rpmjResearch'n Practical Medicine JournalResearch and Practical Medicine Journal2410-1893"QUASAR", LLC10.17709/2410-1893-2022-9-1-5rpmj-782Research ArticleОригинальные статьи. Онкология, лучевая терапияOriginal Articles. ОncologyАнализ данных высокопроизводительного секвенирования базы Gene Expression Omnibus для идентификации микрорибонуклеиновых кислот в плазме крови пациентов с глиобластомойAnalysis of Gene Expression Omnibus high-throughput sequencing data for the determination of microribonucleic acids in the blood plasma of patients with glioblastomashttps://orcid.org/0000-0003-2385-6285ПушкинА. А.PushkinA. A.

Пушкин Антон Андреевич – научный сотрудник лаборатории молекулярной онкологии, SPIN: 9223-1871, AuthorID: 975797, ResearcherID: AAA-8887-2020, Scopus Author ID: 57200548010

344037, Российская Федерация, г. Ростов-на-Дону, ул. 14-я линия, д. 63

Anton A. Pushkin – Researcher, Laboratory of Molecular Oncology, SPIN: 9223-1871, AuthorID: 975797, ResearcherID: AAA-8887-2020, Scopus Author ID: 57200548010

63 14 line str., Rostov-on-Don 344037, Russian Federation

anton.a.pushkin@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8633-2660ГвалдинД. Ю.GvaldinD. Yu.

Гвалдин Дмитрий Юрьевич – к.б.н., научный сотрудник лаборатории молекулярной онкологии, SPIN: 8426-9283, AuthorID: 1010353, ResearcherID: AAA-9894-2020, Scopus Author ID: 57195716861

г. Ростов-на-Дону

Dmitry Yu. Gvaldin – Cand. Sci. (Biol.), Researcher, Laboratory of Molecular Oncology, SPIN: 8426-9283, AuthorID: 1010353, ResearcherID: AAA-9894-2020, Scopus Author ID: 57195716861

Rostov-on-Don

89dmitry@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6358-7361ТимошкинаН. Н.TimoshkinaN. N.

Тимошкина Наталья Николаевна – к.б.н., руководитель лаборатории молекулярной онкологии, SPIN: 9483-4330, AuthorID: 633651, ResearcherID: D-3876-2018, Scopus Author ID: 24077206000

г. Ростов-на-Дону

Natalya N. Timoshkina – Cand. Sci. (Biol.), Head of the Laboratory Molecular Oncology, SPIN: 9483-4330, AuthorID: 633651, ResearcherID: D-3876-2018, Scopus Author ID: 24077206000

Rostov-on-Don

timoshkinann@rnioi.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2937-0470РосторгуевЭ. Е.RostorguevE. E.

Росторгуев Эдуард Евгеньевич – д.м.н., заведующий отделением нейроонкологии, SPIN: 8487-9157, AuthorID: 794808, ResearcherID: AAK-6852-2020, Scopus Author ID: 57196005138

г. Ростов-на-Дону

Eduard E. Rostorguev – Dr. Sci. (Med.), head of Neurooncology Department, SPIN: 8487-9157, Author ID: 794808, Researcher ID: AAK-6852-2020, Scopus Author ID: 57196005138

Rostov-on-Don

rostorguev@icloud.comhttps://orcid.org/0000-0003-4236-6476ВладимироваЛ. Ю.VladimirovaL. Yu.

Владимирова Любовь Юрьевна – д.м.н., профессор, заведующая отделением противоопухолевой лекарственной терапии № 1, руководитель отдела лекарственного лечения опухолей, SPIN: 4857-6202, AuthorID: 289090, ResearcherID: U-8132-2019, Scopus Author ID: 7004401163

г. Ростов-на-Дону

Lubov Yu. Vladimirova – Dr. Sci. (Med.), professor, head of the department of antitumor Drug Therapy No. 1, Head of Tumor drug Therapy Department, SPIN: 4857-6202, AuthorID: 289090, ResearcherID: U-8132-2019, Scopus Author ID: 7004401163

Rostov-on-Don

lubovurievna@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3561-098XДженковаЕ. А.DzenkovaE. A.

Дженкова Елена Алексеевна – д.б.н., доцент, ученый секретарь, SPIN: 6206-6222, AuthorID: 697354, ResearcherID: K-9622-2014, Scopus Author ID: 6507889745

г. Ростов-на-Дону

Elena A. Dzhenkova – Dr. Sci. (Biol.), Associate Professor, academic secretary, SPIN: 6206-6222, AuthorID: 697354, ResearcherID: K-9622-2014, Scopus Author ID: 6507889745

Rostov-on-Don

rnioi@list.ruНМИЦ онкологииРоссияNational Medical Research Centre for OncologyRussian Federation202218022022915464Copyright © Пушкин А.А., Гвалдин Д.Ю., Тимошкина Н.Н., Росторгуев Э.Е., Владимирова Л.Ю., Дженкова Е.А., 20222022Пушкин А.А., Гвалдин Д.Ю., Тимошкина Н.Н., Росторгуев Э.Е., Владимирова Л.Ю., Дженкова Е.А.Pushkin A.A., Gvaldin D.Y., Timoshkina N.N., Rostorguev E.E., Vladimirova L.Y., Dzenkova E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rpmj.ru/rpmj/article/view/782Цель исследования

Цель исследования. Данная работа посвящена исследованию паттернов экспрессии микроРНК в плазме крови пациентов с глиобластомой (ГБ) c использованием данных высокопроизводительного секвенирования базы Gene Expression Omnibus и поиску кандидатных микроРНК-молекул для разработки малоинвазивной диагностической панели.

Материалы и методы

Материалы и методы. На основании открытого набора данных Gene Expression Omnibus NCBI GSE150956 были сформированы группы образцов пациентов с диагнозом глиобластома и условно-здоровых доноров. Для каждого образца была извлечена информация об уровнях экспрессии микроРНК. Определение наиболее значимых микроРНК выполнено с использованием алгоритмов машинного обучения и программной среды R 4.0.4. Для значимых микроРНК были определены гены-мишени, выполнен анализ обогащения по функциональной принадлежности и интерактомный анализ генов-мишеней микроРНК.

Результаты

Результаты. В исследовании проанализированы данные 131 образца, из них 35 образцов пациентов с глиобластомой, а 96 образцов получено от условно-здоровой группы добровольцев. Данные о дифференциальной экспрессии были получены для 945 микроРНК. Методами машинного обучения сформированы две панели, содержащие общие микроРНК – hsa-miR 3180, hsa-miR 3180-3p, hsa-miR 6782-5p, hsa-miR 182-5p, hsa-miR 133b и hsa-miR 670-3p. Для значимых микроРНК получена информация об экспериментально подтверждённых генах-мишенях, генная онтология которых демонстрирует их участие в связывании ферментов, расположение в ядерной оболочке, участие в регуляции первичных клеточных метаболических процессов, развитии глиобластом и опухолевых заболеваний в целом.

Заключение

Заключение. В результате послойной фильтрации данных и применения алгоритмов машинного обучения были выявлены значимые микроРНК, которые являются кандидатами для разработки диагностической панели малоинвазивного выявления глиальных опухолей высокой степени злокачественности.

 

 

Purpose of the study

Purpose of the study. This work is devoted to the study of blood plasma miRNA patterns in blood plasma using high-throughput sequencing of the Omnibus Gene Expression base and the search for candidate miRNA molecules for the development of a minimally invasive diagnostic panel.

Materials and methods

Materials and methods. Basing on the open dataset of Omnibus Expression of the NCBI GSE150956 Gene, groups of samples with glioblastoma and conventionally healthy donors were formed. For each sample, information on the levels of miRNA expression was extracted. Determination of significant miRNAs using machine learning algorithms of the R 4.0.4 project. For significant miRNAs, target genes have been performed, an analysis of the improvement of functional characteristics and interactome analysis of target genes of miRNA were performed.

Results

Results. The study analyzed the data of 131 samples, where 35 samples with glioblastoma and 96 samples of the conditionally healthy group. Differential expression data were obtained for 945 miRNA. Two panels were obtained using machine learning methods, common miRNA – hsa-miR 3180, hsa-miR 3180-3p, hsa-miR 6782-5p, hsa-miR 182-5p, hsa-miR 133b and hsa-miR 670-3p. For significant miRNAs, information was obtained on experimentally confirmed target genes, a gene ontology demonstrating their participation in enzyme binding, participation in the regulation of primary cellular metabolic processes, and the development of glioblastomas and cancer in general.

Conclusion

Conclusion. As a result of layer-by-layer filtering and application of machine learning algorithms, significant miRNAs were identified that are candidates for a diagnostic panel of a minimally invasive method of high-grade glial tumors.

глиобластомациркулирующая микроРНКплазма кровисеквенирование следующего поколениясетевой анализбиомаркерglioblastomacirculating microRNAblood plasmanext-generation sequencingnetwork analysisbiomarkerReferencesКит, О. И., Водолажский, Д. И., Росторгуев, Э. Е., Поркшеян, Д. Х., Панина, С. Б. Роль микро-РНК в регуляции сигнальных путей при глиомах. Биомедицинская химия. 2017;63(6):481–498. https://doi.org/10.18097/PBMC20176306481Kit O I, Vodolazhsky D I, Rostorguev E E, Porksheyan D H, Panina S B. The role of micro-RNA in the regulation of signal pathways in gliomas. Biomeditsinskaya Khimiya. 2017;63(6):481–498. (In Russ.). https://doi.org/10.18097/PBMC20176306481Злокачественные новообразования в России в 2018 году (заболеваемость и смертность). Под ред. Каприна А. Д., Старинского В. В., Петровой Г. В. М., 2019. Доступно по: https://oncology-association.ru/wp-content/uploads/2020/09/2018.pdf. Дата обращения: 28.12.2021.Malignant neoplasms in Russia in 2018 (morbidity and mortality). Ed. by Kaprina AD, Starinskogo VV, Petrova GV. Moscow, 2019. Available at: https://oncology-association.ru/wp-content/uploads/2020/09/2018.pdf. Accessed: 28.12.2021. (In Russ.).Аллилуев И. А., Пушкин А. А., Кузнецова Н. С., Кавицкий С. Э., Росторгуев Э. Е. Оценка диагностической значимости циркулирующих микроРНК в плазме крови пациентов с глиомами высокой степени злокачественности. Современные проблемы науки и образования. 2020;(6):135–135. https://doi.org/10.17513/spno.30309Alliluyev I A, Pushkin A A, Kuznetsova N S, Kavitsky S E, Rostorguev E E. Estimation of the diagnostic significance of circulating micrornas in blood plasma of patients with high grade gliomas. Modern Problems of Science and Education. 2020;(6):135–135. (In Russ.). https://doi.org/10.17513/spno.30309Шкурат, Т. П., Пушкин, А. А., Козлова, М. Ю., Колина, Е. А., Покудина, И. О. Биоинформационное исследование миРНК-регуляторов генов-супрессоров опухолей. Материалы VI конференции Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины. Ростов-на-Дону, 2015, 64-65 с. Доступно по: https://hub.sfedu.ru/repository/material/800820188/. Дата обращения: 28.12.2021.Shkurat T P, Pushkin A A, Kozlova M Yu, Kalina E A, Prokudina I O. Bioinformatic research of miRNA regulators of tumor suppressor genes. Materials of the VI conference Actual problems of biology, nanotechnology and medicine. Rostov-on-Don, 2015, 64–65 p. Available at: https://hub.sfedu.ru/repository/material/800820188/. Accessed: 28.12.2021. (In Russ.).Gvaldin D Y, Pushkin A A, Timoshkina N N, Rostorguev E E, Nalgiev A M, Kit O I. Integrative analysis of mRNA and miRNA sequencing data for gliomas of various grades. Egyptian Journal of Medical Human Genetics. 2020;21(1):1–17. https://doi.org/10.1186/s43042-020-00119-8Gvaldin D Y, Pushkin A A, Timoshkina N N, Rostorguev E E, Nalgiev A M, Kit O I. Integrative analysis of mRNA and miRNA sequencing data for gliomas of various grades. Egyptian Journal of Medical Human Genetics. 2020;21(1):1–17. (In Russ.). https://doi.org/10.1186/s43042-020-00119-8Кит О. И., Водолажский Д. И., Росторгуев Э. Е., Франциянц Е. М., Панина С. Б. Молекулярно-генетические маркеры глиом. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2017;35(4):132–140. https://doi.org/10.18821/0208-0613-2017-35-4-132-140Kit OI, Vodolazhsky DI, Rostorguev EE, Frantsyants EM, Panina SB. Molecular genetic markers of gliomas. Molecular genetics, microbiology and virology. 2017;35(4):132–140. (In Russ.). https://doi.org/10.18821/0208-0613-2017-35-4-132-140Xu S, Wang J, Ding N, Hu W, Zhang X, Wang B, et al. Exosome-mediated microRNA transfer plays a role in radiation-induced bystander effect. RNA Biol. 2015;12(12):1355–1363. https://doi.org/10.1080/15476286.2015.1100795Xu S, Wang J, Ding N, Hu W, Zhang X, Wang B, et al. Exosome-mediated microRNA transfer plays a role in radiation-induced bystander effect. RNA Biol. 2015;12(12):1355–1363. https://doi.org/10.1080/15476286.2015.1100795Кит О. И., Росторгуев Э. Е., Тимошкина Н. Н., Пушкин А. А., Аллилуев И. А., Кузнецова Н. С. и др. Способ диагностики глиальных опухолей головного мозга высокой степени злокачественности. Патент RU 2742413 C1. Доступно по: https://patents.s3.yandex.net/RU2742413C1_20210205.pdf. Дата обращения: 01.02.2022.Kit O I, Rastorguev E E, Timoshkina N N, Pushkin A A, Alliluyev I A, Kuznetsova N S, etc. A method for diagnosing glial brain tumors of a high degree of malignancy. Patent RU 2742413 C1. Available at: https://patents.s3.yandex.net/RU2742413C1_20210205.pdf. Accessed: 01.02.2022. (In Russ.).Yang C, Wang C, Chen X, Chen S, Zhang Y, Zhi F, et al. Identification of seven serum microRNAs from a genome-wide serum microRNA expression profile as potential noninvasive biomarkers for malignant astrocytomas. Int J Cancer. 2013 Jan 1;132(1):116–127. https://doi.org/10.1002/ijc.27657Yang C, Wang C, Chen X, Chen S, Zhang Y, Zhi F, et al. Identification of seven serum microRNAs from a genome-wide serum microRNA expression profile as potential noninvasive biomarkers for malignant astrocytomas. Int J Cancer. 2013 Jan 1;132(1):116–127. https://doi.org/10.1002/ijc.27657Qu S, Guan J, Liu Y. Identification of microRNAs as novel biomarkers for glioma detection: a meta-analysis based on 11 articles. J Neurol Sci. 2015 Jan 15;348(1–2):181–187. https://doi.org/10.1016/j.jns.2014.11.036Qu S, Guan J, Liu Y. Identification of microRNAs as novel biomarkers for glioma detection: a meta-analysis based on 11 articles. J Neurol Sci. 2015 Jan 15;348(1–2):181–187. https://doi.org/10.1016/j.jns.2014.11.036Roth P, Wischhusen J, Happold C, Chandran PA, Hofer S, Eisele G, et al. A specific miRNA signature in the peripheral blood of glioblastoma patients. J Neurochem. 2011 Aug;118(3):449–457. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.2011.07307.xRoth P, Wischhusen J, Happold C, Chandran PA, Hofer S, Eisele G, et al. A specific miRNA signature in the peripheral blood of glioblastoma patients. J Neurochem. 2011 Aug;118(3):449–457. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.2011.07307.xAparicio-Puerta E, Lebrón R, Rueda A, Gómez-Martín C, Giannoukakos S, Jaspez D, et al. sRNAbench and sRNAtoolbox 2019: intuitive fast small RNA profiling and differential expression. Nucleic Acids Res. 2019 Jul 2;47(W1):W530–W535. https://doi.org/10.1093/nar/gkz415Aparicio-Puerta E, Lebrón R, Rueda A, Gómez-Martín C, Giannoukakos S, Jaspez D, et al. sRNAbench and sRNAtoolbox 2019: intuitive fast small RNA profiling and differential expression. Nucleic Acids Res. 2019 Jul 2;47(W1):W530–W535. https://doi.org/10.1093/nar/gkz415Robin X, Turck N, Hainard A, Tiberti N, Lisacek F, Sanchez J-C, et al. pROC: an open-source package for R and S+ to analyze and compare ROC curves. BMC Bioinformatics. 2011 Mar 17;12:77. https://doi.org/10.1186/1471-2105-12-77Robin X, Turck N, Hainard A, Tiberti N, Lisacek F, Sanchez J-C, et al. pROC: an open-source package for R and S+ to analyze and compare ROC curves. BMC Bioinformatics. 2011 Mar 17;12:77. https://doi.org/10.1186/1471-2105-12-77Kuhn M. A Short Introduction to the caret Package. R Found Stat Comput, 2015, 1–10 p.Kuhn M. A Short Introduction to the caret Package. R Found Stat Comput, 2015, 1–10 p.Ru Y, Kechris KJ, Tabakoff B, Hoffman P, Radcliffe RA, Bowler R, et al. The multiMiR R package and database: integration of microRNA-target interactions along with their disease and drug associations. Nucleic Acids Res. 2014;42(17):e133. https://doi.org/10.1093/nar/gku631Ru Y, Kechris KJ, Tabakoff B, Hoffman P, Radcliffe RA, Bowler R, et al. The multiMiR R package and database: integration of microRNA-target interactions along with their disease and drug associations. Nucleic Acids Res. 2014;42(17):e133. https://doi.org/10.1093/nar/gku631Hamberg M, Backes C, Fehlmann T, Hart M, Meder B, Meese E, et al. MiRTargetLink–miRNAs, Genes and Interaction Networks. Int J Mol Sci. 2016 Apr 14;17(4):564. https://doi.org/10.3390/ijms17040564Hamberg M, Backes C, Fehlmann T, Hart M, Meder B, Meese E, et al. MiRTargetLink–miRNAs, Genes and Interaction Networks. Int J Mol Sci. 2016 Apr 14;17(4):564. https://doi.org/10.3390/ijms17040564Kolberg L, Raudvere U, Kuzmin I, Vilo J, Peterson H. gprofiler2 -- an R package for gene list functional enrichment analysis and namespace conversion toolset g:Profiler. F1000Res. 2020;9:ELIXIR-709. https://doi.org/10.12688/f1000research.24956.2Kolberg L, Raudvere U, Kuzmin I, Vilo J, Peterson H. gprofiler2 -- an R package for gene list functional enrichment analysis and namespace conversion toolset g:Profiler. F1000Res. 2020;9:ELIXIR-709. https://doi.org/10.12688/f1000research.24956.2Zhang H, Cong Q-X, Zhang S-G, Zhai X-W, Li H-F, Li S-Q. High Expression Levels of Fascin-1 Protein in Human Gliomas and its Clinical Relevance. Open Med (Wars). 2018;13:544–550. https://doi.org/10.1515/med-2018-0080Zhang H, Cong Q-X, Zhang S-G, Zhai X-W, Li H-F, Li S-Q. High Expression Levels of Fascin-1 Protein in Human Gliomas and its Clinical Relevance. Open Med (Wars). 2018;13:544–550. https://doi.org/10.1515/med-2018-0080Fan Y, Potdar AA, Gong Y, Eswarappa SM, Donnola S, Lathia JD, et al. Profilin-1 phosphorylation directs angiocrine expression and glioblastoma progression through HIF-1α accumulation. Nat Cell Biol. 2014 May;16(5):445–456. https://doi.org/10.1038/ncb2954Fan Y, Potdar AA, Gong Y, Eswarappa SM, Donnola S, Lathia JD, et al. Profilin-1 phosphorylation directs angiocrine expression and glioblastoma progression through HIF-1α accumulation. Nat Cell Biol. 2014 May;16(5):445–456. https://doi.org/10.1038/ncb2954Chen T, Liu Y, Chen J, Zheng H, Chen Q, Zhao J. Exosomal miR-3180-3p inhibits proliferation and metastasis of non-small cell lung cancer by downregulating FOXP4. Thorac Cancer. 2021 Feb;12(3):372–381. https://doi.org/10.1111/1759-7714.13759Chen T, Liu Y, Chen J, Zheng H, Chen Q, Zhao J. Exosomal miR-3180-3p inhibits proliferation and metastasis of non-small cell lung cancer by downregulating FOXP4. Thorac Cancer. 2021 Feb;12(3):372–381. https://doi.org/10.1111/1759-7714.13759Jin L, Zhang Z. Serum miR-3180-3p and miR-124-3p may Function as Noninvasive Biomarkers of Cisplatin Resistance in Gastric Cancer. Clin Lab. 2020 Dec 1;66(12). https://doi.org/10.7754/Clin.Lab.2020.200302Jin L, Zhang Z. Serum miR-3180-3p and miR-124-3p may Function as Noninvasive Biomarkers of Cisplatin Resistance in Gastric Cancer. Clin Lab. 2020 Dec 1;66(12). https://doi.org/10.7754/Clin.Lab.2020.200302Mørup N, Stakaitis R, Golubickaite I, Riera M, Dalgaard MD, Schierup MH, et al. Small RNAs in Seminal Plasma as Novel Biomarkers for Germ Cell Tumors. Cancers (Basel). 2021 May 13;13(10):2346. https://doi.org/10.3390/cancers13102346Mørup N, Stakaitis R, Golubickaite I, Riera M, Dalgaard MD, Schierup MH, et al. Small RNAs in Seminal Plasma as Novel Biomarkers for Germ Cell Tumors. Cancers (Basel). 2021 May 13;13(10):2346. https://doi.org/10.3390/cancers13102346Gao L, Yan S-B, Yang J, Kong J-L, Shi K, Ma F-C, et al. MiR-182-5p and its target HOXA9 in non-small cell lung cancer: a clinical and in-silico exploration with the combination of RT-qPCR, miRNA-seq and miRNA-chip. BMC Med Genomics. 2020 Jan 6;13(1):3. https://doi.org/10.1186/s12920-019-0648-7Gao L, Yan S-B, Yang J, Kong J-L, Shi K, Ma F-C, et al. MiR-182-5p and its target HOXA9 in non-small cell lung cancer: a clinical and in-silico exploration with the combination of RT-qPCR, miRNA-seq and miRNA-chip. BMC Med Genomics. 2020 Jan 6;13(1):3. https://doi.org/10.1186/s12920-019-0648-7Wen D, Li S, Ji F, Cao H, Jiang W, Zhu J, et al. miR-133b acts as a tumor suppressor and negatively regulates FGFR1 in gastric cancer. Tumour Biol. 2013 Apr;34(2):793–803. https://doi.org/10.1007/s13277-012-0609-7Wen D, Li S, Ji F, Cao H, Jiang W, Zhu J, et al. miR-133b acts as a tumor suppressor and negatively regulates FGFR1 in gastric cancer. Tumour Biol. 2013 Apr;34(2):793–803.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.