ST8SIA4作为候选诊断生物标志物：复发型多发性硬化症（RRMS）中的血液-脑脊液特征

《Multiple Sclerosis and Related Disorders》：ST8SIA4 as a Candidate Diagnostic Biomarker: Blood–Cerebrospinal Fluid Signature in RRMS

多发性硬化症（RRMS）患者PBMC中mRNA和miRNA表达差异及ST8SIA4生物标志物潜力分析。整合GEO和ArrayExpress数据库共614例PBMC数据，筛选出ATM、CREB1、ST8SIA4等差异基因及hsa-miR-19b-3p、hsa-miR-181c-5p等差异miRNA，通过蛋白互作和调控网络识别核心基因。验证发现ST8SIA4在CSF中同样高表达，ROC分析显示其诊断敏感度83.9%、特异度88%，为临床诊断提供新生物标志物候选。

　　

Tuba Denk?eken|Elif Onur

桑科大学（SANKO University），医学院，生物物理学系，土耳其加济安泰普（Gaziantep）

摘要

目的

:多发性硬化症（Multiple Sclerosis，MS）是一种慢性自身免疫性疾病，主要影响中枢神经系统，其特征是炎症、髓鞘脱失和轴突退化，其中复发缓解型多发性硬化症（Relapsing-Remitting MS，RRMS）是最常见的临床类型。本研究旨在探讨在RRMS患者的外周血单核细胞（Peripheral Blood Mononuclear Cells，PBMC）样本中差异表达的枢纽基因（hub-genes）和枢纽微小RNA（hub-miRNAs），并验证这些基因在脑脊液（Cerebrospinal Fluid，CSF）中的表达情况，以评估其潜在的临床诊断价值。

方法

所有关于RRMS在PBMC样本中的mRNA和miRNA表达谱分析数据均来自GEO和ArrayExpress数据库，通过倍数变化（fold change）确定了差异表达的mRNA（DEGs）和miRNA（DEMs）。进一步明确了DEGs和DEMs的调控模式，定义了它们的靶基因和共同基因簇，并应用了其他生物信息学方法。为了确认这些枢纽基因的生物学相关性及其作为临床可检测生物标志物的适用性，还在CSF样本中进行了外部验证。

结果

mRNA数据集包括228个对照组样本和209个RRMS患者样本，miRNA数据集包括93个对照组样本和84个RRMS患者样本。研究发现，ATM、CREB1、ST8SIA4、hsa-miR-19b-3p和hsa-miR-181c-5p在RRMS患者的PBMC样本中表达异常。通过ROC分析，ST8SIA4在区分RRMS患者和对照组时表现出83.9%的敏感性和88%的特异性，准确率为85.7%。

结论

ST8SIA4在RRMS患者的PBMC和CSF样本中的表达方向一致，具有较高的敏感性，能够有效区分RRMS组和对照组。因此，ST8SIA4作为一种新的生物标志物，具有与现有临床和实验室参数结合使用的潜力，有助于在临床检查中区分RRMS和对照组。

引言

多发性硬化症（MS）是一种慢性自身免疫性疾病，其确切病因尚不清楚，但已知受遗传和环境因素的共同影响（Frohman等人，2006年）。MS有四种不同的疾病进程，其中最常见的类型是复发缓解型多发性硬化症（RRMS）。目前尚无可用于确诊MS的实验室检测方法，也未明确识别出特定的遗传因素。早期诊断RRMS需要寻找潜在的治疗药物，并深入研究其遗传调控网络。

除了临床和表型特征外，现有技术还允许通过基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析来大规模收集患者数据。高通量微阵列和测序技术的发展使得GEO（Gene Expression Omnibus）和ArrayExpress等数据资源变得可用。微小RNA（miRNAs）是一类小型非编码寡核苷酸，通过抑制蛋白质翻译来负调控mRNA的表达（Ma和Weinberg，2008年）。它们在基因表达调控中起着重要作用，长度约为19-22个核苷酸，既存在于正常生理状态也存在于病理状态下。miRNAs与许多mRNA的3′非翻译区结合，从而抑制基因表达（Bartel，2009年）。这些相互作用对于理解与疾病相关的许多生物学过程至关重要（Cloonan，2015年）。

本研究综合分析了GEO和ArrayExpress数据库中所有与RRMS相关的mRNA和miRNA表达数据集。这些数据集使用了相同的或不同的GEO平台（GPLs），这些平台定义了每个微阵列实验中使用的探针集。我们下载了来自RRMS患者和健康对照组的PBMC样本的所有mRNA和miRNA表达数据，并进行了整合。据我们所知，很少有研究同时使用大规模数据来分析与RRMS相关的mRNA和miRNA表达。这种方法使得能够对大量患者和对照组样本进行详细分析，从而提高了统计功效并增强了研究结果的可靠性。在构建的调控网络和蛋白质-蛋白质相互作用网络中，枢纽基因和枢纽miRNAs被定义为高度连接的节点，它们表现出显著的差异表达和核心调控作用，表明其在RRMS中的潜在重要性。因此，识别这些枢纽基因和枢纽miRNAs对于理解疾病机制和发现潜在的生物标志物及治疗靶点至关重要。

数据收集与纳入标准

两项独立的研究人员通过双盲法对MS患者的大规模mRNA和miRNA表达谱数据进行了分析。在GEO和ArrayExpress数据库中，使用关键词“multiple sclerosis”进行搜索，将生物体设定为“Homo sapiens”，研究类型指定为“Expression profiling by array”。所筛选的数据集包括RRMS患者（活动期或稳定期）与健康对照组的比较信息，内容包括：i) 原始数据，ii) 基因符号和miRNA名称，iii) PBMC样本，iv) 未接受特殊治疗的患者

mRNA和miRNA数据集的识别

在审查GEO和ArrayExpress数据库中与RRMS相关的研究后，找到了两个GSE数据集（GSE21079：对照组37例，RRMS患者24例；GSE74579：对照组32例，RRMS患者48例）以及一个包含miRNA数据的ArrayExpress数据集（E-MTAB-359：对照组32例，RRMS患者12例）。此外，还找到了两个GSE数据集（GSE17048：对照组45例，RRMS患者36例；GSE41890：对照组24例，RRMS患者14例）和五个ArrayExpress数据集（E-MTAB-5151：对照组27例，RRMS患者21例；E-MTAB-11415：对照组40例，RRMS患者53例；E-MTAB-4890：对照组40例，RRMS患者52例；E-MTAB-380：对照组22例）

讨论

关于MS的发病机制仍有许多未解之谜，尤其是在其最常见的亚型RRMS的早期诊断生物标志物方面。在此研究中，我们利用了614份血液样本的转录组数据来识别RRMS中的枢纽基因和枢纽miRNAs，并在56份CSF样本中对外部验证了这些基因的诊断准确性。

ATM基因编码一种丝氨酸/苏氨酸激酶，在DNA损伤反应和氧化应激调控中起核心作用

结论

我们的研究结果表明，PBMC中的ST8SIA4高表达与RRMS相关，并且在CSF中也表现出类似趋势。虽然这种方法有助于减少不必要的腰椎穿刺，但仍需要通过临床应用来验证其诊断准确性。我们计划在未来的研究中使用qPCR和ELISA实验来验证这些生物信息学结果。

数据和材料的可用性

本研究生成或分析的数据可应要求向相应作者索取。

伦理批准

无需伦理批准

资助

本研究由TüB?TAK（土耳其科学研究与技术机构，Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Ara?t?rma Kurumu）资助，项目编号为223S246。

作者贡献声明

Tuba Denk?eken：概念构思、方法学设计、数据分析、撰写初稿。Elif Onur：方法学设计、数据整理、撰写初稿。

资助

本研究由TüB?TAK（土耳其科学研究与技术机构，Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Ara?t?rma Kurumu）资助，项目编号为223S246。

作者贡献声明

Tuba Denk?eken：撰写、审稿与编辑、撰写初稿、验证、软件开发、项目管理、方法学设计、数据分析、概念构思。Elif Onur：撰写初稿、方法学设计、数据整理。

利益冲突声明

作者声明以下可能的利益冲突：

Tuba DENKCEKEN表示获得了土耳其科学技术研究委员会的财政支持。如果存在其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。