Бронхиалды демікпе кезінде экспрессиясы өзгеретін микрорнқ-лардың нысана-гендерін биоинформатикалық талдау

ӘОЖ 577.21:616.248

БРОНХИАЛДЫ ДЕМІКПЕ КЕЗІНДЕ ЭКСПРЕССИЯСЫ ӨЗГЕРЕТІН МИКРОРНҚ-ЛАРДЫҢ НЫСАНА-ГЕНДЕРІН БИОИНФОРМАТИКАЛЫҚ ТАЛДАУ

Бахытова Г.Р.

Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің магистранты, Астана қ., Қазақстан

Ғылыми жетекші: Булгакова О.В.

Аңдатпа. Мақалада бронхиалды демікпе кезінде экспрессиясы өзгеретіні жарияланған микроРНҚ-лардың нысана-гендері мен олар реттейтін сигнал беру жолдары биоинформатикалық әдіспен талданды. Экспрессиясы жоғарылаған 9 және төмендеген 13 микроРНҚ тізімі MIENTURNET веб-қосымшасы арқылы TargetScan және miRTarBase дерекқорлары бойынша зерттелді, микроРНҚ–ген желілері құрылып, функционалдық байыту талдауы жүргізілді.

Экспрессиясы жоғарылаған микроРНҚ-лар үшін көптік салыстыруларға түзетуден кейін маңызды нысана-гендер анықталмады. Экспрессиясы төмендеген микроРНҚ-лар бойынша TargetScan дерекқорында 21 ген FDR < 0,05 шегінен өтті. Екі тізімнің де нысаналары IL-4/IL-13 сигнал беру жолында байытылды.

let-7 тобының IL13 генімен, ал miR-29a-3p пен miR-26a-5p-ның ДНҚ метилденуін реттейтін DNMT1, DNMT3B және EZH2 гендерімен байланысы анықталды. Нәтижелер микроРНҚ-лар мен ДНҚ метилденуі арасындағы өзара реттелудің демікпедегі қабынуға қатысуы мүмкін екенін көрсетеді және эксперименттік тексеруді қажет етеді.

Түйін сөздер: бронхиалды демікпе, микроРНҚ, эпигенетика, ДНҚ метилденуі, MIENTURNET, IL-13, let-7.

Аннотация. В статье проведён биоинформатический анализ генов-мишеней микроРНК, экспрессия которых изменяется при бронхиальной астме по данным опубликованных исследований. Списки из 9 микроРНК с повышенной и 13 микроРНК с пониженной экспрессией проанализированы в веб-приложении MIENTURNET по базам TargetScan и miRTarBase; построены сети микроРНК–ген и выполнен функциональный анализ обогащения. Для микроРНК с повышенной экспрессией значимых генов-мишеней после поправки на множественные сравнения не выявлено. Для микроРНК с пониженной экспрессией по TargetScan 21 ген прошёл порог FDR < 0,05. Мишени обоих списков обогащены в сигнальном пути IL-4/IL-13. Выявлены связи семейства let-7 с геном IL13, а также miR-29a-3p и miR-26a-5p с генами DNMT1, DNMT3B и EZH2, регулирующими метилирование ДНК. Полученные результаты требуют экспериментальной проверки.

Ключевые слова: бронхиальная астма, микроРНК, эпигенетика, метилирование ДНК, MIENTURNET, IL-13, let-7.

Abstract. This study presents a bioinformatic analysis of the target genes of microRNAs reported to be dysregulated in bronchial asthma. Lists of 9 upregulated and 13 downregulated microRNAs were analysed with the MIENTURNET web tool using TargetScan and miRTarBase; microRNA–gene networks were built and functional enrichment analysis was performed. No target genes of the upregulated microRNAs remained significant after correction for multiple testing. For the downregulated microRNAs, 21 genes passed the FDR < 0.05 threshold in TargetScan. Targets of both lists were enriched in IL-4/IL-13 signalling. Interactions of the let-7 family with IL13, and of miR-29a-3p and miR-26a-5p with the DNA methylation regulators DNMT1, DNMT3B and EZH2 were identified. These computational findings require experimental validation.

Keywords: bronchial asthma, microRNA, epigenetics, DNA methylation, MIENTURNET, IL-13, let-7.

Кіріспе

Бронхиалды демікпе – тыныс жолдарының созылмалы қабынуымен, гиперреактивтілігімен және ремоделденуімен сипатталатын гетерогенді ауру. Оның дамуында генетикалық бейімділікпен қатар қоршаған орта факторларының гендер экспрессиясына әсерін жүзеге асыратын эпигенетикалық механизмдер маңызды рөл атқарады [11]. Эпигенетикалық реттеудің негізгі деңгейлерінің бірі – микроРНҚ-лар, яғни нысана-гендердің матрицалық РНҚ-сына байланысып, олардың трансляциясын тежейтін кішкентай кодталмайтын РНҚ-лар.

Демікпе науқастарының бронх эпителийінде, қақырығында және қан сарысуында көптеген микроРНҚ-лардың экспрессиясы өзгеретіні көрсетілген [1–6]. Алайда бұл микроРНҚ-лардың қай гендер мен сигнал беру жолдарын бірлесіп реттейтіні толық анықталмаған. Әсіресе микроРНҚ-лар мен ДНҚ метилденуін реттейтін ферменттер арасындағы байланыс аз зерттелген.

Зерттеудің мақсаты – бронхиалды демікпе кезінде экспрессиясы өзгеретін микроРНҚ-лардың нысана-гендерін анықтап, олардың қабыну және эпигенетикалық реттеу жолдарымен байланысын биоинформатикалық әдіспен бағалау.

Материалдар мен әдістер

2012–2022 жылдары жарияланған зерттеулер негізінде демікпе кезінде экспрессиясы жоғарылаған 9 микроРНҚ (miR-1246, miR-142-3p, miR-144-3p, miR-199a-5p, miR-206, miR-223-3p, miR-26a-1-3p, miR-376a-3p, miR-629-3p) және бронх эпителийінде экспрессиясы төмендеген 13 микроРНҚ (let-7a/c/f/g/i-5p, miR-141-3p, miR-26a-5p, miR-29a-3p, miR-30a-5p, miR-34b-5p, miR-34c-5p, miR-449a, miR-449b-5p) тізімі құрастырылды [1–6]. МикроРНҚ атаулары miRBase дерекқоры бойынша тексерілді.

Талдау MIENTURNET веб-қосымшасында жүргізілді [7]. Болжамды өзара әрекеттесулер TargetScan, эксперименттік расталған өзара әрекеттесулер miRTarBase дерекқоры бойынша бағаланды. Әр геннің тізімдегі микроРНҚ-лардың нысанасы болу жиілігі гипергеометриялық тест арқылы есептеліп, p-мәндері Бенджамини–Хохберг әдісімен түзетілді (FDR). Кемінде екі микроРНҚ-ның нысанасы болған гендер қарастырылды. МикроРНҚ–ген желілері MIENTURNET-те құрылды. miRTarBase нысаналары бойынша KEGG, Reactome, WikiPathways және Disease Ontology дерекқорларында функционалдық байыту талдауы орындалып, кемінде 2 генге негізделген және p < 0,05 болатын жолдар іріктелді.

Нәтижелер және талқылау

Экспрессиясы жоғарылаған микроРНҚ-лар. TargetScan бойынша кемінде екі микроРНҚ-ның нысанасы болған 516 ген, miRTarBase бойынша 132 ген анықталды. Көптік салыстыруларға түзетуден кейін бірде-бір ген FDR < 0,05 шегінен өтпеді (ең төменгі FDR мәні сәйкесінше 0,371 және 0,103). Сондықтан бұл тізім бойынша нәтижелер тек болжамдық сипатта қарастырылды. Функционалдық байыту талдауында miR-223-3p нысаналары (IL6, FOXO1, ZEB1, LIF, HSP90B1) Reactome дерекқорының «Interleukin-4 and Interleukin-13 signaling» жолында байытылды (p = 6,36×10⁻⁸).

Экспрессиясы төмендеген микроРНҚ-лар. TargetScan бойынша 1517 ген анықталып, олардың 21-і FDR < 0,05 шегінен өтті. Олардың арасында T-жасушалардың костимуляторы ICOS және жасушадан тыс матрикс компоненті COL11A1 бар.

1-суретте тізімдегі алты микроРНҚ-ның бесеуіне ортақ нысана болған 18 геннің желісі көрсетілген. Бұл гендердің ішінде ДНҚ деметилденуін жүргізетін TET3 ферменті бар.

Сурет 1 – Экспрессиясы төмендеген микроРНҚ-лардың ортақ нысаналарынан құралған микроРНҚ–ген желісі (TargetScan; MIENTURNET). Көк – микроРНҚ-лар, сары – нысана-гендер

miRTarBase бойынша 708 ген анықталып, олардың 575-і FDR < 0,05 шегінен өтті. Бұл санды сақтықпен түсіндіру қажет: дерекқорда тұқымдас let-7 тобының бес мүшесі мен miR-34c/449 тобы бөлек есептелетіндіктен, байыту маңыздылығы асыра бағалануы мүмкін. Демікпе патогенезімен байланысты негізгі нысана-гендер 1-кестеде келтірілген.

Кесте 1 – Экспрессиясы төмендеген микроРНҚ-лардың демікпемен байланысты нысана-гендері (miRTarBase)

Функционалдық байыту талдауында 13 микроРНҚ-ның 10-ы үшін нәтиже алынды. Reactome дерекқорының «Interleukin-4 and Interleukin-13 signaling» жолы олардың 8-і үшін байытылды (2-сурет). Ең күшті байыту miR-29a-3p (7 ген; p = 7,30×10⁻⁸) және let-7f-5p (IL13, IL6, SOCS3, CCND1; p = 1,79×10⁻⁶) үшін анықталды. KEGG бойынша let-7 тобы мен miR-29a-3p нысаналары JAK-STAT, IL-17 және TNF сигнал беру жолдарында, WikiPathways бойынша IL-5 және TSLP жолдарында байытылды.

Сурет 2 — Экспрессиясы төмендеген микроРНҚ-лардың нысаналарының функционалдық байыту нәтижелері: а) KEGG; б) Reactome (MIENTURNET, miRTarBase)

Алынған нәтижелердің ең маңыздысы – екі тізімнің де нысаналары IL-4/IL-13 сигнал беру жолында шоғырлануы. let-7 тобының IL13 генімен расталған өзара әрекеттесуі бұрынғы эксперименттік деректермен сәйкес келеді: let-7 мимигі тышқан моделінде IL-13 деңгейі мен аллергиялық қабынуды төмендеткен [8], ал демікпе науқастарының бронх эпителийінде let-7 экспрессиясы төмендеген [1]. Демек, let-7 тобының төмендеуі IL-13 сигналының күшеюіне ықпал етуі мүмкін.

Эпигенетикалық тұрғыдан miR-29a-3p нысаналарының «DNA methylation» (p = 0,0206) және «SUMOylation of DNA methylation proteins» (p = 0,00154) жолдарында, ал miR-26a-5p нысаналарының «PRC2 methylates histones and DNA» жолында (p = 0,0125) байытылуы назар аудартады. miR-29 тобының ДНҚ метилтрансферазаларын тікелей тежейтіні бұрын көрсетілген [9]. Сонымен қатар TET3 жеткіліксіздігі тыныс жолдарының қабынуымен байланысты екені сипатталған [10]. Бұл деректер бронх эпителийінде miR-29a-3p мен miR-26a-5p деңгейінің төмендеуі ДНҚ метилденуінің өзгеруіне әкелуі мүмкін деген гипотезаны ұсынуға мүмкіндік береді.

Зерттеудің шектеулері бар. Біріншіден, нәтижелер тек есептеу әдісімен алынған. Екіншіден, miRTarBase өзара әрекеттесулерінің көбі демікпеге қатысы жоқ жасушалық модельдерде расталған. Үшіншіден, функционалдық байыту көп жағдайда 2–5 генге негізделген.

Қорытынды

Бронхиалды демікпе кезінде экспрессиясы төмендеген микроРНҚ-лардың нысана-гендері жоғарылаған микроРНҚ-ларға қарағанда статистикалық тұрғыдан күштірек байытылған. Екі тізімнің де нысаналары 2-типті қабынудың IL-4/IL-13 сигнал беру жолында шоғырланған. let-7–IL13 осі және miR-29a-3p/miR-26a-5p–DNMT/TET байланыстары демікпедегі қабыну мен ДНҚ метилденуінің өзара реттелуін зерттеуге арналған перспективалы нысана болып табылады. Бұл болжамдарды демікпе науқастарының үлгілерінде эксперименттік тексеру қажет.

Әдебиеттер тізімі

1. Solberg O.D., Ostrin E.J., Love M.I., et al. Airway epithelial miRNA expression is altered in asthma // Am J Respir Crit Care Med. – 2012. – DOI: 10.1164/rccm.201201-0027OC.

2. Maes T., Cobos F.A., Schleich F., et al. Asthma inflammatory phenotypes show differential microRNA expression in sputum // J Allergy Clin Immunol. – 2016. – Vol. 137, No. 5. – P. 1433–1446. – DOI: 10.1016/j.jaci.2016.02.018.

3. Rodrigo-Muñoz J.M., Gil-Martínez M., Lorente-Sorolla C., et al. miR-144-3p is a biomarker related to severe corticosteroid-dependent asthma // Front Immunol. – 2022. – Vol. 13. – Art. 858722. – DOI: 10.3389/fimmu.2022.858722.

4. Huang Y., Zhang S., Fang X., et al. Plasma miR-199a-5p is increased in neutrophilic phenotype asthma patients and negatively correlated with pulmonary function // PLoS ONE. – 2018. – Vol. 13, No. 3. – Art. e0193502. – DOI: 10.1371/journal.pone.0193502.

5. Zhang K., Feng Y., Liang Y., et al. Epithelial miR-206 targets CD39/extracellular ATP to upregulate airway IL-25 and TSLP in type 2-high asthma // JCI Insight. – 2021. – DOI: 10.1172/jci.insight.148103.

6. Gil-Martínez M., Rodrigo-Muñoz J.M., Sastre B., et al. Serum microRNAs catalog asthma patients by phenotype // J Investig Allergol Clin Immunol. – 2022. – Vol. 32, No. 6. – P. 471–478. – DOI: 10.18176/jiaci.0753.

7. Licursi V., Conte F., Fiscon G., Paci P. MIENTURNET: an interactive web tool for microRNA-target enrichment and network-based analysis // BMC Bioinformatics. – 2019. – Vol. 20. – Art. 545. – DOI: 10.1186/s12859-019-3105-x.

8. Kumar M., Ahmad T., Sharma A., et al. Let-7 microRNA-mediated regulation of IL-13 and allergic airway inflammation // J Allergy Clin Immunol. – 2011. – Vol. 128, No. 5. – P. 1077–1085. – DOI: 10.1016/j.jaci.2011.04.034.

9. Fabbri M., Garzon R., Cimmino A., et al. MicroRNA-29 family reverts aberrant methylation in lung cancer by targeting DNA methyltransferases 3A and 3B // Proc Natl Acad Sci USA. – 2007. – Vol. 104, No. 40. – P. 15805–15810. – DOI: 10.1073/pnas.0707628104.

10. Wu F., Li X., Looso M., et al. Spurious transcription causing innate immune responses is prevented by 5-hydroxymethylcytosine // Nature Genetics. – 2023. – Vol. 55, No. 1. – P. 100–111. – DOI: 10.1038/s41588-022-01252-3.

11. Ntontsi P., Photiades A., Zervas E., Xanthou G., Samitas K. Genetics and epigenetics in asthma // Int J Mol Sci. – 2021. – Vol. 22, No. 5. – Art. 2412. – DOI: 10.3390/ijms22052412.

12. Siddiqui S., Johansson K., Joo A., et al. Epithelial miR-141 regulates IL-13-induced airway mucus production // JCI Insight. – 2021. – Vol. 6, No. 5. – Art. e139019. – DOI: 10.1172/jci.insight.139019.

13. Contoli M., Message S.D., Laza-Stanca V., et al. Role of deficient type III interferon-lambda production in asthma exacerbations // Nature Medicine. – 2006. – Vol. 12, No. 9. – P. 1023–1026. – DOI: 10.1038/nm1462.

14. Zhang B., Feng X., Tian L., et al. Epithelial-mesenchymal transition in asthma: its role and underlying regulatory mechanisms // Front Immunol. – 2025. – Vol. 16. – Art. 1519998. – DOI: 10.3389/fimmu.2025.1519998.