題目

Analysis of signature genes and association with immune cells infiltration in pediatric septic shock

摘要：

背景

兒童感染性休克的早期診斷對(duì)預(yù)后至關(guān)重要。本研究致力于研究小兒感染性休克的特征基因及其與免疫細(xì)胞的關(guān)系。

方法

我們從 GEO 數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選了感染性休克兒童的數(shù)據(jù)集，并分析了差異表達(dá)基因 (DEG)。對(duì)這些 DEG 進(jìn)行了功能富集分析。加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WCGNA）用于篩選關(guān)鍵模塊。最后應(yīng)用最小絕對(duì)收縮和選擇算子 (LASSO) 和隨機(jī)森林分析來(lái)識(shí)別特征基因。然后利用基因集富集分析（GSEA）探索與中樞基因相關(guān)的信號(hào)通路。隨后使用CIBERSORT對(duì)免疫細(xì)胞浸潤(rùn)進(jìn)行分類。

結(jié)果

從GSE26440中篩選出534個(gè)DEGs?。然后通過WGCNA將數(shù)據(jù)聚集到 17 個(gè)模塊中，其中 MEgrey 模塊與小兒感染性休克顯著相關(guān)（cor=?0.62，p?<0.0001）。應(yīng)用LASSO和隨機(jī)森林算法選擇特征基因，包括UPP1、S100A9、KIF1B、S100A12、SLC26A8。這些特征基因的受試者工作特征曲線 (ROC) 分別為 0.965、0.977、0.984、0.991 和 0.989，這在 GSE13904 的外部數(shù)據(jù)集中得到了驗(yàn)證.?GSEA分析表明，這些特征基因參與了正相關(guān)的果糖和甘露糖代謝以及淀粉和蔗糖代謝信號(hào)通路。CIBERSORT 表明這些特征基因可能參與免疫細(xì)胞浸潤(rùn)。

結(jié)論

UPP1、S100A9、KIF1B、S100A12、SLC26A8 在小兒感染性休克中表現(xiàn)出顯著的診斷性能，并參與免疫細(xì)胞浸潤(rùn)。

關(guān)鍵詞：兒童，感染性休克，加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，特征基因，免疫細(xì)胞浸潤(rùn)

結(jié)果

鑒定敗血癥和對(duì)照之間的 DEG

使用“l(fā)imma”包分析來(lái)自感染性休克兒童和正常對(duì)照兒童的 DEG。最終篩選出534個(gè)DEGs，其中上調(diào)基因346個(gè)，下調(diào)基因188個(gè)（圖 2A).?熱圖顯示感染性休克兒童與健康組之間前 50 個(gè)上調(diào)和前 50 個(gè)下調(diào)的 DEG（圖 2B).

功能富集分析

GO分析包括三類（圖 3A)，即 BP、CC 以及 MF。BP 分析顯示細(xì)胞因子產(chǎn)生的正調(diào)節(jié)、白細(xì)胞介導(dǎo)的免疫和對(duì)外部刺激反應(yīng)的正調(diào)節(jié)顯著豐富。在CC分析中，分泌顆粒腔、細(xì)胞質(zhì)囊泡腔和囊泡腔占據(jù)前三位。此外，免疫受體活性、碳水化合物結(jié)合以及內(nèi)肽酶活性在 MF 中起著重要作用。如 KEGG 分析所示，富集前 3 位的途徑主要是補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng)、金黃色葡萄球菌感染以及造血細(xì)胞譜系（圖 3B).

加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

使用R軟件中的WGCNA包對(duì)感染性休克患兒和健康受試者進(jìn)行分析，建立無(wú)標(biāo)度共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，軟閾值確定為10，無(wú)標(biāo)度指數(shù)為0.85，相對(duì)有利的平均連通性（圖 4A、B).?聚類樹狀圖顯示在圖 4C.?最后，數(shù)據(jù)被聚類成 17 個(gè)模塊（圖 4D).?計(jì)算了每個(gè)模塊與感染性休克兒童之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，MEgrey 模塊與患有敗血癥休克的兒童顯著相關(guān)（cor=-0.62，p?<0.0001）。其中，MEgrey模塊包含1567個(gè)基因，被認(rèn)為是膿毒癥休克患兒相關(guān)的關(guān)鍵模塊。MEgrey 模塊中的 DEG 和基因之間的重疊顯示在圖 4E.

通過LASSO 和隨機(jī)森林算法選擇特征基因

應(yīng)用兩種機(jī)器算法從感染性休克兒童的候選關(guān)鍵基因中篩選出特征基因。對(duì)于 LASSO 分析，選擇了 23 個(gè)特征基因（圖 5A、B), 而在隨機(jī)森林分析中, 45 個(gè)特征基因被確定為相對(duì)重要性大于 0.25 (圖 5C、D).?這些篩選出的特征基因顯示在表格1.?通過這兩種算法的相互作用，最終確定了五個(gè)特征基因，包括 UPP1、S100A9、KIF1B、S100A12、SLC26A8（圖 5E).

特征基因在預(yù)測(cè)感染性休克中的診斷功效

篩選出的特征基因在膿毒癥休克患兒中的表達(dá)高于健康兒童，提示這些基因可能在小兒膿毒癥休克中發(fā)揮潛在作用。圖 6A-E).?此外，這些特征基因的受試者工作特征曲線（ROC）的曲線下面積（AUC）分別為UPP1的0.965、S100A9的0.977、KIF1B的0.984、S100A12的0.991、SLC26A8的0.989（圖 6F-J).?我們還在外部驗(yàn)證隊(duì)列中評(píng)估了每個(gè)特征基因在預(yù)測(cè)小兒感染性休克方面的診斷效率。與GSE26440一致，這些特征基因在感染性休克兒童中高度表達(dá)（圖 7A-E).?ROC的AUC值分別為UPP1的0.954、S100A9的0.959、KIF1B的0.987、S100A12的0.975、SLC26A8的0.982（圖 7F-J).?這些現(xiàn)象表明篩選出的特征基因在預(yù)測(cè)小兒感染性休克方面具有顯著的診斷效率。

GSEA分析

我們通過GSEA 分析評(píng)估了與特征基因相關(guān)的信號(hào)通路。排名前 10 的信號(hào)通路顯示在圖 8.?結(jié)果表明，UPP1與脂肪酸生物合成、果糖和甘露糖代謝、半乳糖代謝、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝、卡波西肉瘤相關(guān)皰疹病毒感染、尼古丁成癮、泛酸和CoA生物合成、卟啉代謝、淀粉和蔗糖代謝顯著相關(guān), 酪氨酸代謝。S100A9的表達(dá)與脂肪酸生物合成、果糖和甘露糖代謝、半乳糖代謝、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝、礦物質(zhì)吸收、尼古丁成癮、泛酸和輔酶A生物合成、卟啉代謝、淀粉和蔗糖代謝、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、耶爾森氏菌顯著相關(guān)感染。KIF1B的表達(dá)與脂肪酸生物合成、果糖和甘露糖代謝、半乳糖代謝、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝，礦物質(zhì)吸收，尼古丁成癮，泛酸和輔酶A生物合成，卟啉代謝，淀粉和蔗糖代謝，酪氨酸代謝。S100A12的表達(dá)與精氨酸生物合成、脂肪酸生物合成、果糖和甘露糖代謝、造血細(xì)胞譜系、白細(xì)胞跨內(nèi)皮遷移、礦物質(zhì)吸收、中性粒細(xì)胞胞外陷阱形成、破骨細(xì)胞分化、泛酸和CoA生物合成、淀粉和蔗糖代謝顯著相關(guān)。SLC26A8的表達(dá)與果糖和甘露糖代謝、半乳糖代謝、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝、炎癥性腸病、尼古丁成癮、卟啉代謝、淀粉和蔗糖代謝、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、味覺轉(zhuǎn)導(dǎo)、TNF 信號(hào)通路。綜上所述，這些基因均與果糖和甘露糖代謝信號(hào)通路以及淀粉和蔗糖代謝信號(hào)通路呈正相關(guān)。

免疫細(xì)胞浸潤(rùn)

根據(jù)免疫細(xì)胞浸潤(rùn)評(píng)估免疫學(xué)特征。與正常兒童相比，感染性休克兒童具有更高的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Tregs）、M0巨噬細(xì)胞、M1巨噬細(xì)胞、活化的肥大細(xì)胞、中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)和更低的幼稚B細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞、濾泡輔助性T細(xì)胞、γδT細(xì)胞, 靜息樹突狀細(xì)胞, 靜息肥大細(xì)胞浸潤(rùn) (圖 9A).?所有hub基因均與CD8?+?T細(xì)胞、濾泡輔助性T細(xì)胞、γδT細(xì)胞、靜息樹突狀細(xì)胞和靜息肥大細(xì)胞的浸潤(rùn)呈負(fù)相關(guān)，與M0巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的浸潤(rùn)呈正相關(guān)。S100A9、S100A12、SLC26A8與幼稚B細(xì)胞呈負(fù)相關(guān)，而UPP1、KIF1B與Tregs呈正相關(guān)（圖 9B).?只有 SLC26A8 與活化的肥大細(xì)胞呈正相關(guān)。