Transcriptome analysis of skeletal muscle in dermatomyositis, polymyositis, and dysferlinopathy, using a bioinformatics approach

Abstract

Background: Polymyositis (PM) and dermatomyositis (DM) are distinct subgroups of idiopathic inflammatory myopathies. Dysferlinopathy, caused by a dysferlin gene mutation, usually presents in late adolescence with muscle weakness; the degenerative muscle changes are often accompanied by inflammatory infiltrates, frequently resulting in misdiagnosis as PM. Objective: To identify differential biological pathways and hub genes related to PM, DM, and dysferlinopathy by using bioinformatics analysis, in order to understand their pathomechanisms and obtain guidance for therapy development. Methods: We performed ribonucleic acid sequencing for vastus lateralis muscle biopsy samples from 7 patients with DM, 8 patients with PM, 8 patients with dysferlinopathy, and 5 control participants. Differentially expressed genes (DEGs) were identified using DESeq2. Enrichment analyses were performed to understand the functions and enriched pathways of DEGs. A protein–protein interaction (PPI) network was constructed, and gene clusters were identified using the molecular complex detection tool (MCODE) to identify hub genes. Results: A total of 1048, 179, and 3807 DEGs were detected in DM, PM, and dysferlinopathy, respectively. Enrichment analyses revealed that upregulated DEGs were involved in the type 1 interferon signaling pathway in DM, antigen processing and peptide antigen presentation in PM, and the cellular response to stimuli in dysferlinopathy. The PPI network and MCODE cluster identified 23 genes (IFI6, IFI27, IFI35, IFIT1, IFIT2, IFIT3, IFIT5, IFITM1, IFITM3, IRF1, MX1, MX2, OAS1, OAS2, OAS3, HLA-A, HLA-B, HLA-C, STAT2, PSMB8, SAMHD1, XAF1, and RSAD2) related to the type 1 interferon signaling pathway in DM, 4 genes (PDIA3, HLA-C, B2M, and TAP1) related to major histocompatibility complex class I formation and quality control in PM, and 7 genes (HSPA9, RPTOR, MTOR, LAMTOR1, LAMTOR5, ATP6V0D1, and ATP6V0B) related to the cellular response to stress in dysferlinopathy. Conclusion: Intramuscular transcriptome analysis using a bioinformatics approach identified overexpression of genes related to the IFN1 signaling pathway in DM and overexpression of genes related to MHC-I formation and quality control in PM. In dysferlinopathy, overexpression of HSPA9 and the mammalian target of rapamycin (mTOR) complex 1 signaling pathway genes was detected. These results may provide new directions for future research on their pathogenesis and treatment.

연구배경: 피부근염과 다발근염은 특발성 염증성 근육병의 구분되는 질환이다. 디스펄린근육병은 디스펄린 유전자 돌연변이에 의해 발생하며 일반적으로 청소년기 후반에 근력 약화를 보이게 된다. 퇴행성 근육 변화는 종종 염증 침윤을 동반하여 다발근염으로 오진하기도 한다. 연구목적: 생물정보학 접근법을 이용하여 피부근염, 다발근염 및 디스펄린근육병과 관련된 주요 생물학적 경로 및 유전자를 식별함으로써 각 질환의 병리를 이해하고 치료 개발을 위한 지침을 얻고자 한다. 연구방법: 피부근염 환자 7명, 다발근염 환자 8명, 디스펄린근육병 환자 8명, 대조군 5명의 가쪽넓은근육 생검 조직에 대해 리보핵산 시퀀싱(sequencing)을 수행하였다. 각 환자군에서 차별적으로 발현된 유전자는 DESeq2를 사용하여 확인하였다. 차별적으로 발현된 유전자들의 기능과 관여하는 생물학적 경로를 확인하기 위해 증폭 분석(enrichment analysis)을 수행하였다. 네트워크 분석을 위해서 단백질-단백질 상호작용 방법을 이용하였고, 질병과 관련된 주요 유전자를 확인하기 위해 molecular complex detection tool (MCODE)를 사용하였다. 연구결과: 피부근염, 다발근염, 디스펄린근육병에서 각각 총 1048, 179, 3807개의 차별적으로 발현된 유전자가 발견되었다. 유전자 증폭 분석을 통해 각 질환에서 발현이 증가한 유전자들이 관련된 생물학적 경로를 확인하였다. 피부근염에서는 1형 인터페론 신호전달 경로, 다발근염에서는 항원 처리 및 펩타이드 항원 제시, 디스펄린근육병에서는 자극에 대한 세포반응이 주요 생물학적 경로임을 확인하였다. 단백질-단백질 상호작용 및 MCODE 알고리즘을 이용한 네트워크 분석 결과 각 질환에서 발현이 증가한 주요 유전자들을 확인하였다. 피부근염에서는 1형 인터페론 신호전달 경로와 관련한 23개의 유전자(IFI6, IFI27, IFI35, IFIT1, IFIT2, IFIT3, IFIT5, IFITM1, IFITM3, IRF1, MX1, MX2, OAS1, OAS2, OAS3, HLA-A, HLA-B, HLA-C, STAT2, PSMB8, SAMHD1, XAF1, and RSAD2), 다발근염에서는 1형 주조직 적합성 복합체 (MHC class I)의 형성과 조절에 관여하는 4개의 유전자(PDIA3, HLA-C, B2M, and TAP1), 디스펄린근육병에서는 스트레스에 대한 세포 반응에 관여하는 7개의 유전자(HSPA9, RPTOR, MTOR, LAMTOR1, LAMTOR5, ATP6V0D1, and ATP6V0B) 가 주요 유전자로 발견되었다. 결론: 생물정보학 접근법을 이용한 근육내 전사체 분석 연구를 통해 피부근염에서 1형 인터페론 신호 전달과 관련한 유전자의 과발현과 다발근염에서 1형 주조직 적합성 복합체와 관련한 유전자들의 과발현을 확인하였다. 디스펄린근육병에서는 HSPA9 및 mammalian target of rapamycin complex 1(mTORC1) 신호 전달과 관련한 유전자들을 발견하였다. 본 연구 결과는 병인 및 치료에 대한 향후 연구에 새로운 방향을 제시할 수 있다.