Identificación de genes relacionados con el estrés del RE expresados ​​diferencialmente y su asociación con la hipertensión arterial pulmonar

Resumen

Antecedentes

La hipertensión arterial pulmonar (HAP) es una enfermedad compleja y progresiva que tiene un origen multifacético, tasas de mortalidad significativas y profundos efectos sobre la salud. La patogenia de la HAP está mal definida debido a la comprensión insuficiente del impacto combinado del estrés del retículo endoplasmático (RE) y la infiltración inmunitaria, que desempeñan papeles vitales en el desarrollo de la HAP. Este estudio tiene como objetivo identificar posibles biomarcadores relacionados con el estrés del RE en la HAP e investigar su participación en la infiltración inmunitaria.

Métodos

La base de datos GEO se utilizó para descargar los perfiles de expresión génica. Los genes asociados con el estrés del RE se obtuvieron de la base de datos MSigDB. Se utilizaron análisis de red de coexpresión génica ponderada (WGCNA), GO, KEGG e interacción proteína-proteína (PPI) para realizar la detección de genes centrales y explorar posibles mecanismos moleculares. Además, la investigación también profundizó en la presencia de células inmunes en los tejidos de HAP y la correlación entre los genes centrales y el sistema inmunológico. Finalmente, validamos el valor diagnóstico y los niveles de expresión de los genes centrales en HAP utilizando curvas de caracterización de estudio de sujetos y PCR cuantitativa en tiempo real.

Resultados

En los grupos de HAP y de control, se encontró que un total de 31 genes relacionados con el estrés del RE se expresaban de manera diferencial. El análisis de enriquecimiento reveló que estos genes se enriquecieron principalmente en la reacción al estrés en el retículo endoplasmático, lidiando con proteínas desplegadas, transportando proteínas y procesando proteínas dentro del retículo endoplasmático. EIF2S1, NPLOC4, SEC61B, SYVN1 y DERL1 se identificaron como los 5 genes centrales principales en la red PPI. El análisis de infiltración inmunitaria reveló que estos genes centrales estaban estrechamente relacionados con las células inmunitarias. Las curvas de características operativas del receptor (ROC) revelaron que los genes centrales exhibieron una excelente eficacia diagnóstica para HAP. Los niveles de expresión de SEC61B, NPLOC4 y EIF2S1 concordaron con los hallazgos del análisis bioinformático en el grupo de HAP.

Conclusiones

Los biomarcadores potenciales que podrían utilizarse son SEC61B, NPLOC4 y EIF2S1, como se identificó en este estudio. La infiltración de células inmunitarias fue crucial para el desarrollo y avance de la HAP. Este estudio proporcionó nuevos objetivos terapéuticos potenciales para la HAP.

Introducción

La HAP, también conocida como hipertensión arterial pulmonar, es una enfermedad compleja y potencialmente mortal que involucra varios factores que conducen a un aumento de la presión en las arterias de los pulmones, afectando en última instancia al ventrículo derecho (1). El desarrollo de la HAP implica una combinación de predisposiciones genéticas e influencias ambientales. La interacción entre el estrés del retículo endoplasmático (RE) y la inflamación sistémica es central para la patogenia de la HAP. El estrés del RE, a menudo desencadenado por el plegamiento incorrecto y la acumulación de proteínas dentro del RE, activa la respuesta de proteína desplegada (UPR). Esta respuesta, aunque inicialmente protectora, puede volverse inadaptada, liberando citocinas inflamatorias que contribuyen a la lesión vascular y exacerbando el estrés del RE al abrumar la capacidad de plegamiento del RE, perpetuando así un ciclo de daño. Este ciclo de retroalimentación es crucial para impulsar los cambios fisiopatológicos observados en la HAP, incluido el desarrollo de lesiones neointimales y lesiones plexiformes, características distintivas de la HAP avanzada (2,3,4). Numerosos mecanismos potenciales propuestos involucran el mal funcionamiento de las células endoteliales en los vasos sanguíneos pulmonares, mutaciones genéticas, inflamación, reacciones inmunes, remodelación de los vasos sanguíneos, formación de coágulos sanguíneos, anormalidades en los canales iónicos y factores adicionales (3,4,5,6,7). La terapia básica y la terapia farmacológica dirigida son los principales enfoques utilizados para tratar la hipertensión arterial pulmonar (HAP) en la actualidad. Aunque estos tratamientos pueden aliviar eficazmente los síntomas clínicos de los pacientes, no tienen la capacidad de detener la progresión de la enfermedad ni de reducir sustancialmente las tasas de mortalidad (8, 9Se necesitan más investigaciones sobre los mecanismos y biomarcadores para permitir un diagnóstico temprano y tratamientos más efectivos.

La respuesta al estrés del retículo endoplasmático (RE) se caracteriza por el inicio de vías de señalización, incluida la respuesta a la proteína desplegada (UPR), la respuesta a la sobrecarga del RE y la vía de apoptosis mediada por la caspasa-12 en respuesta a la alteración del plegamiento de proteínas, la acumulación de proteínas mal plegadas, el desequilibrio de iones de calcio y los niveles de calcio dentro del RE. Esta respuesta puede dar lugar a resultados citoprotectores, daño celular o apoptosis (10, 11). Según investigaciones recientes, el estrés del RE también está ampliamente implicado en el cáncer, los trastornos cardiovasculares, la diabetes y varias otras enfermedades (12,13,14). El estrés del RE es un factor prevalente en la HAP y existen evidencias que indican su participación en la proliferación de células musculares lisas en la arteria pulmonar (PASMC) y en la intensificación de la respuesta inflamatoria. El crecimiento anormal y la resistencia a la muerte celular de las PASMC desempeñan un papel crucial en los cambios patológicos de los vasos sanguíneos observados en la HAP (15). Terapéuticamente, la focalización del estrés del RE representa un enfoque innovador para el tratamiento clínico de la HAP. La investigación muestra que el 4-fenilbutirato y chaperonas químicas similares pueden aliviar el estrés del RE y potencialmente tratar la HAP en modelos animales. Esto se logra inhibiendo la proliferación de PASMC, promoviendo la apoptosis y disminuyendo la expresión de factores relacionados con el estrés del RE (dieciséis). Sin embargo, aún no se han realizado pruebas clínicas. Sin embargo, estos resultados preliminares sugieren que la disminución del estrés del RE puede ofrecer un enfoque esperanzador para el tratamiento de la HAP.

Se han confirmado niveles elevados de diversas citocinas, quimiocinas y autoanticuerpos en modelos animales de HAP y en pacientes con HAP. Es importante destacar que el grado de inflamación perivascular en los pulmones en la HAP está asociado con la hemodinámica pulmonar, la remodelación de los vasos sanguíneos y los resultados clínicos (17). Un estudio reciente que utilizó un análisis de citometría de flujo computacional imparcial de los pulmones en individuos con HAP idiopática y donantes sanos reveló que se puede mejorar el reclutamiento de macrófagos (18). Los niveles elevados de proteína C reactiva aumentan la proliferación de células musculares lisas en las arterias pulmonares, desencadenan la secreción de endotelina, disminuyen la producción de óxido nítrico y empeoran la remodelación vascular. Además, la proteína C reactiva estimula aún más las respuestas inflamatorias, lo que da lugar a la secreción de agentes inflamatorios adicionales y empeora el estado de las personas con HAP (19). Aunque el papel del estrés del RE y las respuestas inmunes en el desarrollo de la HAP es bien conocido, todavía hay una falta de investigación sobre su impacto sinérgico, lo que requiere más investigación.

Para esta investigación, utilizamos métodos bioinformáticos para examinar los datos de chips obtenidos de la base de datos GEO. Nuestro objetivo era identificar los genes centrales que se expresan de forma diferencial y se asocian con el estrés del RE en la HAP. Además, exploramos las funciones del estrés del retículo endoplásmico y la infiltración del sistema inmunitario en la HAP. Los resultados de nuestro estudio indican posibles indicadores y objetivos de tratamiento para la HAP.

Materiales y métodos

Adquisición de datos

El conjunto de datos GSE113439 basado en la plataforma GPL6244 se descargó de la base de datos del Centro Nacional de Información Biotecnológica (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) para su posterior análisis. El conjunto de datos incluía datos del transcriptoma del tejido pulmonar de 15 pacientes con HAP y 11 grupos de control normales.

Detección de genes con expresión diferencial

Se empleó el paquete de software Limma (versión 3.58.1) para identificar genes expresados ​​diferencialmente (GED) entre el grupo de HAP y el grupo de control. Los GED con un cambio de pliegue logarítmico absoluto mayor que 0,585 y un valor p menor que 0,05 se consideraron estadísticamente significativos. Se utilizaron los paquetes “ggplot2” y “pheatmap” para representar gráficamente volcanes y mapas de calor de los GED.

Análisis de red de coexpresión genética ponderada (WGCNA)

Las redes de coexpresión génica se construyeron utilizando el paquete R 'WGCNA' utilizando la base de datos fusionada. Inicialmente, se empleó el software R para calcular un umbral de potencia suave β, que luego se aplicó para aumentar la similitud de coexpresión para determinar el grado de vecindad. A continuación, se empleó la técnica de agrupamiento jerárquico vinculado a la media para agrupar los genes que exhiben patrones comparables en módulos indistinguibles. Para la fusión de módulos, empleamos un umbral de 0,25, asegurando que cada módulo comprendiera un mínimo de 30 genes. Los módulos asociados con la forma clínica se identificaron utilizando correlaciones entre las ramas del árbol de agrupamiento y varios fenotipos de color. Los rasgos clínicos de los módulos se calcularon utilizando la significación genética (GS) y la pertenencia al módulo (MM). En conclusión, se realizó un examen de los módulos centrales que exhibieron una fuerte correlación con las características clínicas.

Identificación de DEG relacionados con el estrés del RE (ER-DEG)

Los genes asociados con el estrés del RE (respuesta de GOBP al estrés del retículo endoplasmático y regulación de GOBP del estrés del retículo endoplasmático) se adquirieron de la base de datos de firmas moleculares v7.0 (MSigDB). El paquete de software VennDiagram se utilizó para obtener los ER-DEG vinculados a la HAP mediante la intersección de todos los DEG, genes relacionados con el RE y genes del módulo central. Se utilizó clusterProfiler (versión 4.10.0) para realizar análisis de enriquecimiento de las vías GO y KEGG, y las entradas con un valor P inferior a 0,05 se consideraron estadísticamente significativas.

Identificación y análisis de correlación de genes hub

Los genes superpuestos se cargaron en la base de datos STRING para realizar el análisis PPI, donde el puntaje mínimo de interacción se estableció en 0,4. La visualización se realizó con Cytoscape 3.9.1,…

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