Characterization and evaluation of the gene expression profile for nontuberculous mycobacterial pulmonary disease

Abstract

Background: Nontuberculous mycobacteria (NTM) are environmental organisms that primarily cause pulmonary disease (PD). The incidence of NTM-PD is increasing globally; however, the current diagnosis and treatment methods are far from optimal. We performed ribonucleic acid (RNA) sequencing to explore gene expression profiles and identify potential biomarkers in individuals with NTM-PD. Methods: We collected peripheral blood samples from individuals with NTM-PD and healthy controls at a tertiary referral center in South Korea. Additional samples were obtained from the case group after the completion of NTM treatment. RNA sequencing was performed on the samples, and differentially expressed genes were identified and subjected to functional enrichment analysis. We employed immune cell deconvolution techniques to quantitatively analyze the cellular composition of 22 types of immune cells. Results: We enrolled 26 participants with NTM-PD (median age, 58.0 years; 84.6% female; Mycobacterium avium complex, 76.9%) and 22 healthy controls (median age, 58.5 years; 90.9% female). We identified 21 upregulated and 44 downregulated differentially expressed genes in the case group compared to the control group. Gene ontology and pathway enrichment analyses showed that the upregulated genes were related to autophagy in individuals with NTM-PD. According to the immune cell deconvolution analysis, neutrophils were the most common immune cells in both groups, accounting for 7.0% (interquartile range [IQR], 5.4%–9.2%) in the NTM-PD group and 6.6% (IQR, 5.5%–8.7%; P = 0.644) in the control group. The proportions of other immune cell types were also similar between the two groups (P > 0.05 for all). The PARK2 gene, which is linked to the ubiquitination pathway, was downregulated in the study group (fold change, –1.314, P = 0.047). The expression levels of the PARK2 gene remained unaltered in the five samples collected after microbiologic cure, suggesting that the PARK2 gene is associated with host susceptibility rather than the outcomes of infection or inflammation. The expression levels of the PARK2 gene showed promise as a potential diagnostic biomarker with an area under the receiver operating characteristic curve of 0.813 (95% confidence interval, 0.694–0.932). Conclusion: This study identified genetic signatures associated with NTM-PD infection in a cohort of Korean patients. The downregulation of the PARK2 gene in individuals with NTM-PD could provide an opportunity for the development of biomarkers, making it a potential candidate gene for diagnosis. 배경: 비결핵 항산균은 주로 폐 질환을 일으키는 환경 균주이다. 비결핵 항산균 폐질환의 발생률은 전 세계적으로 증가하고 있으나 현재의 진단 및 치료는 한계점이 많다. 본 연구에서는 비결핵 항산균 폐질환 환자에서 유전자 발현 특성을 탐색하고 잠재적 바이오 마커를 식별하기 위해 RNA 서열 분석을 수행하였다. 방법: 우리는 대한민국의 3차 의료기관에서 비결핵 항산균 폐질환 환자와 건강한 대조군의 말초 혈액 표본을 수집하였다. 비결핵 항산균 환자군에서는 치료가 완료된 후에 추가 혈액 표본을 수집하였다. 수집한 표본에서 RNA 서열 분석을 수행하였으며, 발현량이 차이나는 유전자(differentially expressed gene)를 식별하였다. 또한 면역 세포 디콘볼루션(immune cell deconvolution)을 활용하여 22종류의 면역 세포의 구성을 정량적으로 분석하였다. 결과: 비결핵 항산균 폐질환 환자 26명(나이 중앙값, 58.0세; 여성, 84.6%; M. avium complex, 76.9%)과 건강한 대조군 22명(나이 중앙값, 58.5세; 여성, 90.9%)을 모집하였다. 대조군에 비해 비결핵 항산균 폐질환군에서 발현량이 증가한 21개의 유전자와 발현량이 감소한 44개의 유전자를 식별하였다. 온톨로지(ontology) 및 기능 강화 분석(functional enrichment analysis)결과 대조군에 비해 비결핵 항산균 폐질환 환자군에서 자가 포식(autophagy)과 관련된 유전자의 상승을 확인하였다. 면역 세포 디콘볼루션 결과에 따르면, 양 그룹 모두에서 중성구(neutrophil)의 비율이 가장 높았다. (비결핵 항산균 그룹 7.0%, 대조군 6.6%, P = 0.644) 다른 면역 세포 유형의 비율도 두 그룹 간에 유사하였다. (P > 0.05 for all) PARK2는 유비퀴티네이션(ubiquitination)과 관련되어 있는 유전자로 비결핵 항산균 폐질환 환자군에서 발현량이 감소하였고 (Fold change –1.314, P = 0.047), 임상적으로 성공적 치료(microbiologic cure)를 마친 다섯 개의 혈액 표본에서도 그 발현량이 비슷하였다. PARK2 유전자가 감염이나 염증에 의한 결과라기 보다는 숙주의 감수성 (host susceptibility)와 관련이 있다는 것을 시사한다. PARK2 유전자의 발현 수준은 수신자 운영 특성 곡선의 면적(area under the receiver operating characteristic curve)이 0.813으로 (95% 신뢰구간 0.694—0.932) 진단의 바이오 마커로서 잠재력을 보였다. 결론: 이 연구는 한국의 비결핵 항산균 폐질환 환자의 유전적 특성을 탐색하였다. 비결핵 항산균 폐질환 환자에서 PARK2 유전자의 발현량 저하는 비결핵 항산균 폐질환의 진단을 위한 후보 유전자로서 바이오 마커 개발 기회를 제공할 수 있을 것이다.