Identification of key biologic pathways associated with glucocorticoid-induced bone mineral density changes in patients with asthma

Abstract

Derangement in bone mineral density (BMD) caused by glucocorticoids is well known. The present study aimed to identify key biological pathways associated with low BMD after glucocorticoid treatment in asthmatics using gene expression profiles of peripheral blood cells. We used immortalized B cells (IBCs) from 32 childhood asthmatics after multiple oral glucocorticoid bursts and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from 17 adult asthmatics after long-term use of oral glucocorticoids. We searched for co-expressed gene modules significantly related with the BMD Z score in childhood asthmatics and tested if these gene modules were preserved and significantly associated with the BMD Z score in adult asthmatics too. We identified a gene module composed of 199 genes significantly associated with low BMD in both, childhood and adult asthmatics. The structure of this module was preserved across gene expression profiles. We found that the cellular metabolic pathway was significantly enriched in this module. Among the 18 hub genes in this module, we postulated that 2 genes, CREBBP and EP300, contributed to low BMD following a literature review. A novel biologic pathway identified in this study highlighted a gene module and several genes that play possible roles in the pathogenesis of glucocorticoid-induced derangement in BMD.

서론: 골밀도 감소는 장기간 전신 스테로이드 사용의 잘 알려진 부작용이나 개인마다 그 감수성의 차이가 있다. 이러한 개인적 감수성을 유전적 소인으로 설명하기 위한 연구가 그 동안 많이 진행되어 왔다. 그러나 스테로이드를 치료의 근간으로 하는 천식 환자에서 골밀도 변화의 생물학적 기전을 포괄적으로 밝힌 연구는 아직 없다. 본 연구에서는 전신 스테로이드를 투여 받은 천식 환자의 말초 혈액의 전장 유전자 발현을 네트워크에 기초한 방법으로 분석하여 골밀도 감소와 관련된 생물학적 경로를 발굴하고자 하였다. 방법: 소아 천식 코호트에 등록되어 급성 악화 시 2 mg/kg의 고용량 경구 스테로이드를 2일 이상 투여 받은 32명의 소아 천식 환자의 불멸화 B세포(IBC, immortalized B cells)와, 1년 이상 매일 경구 프레드니솔론 15mg 이상을 투여 받은 17명의 성인 천식 환자의 말초혈액단핵세포(PBMC, peripheral blood mononuclear cells)에서 전장 유전자 발현을 조사하였다. 가중 유전자 동시발현 네트워크 분석(WGCNA, weighted gene co-expression analysis)를 이용하여 서로 긴밀하게 연결된 유전자 모듈(gene module)을 확인하였고, 모듈의 고유유전자값(eigengene value)과 스테로이드에 의한 골밀도 감소와의 상관관계를 확인하여 골밀도 감소와 연관된 모듈을 발굴하였다. 이어 발굴된 모듈이 다른 인구집단인 성인 천식 환자에서도 의미가 있는지 확인하였다. 즉 모듈의 구조가 성인 천식 유전자 발현 프로필에서도 보존이 되는 지와 스테로이드 투여에 의한 골밀도 감소와 유의한 상관성을 가지는지 찾아 보았다. 마지막으로 발굴된 모듈에 속하는 유전자를 대상으로 관련된 생물학적 경로를 확인하였다. 결과: 소아 천식 IBC와 성인 천식 환자 PBMC 전장 유전자 발현 사이에 상관도가 좋은 5,000개의 유전자를 선정하여 WGCNA 분석을 시행하였다. 소아 천식 환자 유전자 발현 WGCNA 분석을 통하여 10개의 유전자 모듈을 찾았으며 이 중 2개의 모듈의 고유유전자 값이 급성 악화로 인하여 스테로이드 치료를 받은 후의 골밀도 Z값과의 유의한 상관관계를 보이는 것을 확인하였다. 소아 천식에서 발견된 2개의 유전자 모듈 중 199개 유전자로 구성된 모듈의 구조가 성인 천식 환자 PBMC 유전자 발현에서도 잘 유지되고 동시에 장기간의 경구 스테로이드 치료를 받은 뒤의 골밀도 Z값과도 유의한 상관관계를 가진다는 것을 알 수 있었다. 이렇게 발굴된 모듈을 구성하는 199개의 유전자를 대상으로 유전자 세트 농축 분석(gene set enrichment analysis)을 시행한 결과 해당 모듈이 유전자 온톨로지 모델에서 세포대사경로에 농축됨을 확인하였다. 또한 이 모듈의 특성을 잘 반영하는 18개의 허브 유전자(ARMC5, ATP2A2, CCNK, CREBBP, EP300, EP400, GTF3C1, IPO13, MTF1, NOL8, NUP188, PCF11, RFX5, SDAD1, SETD1A, SLC25A22, UBAP2L, WDR59)를 찾을 수 있었다. 결론: 소아와 성인 천식 환자 말초 혈액 유전자 발현의 네트워크 분석을 통해 스테로이드 투여에 따른 골밀도 저하와 유의한 상관을 보이는 유전자 모듈을 발굴하였으며 이 모듈의 유전자는 유전자 온톨로지 상 세포대사경로에 중요하게 관여함을 확인하였다. 이 연구를 통해 밝혀진 생물학적 경로는 스테로이드에 의한 골밀도 감소의 병인에서 중요한 역할을 할 것으로 생각된다.