Defining the Molecular Signal Pathways and Upstream Regulators in Cutaneous Leishmaniasis with Transcriptomic Data Approach

Transkriptomik Veri Yaklaşımı ile Kutanöz Leyşmanyazisteki Moleküler Sinyal Yolakların ve Regülatör Moleküllerin Tanımlanması

Abstract

Leishmaniasis is a disease caused by the genus Leishmania spp., which are intracellular parasites. Depending on parasite species and host immune response, there are three basic clinical forms of the disease: cutaneous, mucocutaneous, and visceral leishmaniasis. Cutaneous leishmaniasis is a chronic disease and characterized by the presence of ulcerated skin lesions. The type of skin pathology seen during disease is determined in part by the infecting Leishmania spp., but also by a combination of inflammatory and antiinflammatory host immune response factors resulting in diverse clinical outcomes. In this study, it was aimed to determine the genes, molecular signaling mechanisms and biological functions of the molecules that play a role in the pathogenesis of the disease and immune response and determine host-parasite interactions in mice that are naturally resistant and susceptible to Leishmania major and Leishmania braziliensis. For this, transcriptomic series GSE56029 was downloaded from “Gene Expression Omnibus” (GEO) data base, including expression profiling of twenty-four tissue samples that were recovered from both naive mice and mice (BALB/c, C57BL/6) infected with L.major and L.braziliensis. Then, “Differentially Expressed Genes” (DEGs) were identified by limma package in R script. FDR q 2 as threshold values were accepted in the analysis. Subsequently, functional and pathway enrichment analyses were performed for the DEGs by “Ingenuity Pathway Analysis” (IPA). For each of DEGs, p 1 were used and analyzed with the software program IPA 8.0. Ingenuity Pathway Analysis revealed the most enrichment pathways to be the inflammation, dendritic cell maturation and “Triggering Receptor Expressed on Myeloid Cells 1” (TREM-1) signal mechanisms and that the DEGs related to the regulation of immune system process were closely associated with the progress of cutaneous leishmaniasis. The upstream regulator analysis predicted that TNF-α, IFNy, IL-1 β, IL-10RA and “Signal Transducer and Activator of Transcription-1” (STAT-1) are the regulators that explained gene expression changes causing biological activities in the tissues. Chemical compounds that may have anti-leishmanial effects were also identified in the study. In this study, the mechanisms belonging to the parasite species and host that determine the resistance/susceptibility phenotype were attempted to elucidate. Assessment of gene expression patterns, cytokine/chemokines, and signaling pathways in BALB/c and C57BL/6 mice infected with L.major and L.braziliensis will provide a better understanding of the potential mechanisms underlying infection from a genetic perspective. These results may guide for the future studies in terms of developing potential biomarkers for the diagnosis and prognosis prediction of cutaneous leishmaniasis and providing information about new treatment targets.

Özet

Leyşmanyazis, hücre içi bir parazit olan Leishmania türlerinin etken olduğu bir hastalıktır. Parazitintürlerine ve konakçı immün tepkisine bağlı olarak, hastalıkların üç temel klinik formu; kutanöz, mukokutanözve viseral leyşmanyazis olarak adlandırılmaktadır. Kutanöz leyşmanyazis kronik bir hastalık olup ülserleşmişlezyonların varlığı ile karakterizedir. Hastalık sırasında oluşan cilt patolojisi, kısmen enfekte edenLeishmania türleriyle, aynı zamanda çeşitli klinik sonuçlara neden olan enflamatuvar ve anti-enflamatuvarkonak immün yanıt faktörlerinin kombinasyonu ile belirlenmektedir. Bu çalışmada, Leishmania major veLeishmania braziliensis’e karşı doğal dirençli ve duyarlı olan farelerde hastalığın patogenezi ile bağışıklıkyanıtında rolü olan ve konak-parazit etkileşimlerini belirleyen genleri, moleküler sinyal mekanizmalarınıve moleküllerin biyolojik fonksiyonlarını belirlemek amaçlanmıştır. Bunun için, L.major/L.braziliensis ileenfekte ve sağlıklı farelerden elde edilmiş yirmi dört doku örneğinin ekspresyon profilini içeren GSE56029kodlu transkriptomik veri seti “Gene Expression Omnibus” (GEO) veri tabanından elde edilmiştir. Dahasonra, R betiğinde limma paketi ile diferansiyel olarak eksprese edilmiş genler tanımlanmıştır. AnalizlerdeFDR q 2 eşik değer olarak kabul edilmiştir. Ardından diferansiyel olarak ekspreseedilmiş genler için fonksiyonel ve yolak zenginleştirme analizleri “Ingenuity Pathway Analysis” (IPA) ilegerçekleştirilmiştir. Anlamlı derecede farklı seviyede eksprese edilen genlerin her biri için p 1 kullanılarak IPA 8.0 yazılım programı ile analiz edilmiştir. Bu analizlerile en yüksek oranda zenginleştirilmiş yolakların enflamasyon, dendritik hücre olgunlaşması ve TREM-1“Triggering Receptor Expressed on Myeloid Cells 1” (TREM-1) sinyal mekanizmaları olduğu ve bağışıklık sisteminin düzenlenmesiyle ilgili diferansiyel olarak eksprese edilmiş genlerin kutanöz leyşmanyazis seyriile yakından ilişkili olduğu belirlenmiştir. Akım-yukarı regülatör analizi ile dokularda biyolojik aktivitelereneden olan gen ekspresyon değişikliklerini açıklayan regülatörün TNF-α, IFNy, IL-1 β, IL-10RA ve “SignalTransducer and Activator of Transcription-1” (STAT-1) olduğu öngörülmüştür. Çalışmada ayrıca, antileishmanialetkiye sahip olabilecek kimyasal bileşikler de tanımlanmıştır. Bu çalışma ile direnç/duyarlılıkfenotipini belirleyen parazit türlerine ve konağa ait mekanizmalar aydınlatılmaya çalışılmıştır. L.major veL.braziliensis ile enfekte olan BALB/c ve C57BL/6 farelerinde farklılık gösteren gen ekspresyon paternleri,sitokin/kemokinler ve sinyal yolaklarının değerlendirilmesi, enfeksiyonun altında yatan potansiyel mekanizmalarıgenetik açıdan daha iyi anlamamızı sağlayacaktır. Bu sonuçların kutanöz leyşmanyazisin tanıve prognoz tahmini için potansiyel biyobelirteçlerin geliştirilmesi ve yeni tedavi hedefleri hakkında bilgisağlaması açısından gelecek çalışmalar için yol gösterici nitelikte olabileceği düşünülmektedir.