LncRNAs as biomarkers in systemic lupus erythematosus (SLE) and construction of a disease map

Abstract

Systemic Lupus Erythematosus (SLE) is a heterogeneous disease with multi-systemic symptoms and unpredictable disease course. A significant manifestation of SLE is the presentation of renal symptoms, known as Lupus Nephritis (LN), which increases mortality and morbidity. Current management of SLE relies on laboratory biomarkers (i.e. complement levels, anti-dsDNA antibody levels) and physician assessments, while diagnosis and management of LN relies on same biomarkers and requires an invasive kidney biopsy to be confirmed and assessed properly. With the advancement of high-throughput omics technologies, SLE and LN have been characterized at a molecular level and multiple implicated pathways, such as the interferon pathway, have been identified, further adding to the complexity of the disease. Yet, despite the bloom of available literature, information on the involved pathways and their molecular interactions in LN is scarce, impeding the efforts of physicians and researchers. Herein, we highlight the lack of a transcriptomics application as biomarkers in clinical use for LN, the need for an approach closer to the standards of precision medicine in SLE and the necessity of a public reliable resource of molecular interactions in LN. Seeking to tackle these issues, we use RNA-sequencing data from LN patients and focus on the relationship of long non-coding RNAs (lncRNAs) with disease activity. Through a network- based approach, we detect 4 lncRNAs, NRIR and KLHDC7B-DT, which are related to IFN signaling and MIR600HG and FAM30A, which are related to B-cell receptor signaling, and we propose them as promising biomarkers to be used in the clinic. We also examine cis- and trans-targets of these lncRNAs, identifying Interferon Lambda Receptor 1 (IFNLR1) as an important target of MIR600HG and FAM30A, thus suggesting a possible way through which these lncRNAs regulate B-cells. Furthermore, we use transcriptomics data from SLE patients combined with an unbiased clustering approach to identify molecular endotypes in SLE. We identify 5 endotypes which recapitulate the spectrum of pathophysiological processes previously identified in lupus and continue our analysis utilizing the iLINCS tool to propose compounds with potential to restore the deregulated transcriptome of the SLE endotypes. Given the fact the monocytes, an innate immune cell type, is a central component involved in the pathogenesis of SLE, we followed a similar approach using RNA sequencing data of monocytes isolated from SLE patients. Notably, we identified an inhibitor of the serine/threonine kinase PIm-1 “SGI-1776” as a promising therapy targeting the Pim-1/NFATc1/NLRP3 pathway. Finally, to expedite LN research, we manually curated the literature for mechanistic molecular interactions associated with LN and depicted them in a disease map, thus creating the Lupus Nephritis map (LNmap). Currently, the map lists 164 publications in the database describing interactions between and within 9 cell types, namely mesangial cells, podocytes, CD4+ T-cells, CD8+ T-cells, B-cells, dendritic cells, monocytes, macrophages and neutrophils. The map is planned to be released to its end-users promptly and is under ongoing development to expand and refine the provided information and increase its reliability and impact on LN research.

Ο Συστηματικός Ερυθηματώδης Λύκος (SLE) είναι μια ετερογενής νόσος με πολυσυστημικά συμπτώματα και απρόβλεπτη πορεία. Μια σημαντική εκδήλωση του SLE είναι η εμφάνιση νεφρικών συμπτωμάτων, γνωστών ως νεφρίτιδα λύκου (LN), που αυξάνει τη θνησιμότητα και τη νοσηρότητα. Η τρέχουσα διαχείριση του SLE βασίζεται σε εργαστηριακούς βιοδείκτες (π.χ. επίπεδα συμπληρώματος, επίπεδα αντισωμάτων anti-dsDNA) και στις ιατρικές αξιολογήσεις, ενώ η διάγνωση και η διαχείριση της LN βασίζεται στους ίδιους βιοδείκτες και απαιτεί μια επεμβατική βιοψία νεφρού για να επιβεβαιωθεί και να αξιολογηθεί σωστά. Με την πρόοδο των ομικών τεχνολογιών υψηλής απόδοσης, ο SLE και η LN έχουν χαρακτηριστεί σε μοριακό επίπεδο και πολλαπλά εμπλεκόμενα μονοπάτια έχουν εντοπιστεί, όπως το μονοπάτι της Ιντερφερόνης (IFN), αυξάνοντας περαιτέρω την πολυπλοκότητα της νόσου. Ωστόσο, παρά την άνθηση της διαθέσιμης βιβλιογραφίας, οι πληροφορίες για τα εμπλεκόμενα μονοπάτια και τις μοριακές τους αλληλεπιδράσεις στο LN είναι σπάνιες, επιβραδύνοντας τις προσπάθειες των γιατρών και των ερευνητών. Στην παρούσα έρευνα, επισημαίνουμε την έλλειψη ενός μεταγραφομικού βιοδείκτη με χρήση στην κλινική πράξη για τη LN, την ανάγκη για μια προσέγγιση πιο κοντά στα πρότυπα της ιατρικής ακριβείας στον SLE και την αναγκαιότητα μιας ελεύθερα προσβάσιμης αξιόπιστης πηγής μοριακών αλληλεπιδράσεων της LN. Επιδιώκοντας να αντιμετωπίσουμε αυτά τα ζητήματα, χρησιμοποιούμε δεδομένα αλληλούχισης RNA από ασθενείς με LN και εστιάζουμε στη σχέση των μακρών μη κωδικοποιητικών RNA (lncRNAs) με τη δραστηριότητα της νόσου. Μέσω μιας προσέγγισης που βασίζεται σε δίκτυα, ανιχνεύουμε 4 lncRNAs, τα NRIR και KLHDC7B-DT, που σχετίζονται με το μονοπάτι της IFN και τα MIR600HG και FAM30A, που σχετίζονται με τη σηματοδότηση των υποδοχέων Β-κυττάρων, και τα προτείνουμε ως πιθανούς βιοδείκτες που θα χρησιμοποιηθούν στην κλινική. Εξετάζουμε επίσης cis- και trans-στόχους αυτών των lncRNAs, επισημαίνοντας τον Υποδοχέα Ιντερφερόνης Λάμδα 1 (IFNLR1) ως σημαντικό στόχο του MIR600HG και του FAM30A, προτείνοντας έτσι έναν πιθανό τρόπο μέσω του οποίου αυτά τα lncRNAs ρυθμίζουν τα Β-κύτταρα. Επιπλέον, χρησιμοποιούμε μεταγραφομικά δεδομένα από ασθενείς με SLE και μια αμερόληπτη προσέγγιση ομαδοποίησης για τον εντοπισμό μοριακών ενδοτύπων στο SLE. Εντοπίζουμε 5 ενδοτύπους που καλύπτουν το φάσμα των παθοφυσιολογικών διεργασιών που έχουν εντοπιστεί σε προηγούμενες μελέτες στο SLE και συνεχίζουμε την ανάλυσή μας χρησιμοποιώντας το εργαλείο iLINCS για να προτείνουμε ενώσεις με δυνατότητα αποκατάστασης του απορυθμισμένου μεταγραφώματος των ενδοτύπων του SLE. Δεδομένου ότι τα μονοκύτταρα, ένας κυτταρικός τύπος της έμφυτης ανοσίας, έχουν κεντρικό ρόλο στην παθογένεση του SLE, ακολουθήσαμε μια παρόμοια προσέγγιση χρησιμοποιώντας δεδομένα αλληλούχισης RNA μονοκυττάρων που απομονώθηκαν από ασθενείς με SLE. Συγκεκριμένα, εντοπίσαμε έναν αναστολέα της κινάσης σερίνης/θρεονίνης Pim-1 "SGI-1776" ως μια πολλά υποσχόμενη θεραπεία που στοχεύει το μονοπάτι Pim-1/NFATc1/NLRP3. Τέλος, για να επισπεύσουμε την έρευνα της LN, επιμεληθήκαμε χειροκίνητα τη βιβλιογραφία ψάχνωντας για μηχανιστικές μοριακές αλληλεπιδράσεις που σχετίζονται με την LN και στη συνέχεια τις απεικονίσαμε σε έναν χάρτη ασθενειών, δημιουργώντας έτσι τον χάρτη νεφρίτιδας του λύκου (LNmap). Επί του παρόντος, ο χάρτης περιέχει 164 δημοσιεύσεις στη βάση δεδομένων του, οι οποίες περιγράφουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ και εντός 9 τύπων κυττάρων, ονομαστικά στα μεσαγγειακά κύτταρα, ποδοκύτταρα, CD4+ Τ-κύτταρα, CD8+ Τ-κύτταρα, Β-κύτταρα, δενδριτικά κύτταρα, μονοκύτταρα, μακροφάγα και στα ουδετερόφιλα. Ο χάρτης σχεδιάζεται να κυκλοφορήσει στο άμεσο μέλλον στους τελικούς του χρήστες, τους ερευνητές και ιατρούς που σχετίζονται με την LN και βρίσκεται υπό συνεχή ανάπτυξη για να επεκτείνει και να βελτιώσει τις παρεχόμενες πληροφορίες και να αυξήσει την αξιοπιστία και τον αντίκτυπό του στην έρευνα της LN.