Analysis of biological pathways in elderly with asthma

Abstract

Background: Elderly asthma (EA) shows characteristics different from those of conventional asthma. EA is increasing but its specific pathogenesis remains unclear. Currently, systems biology is widely used in biological research because of the rapid advancement of high-throughput technologies. This study aimed to identify EA-related biological pathways by analyzing genome-wide gene expression profiles in sputum cells using systems biology techniques.

Methods: We analyzed gene expression profiles in induced sputum of EA patients and healthy elderly controls. A total of 3,156 gene probes with significantly different expressions between the two groups were identified. We performed hierarchical clustering of genes to classify EA patients. Gene set enrichment analysis (GSEA) and weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) were both performed to provide biological information. We also replicated our results using public gene expression data available from Gene Expression Omnibus.

Results: Fifty-five EA patients and ten elderly control subjects were enrolled. Two distinct gene clusters were found. Cluster 1 (n=35) showed a lower eosinophil proportion in sputum and less severe airway obstruction compared to cluster 2 (n=20). The replication data set also identified two gene clusters (Cluster 1` and Cluster 2`). We found five gene sets enriched in cluster 1 and three gene sets enriched in cluster 2. Among these, we confirmed that two gene sets were significantly enriched in the replication data set (OXIDATIVE_PHOSPHORYLATION (OXPHOS) gene set in Cluster 1` and EPITHELIAL_MESENCHYMAL_TRANSITION (EMT) gene set in Cluster 2`). These were also enriched in a subgroup analysis that consisted of individuals who had never smoked. We also found four leading edge genes (MRPS11, HSPA9, NUDF4, and ACTA1) in the OXPHOS gene set and two (SNTB1 and FUCA1) in the EMT gene set. WGCNA revealed four modules in cluster 1 and 18 modules in cluster 2. The brown module of cluster 1 and the magenta module of cluster 2were correlated with FEV1/FVC ratio in EA patients. These two modules were also replicated using the replication data set.

Conclusion: The findings of two distinct gene clusters in EA and different biological pathways within each gene cluster suggest two different pathogenic mechanisms underlying EA. We postulate that oxidative stress and cellular senescence-associated with aging may be important in the development or progress of EA, and these could be an important development for effectively treating EA.

서론: 노인 천식은 전형적인 천식과는 다른 특징을 가지고 있다. 노인 천식의 유병율은 지속적으로 증가하고 있으나 그 병리 기전은 불분명하다. 본 연구는 객담에서 추출한 유전자 발현을 최근의 새로운 방법론을 이용하여 분석하고 이를 통하여 노인 천식과 관련된 생물학적 경로를 규명하고자 한다.

방법: 노인 천식 환자와 정상 대조군의 유도 객담에서 유전자 발현을 분석하였다. 두 군 간 차별 발현되는 3156개의 유전자 프로브를 확인하고 이를 이용하여 계층 클러스터링을 시행하여 노인 천식 환자를 두 클러스터 (Cluster) 로 구분하였다. Gene set enrichment analysis (GSEA)과 Weighted gene co-expression network analysis (WGCNA)를 통하여 유전자 발현을 분석하였고 노인 천식의 새로운 생물학적 경로를 확인하였다. 또한 Gene Expression Omnibus (GEO) 에 공개된 유전자 정보를 이용하여 이러한 결과를 재확인하였다.

결과: 55명의 노인 천식 환자와 10명의 정상 노인 대조군이 연구에 참여하였다. 클러스터 분석을 통하여 뚜렷한 두개의 군집이 확인되었다. 35명의 환자로 구성된 첫번째 군집 (Cluster 1)은 20명의 환자로 구성된 두번째 군집 (Cluster 2)에 비하여 객담 호산구 분율이 낮고 기도 폐색이 경미한 특징을 보였다. GEO에 공개된 유전자 정보를 이용하여 클러스터 분석을 시행하였을 때 역시 두개의 군집이 확인되었다 (Cluster 1`와 Cluster 2`). GSEA 를 시행하여 Cluster 1에서 5개의 유전자 세트와 Cluster 2에서 3개의 유전자 세트의 발현이 증가하여 있음을 확인하였다. GEO에서 공개된 유전자 정보를 이용하여 같은 방법으로 분석하여 발현이 증가되어 있는 유전자 군집을 확인하였고 이 중 2개의 유전자 세트 [Cluster 1` 에서 OXIDATIVE_PHOSPHORYLATION (OXPHOS), Cluster 2` 에서 EPITHELIAL_MESENCHYMAL_TRANSITION (EMT))가 공통적으로 발현이 증가되어 있음을 확인하였다. 또한 이 두 유전자 세트는 비흡연자들만을 대상으로 분석하였을 때도 발현이 증가되어 있었다. 두개의 유전자 군집을 추가로 분석하였을 때 첫번째 군집의 OXPHOS 유전자 세트에서 4개의 leading edge 유전자 (MRPS11, HSPA9, NUDF4, ACTA1) 와 두번째 군집의 EMT 유전자 세트에서 2개의 leading edge 유전자 (SNTB1, FUCA1)를 확인하였다. WGCNA를 통한 분석에서 첫번째 군집에서 4개, 두번째 군집에서 18개의 모듈을 확인하였고, 첫번째 군집의 갈색 모듈과 두번째 군집의 자홍색 모듈이 노인 천식 환자의 FEV1/FVC 비율과 연관이 있음을 확인하였다. 이 두 모듈은 GEO 자료를 이용한 분석에서도 보존됨을 확인하였다.

결론: 노인 천식 환자의 객담에서 두개의 뚜렷한 유전자 세트가 각 군집에서 발현이 증가되어 있음을 확인하였다. 이는 노인 천식의 병리 기전에서 두개의 다른 생물학적 경로가 작용함을 시사하는 소견이라 할 수 있겠다. 이는 노인 천식의 발생과 진행에서 중요한 경로로 보이며 향후 노인 천식의 치료에도 중요할 수 있을 것으로 보인다.