0,7 в обоих наборах данных, что указывает на способность этих генов эффективно дифференцировать образцы с ДН от контрольных образцов и служить потенциальными биомаркерами для лечения ДН при LLF (Рисунок 4A-H).
Значительное обогащение путей воспалительных и иммунных реакций потенциальными биомаркерами
С помощью GSEA были выявлены четыре потенциальных биомаркера, которые были значительно обогащены в сигнальном пути хемокинов и в путях взаимодействия цитокинов с цитокиновыми рецепторами (Рисунок 5A-D). Среди них сигнальный путь пероксидазы продемонстрировал значимую связь с CAT, MAOA и MAOB.
Корреляция потенциальных биомаркеров с иммунными клетками
Между образцами DN и контрольной группой наблюдались заметные различия в экспрессии девяти типов иммунных клеток: наивных B-клеток, макрофагов M0, макрофагов M1, макрофагов M2, активированных тучных клеток, активированных NK-клеток, покоящихся CD4+ T-клеток памяти, наивных CD4+ T-клеток и CD8+ T-клеток (P < 0.05) (Рисунок 6A,B). Была обнаружена значимая положительная корреляция (cor = 0.6) между наивными B-клетками и активированными NK-клетками, в то время как значимая отрицательная корреляция (cor = -0.69) была выявлена между наивными B-клетками и активированными тучными клетками (Рисунок 6C). Все потенциальные биомаркеры продемонстрировали сильную отрицательную корреляцию с CD8+ T-клетками и активированными тучными клетками и положительную корреляцию с активированными NK-клетками и наивными B-клетками (Рисунок 6D).
Взаимодействие ключевых модифицированных белков m6A с потенциальными биомаркерами
Модификация m6A-метилирования РНК оказывает глубокое влияние на синтез и метаболизм РНК и участвует в патогенезе различных заболеваний29. Расположение сайтов модификации m6A в потенциальных биомаркерах и их высокодостоверные позиции во вторичных структурах показаны на Рисунке 7A-H. Дальнейший анализ выявил, что ключевые m6A-модифицированные белки, взаимодействующие с CAT, включали AQR и RBM22, в то время как FABP1 взаимодействовал как с SF3A3, так и с AQR. Было обнаружено, что MAOA взаимодействует с IGF2BP3 и IGF2BP2, а MAOB — с TIA1 (Таблица 3).
Благоприятный in silico прогнозы связывания таксифолина, бета-ситостерола и эриодиктиола в LLF при лечении диабетической нефропатии
В miRNet КТ (компьютерная томография) было предсказано взаимодействие с 24 микроРНК, в то время как FABP1 был связан с пятью микроРНК. Кроме того, МАО-Б и МАО-А были связаны с 29 и 26 микроРНК (miRNA) соответственно. Среди них 23 длинные некодирующие РНК (lncRNA) были идентифицированы в обеих базах данных — TarBase и Starbase. Затем была построена регуляторная сеть lncRNA-miRNA-mRNA, включающая четыре потенциальных биомаркера, 74 miRNA и 23 lncRNA. (Рисунок 8A)Потенциальные активные ингредиенты, воздействующие на кандидатные биомаркеры, включали лютеолин, бета-ситостерин, эриодиктиол, кемпферол, кверцетин и таксифолин. (Рисунок 8B)Кроме того, на основе активных ингредиентов, потенциальных биомаркеров и пяти наиболее значимых путей, выявленных с помощью GSEA, была построена сеть «активный ингредиент — биомаркер — путь». (Рисунок 8C)Например, таксифолин воздействовал на КТ (компьютерная томография) в пероксисомальном пути. Энергии связи между КТ (компьютерная томография) и таксифолин (-8,8 ккал/моль), FABP1 и бета-ситостерол (-8,1 ккал/моль), и МАО-Б и эриодиктиол (-9,8 ккал/моль) оказались ниже -5 ккал/моль, что указывает на высокое сродство между этими потенциальными биомаркерами и соответствующими активными ингредиентами27Таксифолин, бета-ситостерол и эриодиктиол были идентифицированы как потенциальные активные ингредиенты с благоприятными in silico прогнозирование связывания в LFL при лечении ДН (Рисунок 8D-F)Однако они представлены как компоненты, предсказанные базой данных, а не как подтвержденные биоактивные промежуточные соединения наблюдаемого in vivo эффекты.
Валидация потенциальных биомаркеров на мышиной модели ДН
Фармакодинамическая оценка влияния LLF при лечении мышей с ДН
В течение периода введения препаратов проводился мониторинг уровней глюкозы в крови и микроальбуминурии у мышей (Рисунок 9A-D). По сравнению с контрольной группой, уровни глюкозы в крови и микроальбуминурии в группе с моделью ДН были значительно повышены (P < 0,01); по сравнению с группой модели ДН, уровень глюкозы в крови у мышей в группе лечения значительно снизился после 4 недель введения (P < 0,01), а уровень микроальбуминурии у мышей в группе лечения значительно снизился после 8 недель введения (P < 0,05). Результаты свидетельствуют о том, что LLF может быть эффективен при лечении ДН.
Патологическая оценка LLF при лечении мышей с диабетической нефропатией (DN)
После окрашивания гематоксилином и эозином (HE) в тканях почек группы контроля наблюдались четкие структуры клубочков. Напротив, в группе модели DN по сравнению с нормальной группой наблюдались пикноз и гиперхромия ядер клубочков, а также инфильтрация воспалительными клетками вокруг клубочков. Терапия LLF уменьшила патологические повреждения почек у мышей db/db (Рисунок 9E).
RT-PCR анализ экспрессии потенциальных биомаркеров у мышей с ДН
После успешного создания модели диабетической нефропатии (ДН) у мышей и наблюдения значительного улучшения симптомов при лечении LLF, для анализа изменений потенциальных биомаркеров была использована RT-qPCR. По сравнению с контрольной группой, в группе ДН наблюдалось значительное снижение экспрессии CAT и MAOA (P < 0.05 или P < 0.001). Напротив, в группе лечения экспрессия CAT и MAOA была значительно выше, чем в группе ДН (P < 0.05). Однако статистически значимых различий в экспрессии MAOB и FABP1 между группами обнаружено не было (Рисунок 9F-I).
Доступность данных
Наборы данных экспрессии генов, проанализированные в данном исследовании, находятся в открытом доступе в базе данных Gene Expression Omnibus (GEO) под номерами доступа GSE142025 и GSE96804. Скрипты R, использованные для биоинформатического анализа, вместе с исходными экспериментальными данными (показатели глюкозы в крови, микроальбуминурии и данные RT-qPCR), представлены в Дополнительном файле 1. Все остальные базы данных, программное обеспечение и веб-ресурсы, использованные в этом исследовании, перечислены в Таблице материалов.

Рисунок 1: Схема исследования. Для идентификации генов-кандидатов были интегрированы транскриптомные наборы данных, гены, связанные с митохондриями, и прогнозируемые мишени Ligustri Lucidi Fructus. Затем для приоритизации значимых генов были использованы четыре алгоритма машинного обучения с последующей валидацией на разных наборах данных, функциональной характеристикой и экспериментальной проверкой на мышах линии db/db. Сокращения: DN = диабетическая нефропатия; DEGs = дифференциально экспрессируемые гены; MRGs = гены, связанные с митохондриями; LLF = Ligustri Lucidi Fructus; RF = случайный лес; KNN = k-ближайших соседей; PLS = метод частичных наименьших квадратов; SVM = метод опорных векторов; RMSE = среднеквадратичная ошибка; GSEA = анализ обогащения набора генов; RT-qPCR = количественная ПЦР с обратной транскрипцией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Скрининг и функциональная характеристика генов-кандидатов при лечении DN с помощью LLF. (A) График-вулкан, показывающий дифференциально экспрессируемые гены между образцами с DN и контрольными образцами в GSE142025. (B) Тепловая карта 10 наиболее активированных и 10 наиболее подавленных генов, ранжированных по |log2FC|. (C) Диаграмма Венна, показывающая пересечение DEGs, MRGs и прогнозируемых генов-мишеней LLF. (D) Сеть «активный ингредиент — ген-кандидат». (E) Анализ обогащения генного онтологического анализа (Gene Ontology) генов-кандидатов. Высота столбца соответствует значимости обогащения, а z-score указывает на прогнозируемое направление функциональной регуляции. (F) Анализ обогащения путей KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) для генов-кандидатов. Сокращения: DN = диабетическая нефропатия; LLF = Ligustri Lucidi Fructus; DEGs = дифференциально экспрессируемые гены; MRGs = митохондриально-связанные гены; GO = Gene Ontology; KEGG = Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Идентификация потенциальных биомаркеров на основе машинного обучения. (A) Сеть белок-белковых взаимодействий белков, кодируемых генами-кандидатами. (B) Обратное кумулятивное распределение остатков для моделей RF, KNN, PLS и SVM. (C) Диаграммы размаха («ящики с усами»), демонстрирующие распределение остатков четырех моделей; красная точка указывает на среднеквадратичную ошибку. (D) Важность генов-кандидатов на основе RMSE в четырех моделях машинного обучения. (E) Пересечение признаков-генов, соответствующих критерию RMSE < 0.281 во всех четырех моделях. (F,G) Экспрессия выбранных признаков-генов в GSE142025 и GSE96804 соответственно. Сокращения: RF = случайный лес (random forest); KNN = метод k-ближайших соседей (k-nearest neighbor); PLS = метод частичных наименьших квадратов (partial least squares); SVM = метод опорных векторов (support vector machine); RMSE = среднеквадратичная ошибка (root mean square error). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: ROC-кривые четырех потенциальных биомаркеров. ROC-кривые для CAT, FABP1, MAOB и MAOA в (A-D) обучающем наборе данных GSE142025 и (E-H) валидационном наборе данных GSE96804. AUC представляет собой площадь под ROC-кривой. Сокращения: ROC = рабочая характеристика приемника; AUC = площадь под кривой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Анализ обогащения наборов генов для потенциальных биомаркеров. GSEA, демонстрирующий статистически значимо обогащенные пути KEGG, связанные с (A) CAT, (B) FABP1, (C) MAOA и (D) MAOB в наборе данных GSE142025. Сокращения: GSEA = анализ обогащения наборов генов; KEGG = Киотская энциклопедия генов и геномов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Инфильтрация иммунными клетками и её связь с потенциальными биомаркерами при ДН. (A) Относительная доля 22 типов иммунных клеток, рассчитанная с помощью CIBERSORT, в образцах при ДН и в контрольной группе. (B) Сравнение статистически значимых различий во фракциях иммунных клеток между группами ДН и контроля. (C) Матрица корреляции между типами иммунных клеток с дифференциальной численностью. (D) Корреляция по Спирмену между экспрессией CAT, FABP1, MAOA и MAOB и типами иммунных клеток с дифференциальной численностью. Сокращения: ДН = диабетическая нефропатия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 7: Прогнозируемые сайты модификации m6A и вторичные структуры РНК транскриптов кандидатных биомаркеров. Прогнозируемые сайты модификации m6A в (A>) CAT, (B>) FABP1, (C>) MAOA и (D>) MAOB. Прогнозируемые вторичные структуры РНК, демонстрирующие высокодостоверные области, связанные с m6A, для (E>) CAT, (F>) FABP1, (G>) MAOA и (H>) MAOB. Желтым цветом выделены прогнозируемые участки последовательности, содержащие сайты модификации m6A. Сокращение: m6A = N6-метиладенозин. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 8: Регуляторные сети и молекулярный докинг потенциальных активных ингредиентов LLF. (A) Прогнозируемая регуляторная сеть lncRNA–miRNA–mRNA с участием кандидатных биомаркеров. (B) Сеть потенциальных активных ингредиентов LLF и кандидатных биомаркеров. (C) Сеть «активный ингредиент–биомаркер–путь», основанная на результатах GSEA. (D-F) Прогнозируемые конформации молекулярного докинга (D) CAT с таксифолином, (E) FABP1 с бета-ситостерином и (F) MAOB с эриодиктиолом. Сокращения: LLF = Ligustri Lucidi Fructus; lncRNA = длинная некодирующая РНК; miRNA = микроРНК; GSEA = анализ обогащения наборов генов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 9: Влияние терапии LLF на биохимические показатели, гистопатологию почек и экспрессию потенциальных биомаркеров у мышей db/db. (A,B) Уровни глюкозы в крови в начале исследования и на 8-й неделе соответственно. (C,D) Уровни микроальбуминурии в начале исследования и на 8-й неделе соответственно. (E) Репрезентативные срезы почек, окрашенные гематоксилином и эозином, из групп Control, DN и Treatment (увеличение ×40; масштабный отрезок = 25 µm). (F-I) Относительные уровни экспрессии мРНК Cat, Maoa, Maob и Fabp1 в почках соответственно, измеренные методом RT-qPCR. #P < 0.05, ##P < 0.01 и ###P < 0.001 по сравнению с группой Control; *P < 0.05, **P < 0.01 и ***P < 0.001 по сравнению с группой DN. Сокращения: LLF = Ligustri Lucidi Fructus; DN = диабетическая нефропатия; RT-qPCR = количественная полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| праймер | последовательности |
| КТ (компьютерная томография) F | TCACTGACGAGATGGCACAC |
| КТ (компьютерная томография) R | ATCGAACGGCAATAGGGGTC |
| FABP1 F | CAATAGGTCTGCCCGAGGAC |
| FABP1 R | GTCATGGTCTCCAGTTCGCA |
| МАО-Б F | GCACTGAAACAGCCTCACAC |
| МАО-Б R | TCGTGCAGGGACATCCAAAG |
| МАО-А F | ACTTACCCATTCCGTGGTGC |
| МАОА R | ACCACAGGGCAGATACCTCA |
| M-GAPDH F | CCTTCCGTGTTCCTACCCC |
| M-GAPDH R | GCCCAAGATGCCCTTCAGT |
Таблица 1: Последовательности праймеров, использованные для RT-qPCR анализа тканей почек мыши. Сокращения: F = прямой праймер; R = обратный праймер; RT-qPCR = количественная полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией.
| ID молекулы | Название молекулы | ОБ (%) | Глубокое обучение | Целевое число |
| MOL000358 | бета-ситостерол | 36.91 | 0.75 | 100 |
| MOL000422 | кемпферол | 41.88 | 0.24 | 103 |
| MOL004576 | таксифолин | 57.84 | 0.27 | 92 |
| MOL005146 | Люцидумозид D | 48.87 | 0.71 | 104 |
| MOL005147 | Люцидумозид D_qt | 54.41 | 0.47 | 0 |
| MOL005169 | (20S)-24-ен-3,20-диол-3-ацетат | 40.23 | 0.82 | 0 |
| MOL005190 | эриodikтиол | 71.79 | 0.24 | 101 |
| MOL005195 | сирингарезинол диглюкозид_qt | 83.12 | 0.8 | 0 |
| MOL005209 | Люцидускулин | 30.11 | 0.75 | 105 |
| MOL005211 | Олиторизид | 65.45 | 0.23 | 100 |
| MOL005212 | Олиторизид_qt | 103.23 | 0.78 | 0 |
| MOL000006 | лютеолин | 36.16 | 0.25 | 102 |
| MOL000098 | кверцетин | 46.43 | 0.28 | 103 |
Таблица 2: Тринадцать активных ингредиентов Ligustri Lucidi Fructus, идентифицированных с помощью базы данных TCMSP. Сокращения: OB = пероральная биодоступность; DL = лекарственно-подобные свойства.
| мРНК | Белок | RF | SVM |
| CAT | AQR | 0.7 | 0.98 |
| CAT | RBM22 | 0.8 | 0.97 |
| FABP1 | AQR | 0.65 | 0.94 |
| FABP1 | SF3A3 | 0.7 | 0.8 |
| MAOA | IGF2BP2 | 0.75 | 0.97 |
| MAOA | IGF2BP3 | 0.75 | 0.97 |
| MAOB | TIA1 | 0.85 | 0.89 |
Таблица 3: Прогнозируемые взаимодействия между мРНК четырех митохондриальных биомаркеров и m6A-связанными РНК-связывающими белками. CAT, FABP1, MAOA и MAOB обозначают мРНК биомаркеров человека; AQR, RBM22, SF3A3, IGF2BP2, IGF2BP3 и TIA1 обозначают РНК-связывающие белки. Показатели RF и SVM > 0,5 указывают на прогнозируемые взаимодействия РНК–белок. Сокращения: RF = случайный лес (random forest); SVM = метод опорных векторов (support vector machine).
Дополнительный файл 1. Биоинформатические скрипты и исходные экспериментальные данные. Данный архив содержит R-скрипты, использованные для обработки данных, анализа дифференциальной экспрессии, функционального обогащения, машинного обучения, анализа рабочих характеристик приемника (ROC-анализа), анализа обогащения наборов генов (GSEA), корреляционного анализа Спирмена и анализа инфильтрации иммунных клеток с помощью CIBERSORT, а также исходные данные экспериментов по определению уровня глюкозы в крови, микроальбумина в моче и результатов RT-qPCR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.