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La pandémie de COVID-19 ne montre aucun signe de déclin ou d'extinction de sitôt. Maintenant, une nouvelle étude publiée sur le serveur de pré-impression bioRxiv * en août 2020 montre une nouvelle approche bioinformatique pour étudier la pathogenèse de cette maladie, en découvrant les gènes différentiellement exprimés (DEG) et les voies de signalisation cellulaire à l'origine des caractéristiques de la maladie. Cela aidera à développer de meilleures thérapies pour contrer les effets de ces gènes.
Sommaire
La cible virale et le processus de la maladie
Le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) est un virus à ARN dont la taille du génome varie entre 26 et 32 kB. Il contient à la fois des protéines structurelles, y compris les glycoprotéines de pointe, les protéines membranaires, les protéines d'enveloppe et la nucléocapside, et des protéines non structurales, y compris les protéases. L'infection de la cellule hôte par ce virus déclenche une réponse antivirale. Cependant, une réponse immunitaire non régulée peut contribuer aux lésions tissulaires graves observées dans la maladie grave à COVID-19.
Alors qu'une majorité de patients atteints de COVID-19 sont asymptomatiques ou ne présentent que des symptômes légers, une minorité significative développe une inflammation pulmonaire sévère, un syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA) et certains meurent. La maladie implique non seulement un dysfonctionnement ciliaire mais également des voies de signalisation pro-inflammatoires, conduisant à un syndrome d'activation des macrophages, également appelé tempête de cytokines. La pathogenèse de cette grave détérioration chez les patients atteints de COVID-19 n'est pas claire.
Le virus cible principalement l'épithélium bronchique humain, qui possède le récepteur viral, l'enzyme de conversion de l'angiotensine (ACE) 2. Afin de comprendre la pathogenèse de la maladie, les scientifiques ont effectué des tests sur microréseau, mais la petite taille de l'échantillon limite ces expériences.
L'étude actuelle a utilisé une variété de technologies, y compris l'analyse des données GEO, de l'Omnibus d'expression génique pour trouver les DEG et les processus biologiques associés. Les chercheurs ont travaillé sur les organoïdes bronchiques humains (hBO).
Identification des DEG
Le mécanisme de l'infection dans la bronche humaine a été exploré en comparant la signature transcriptionnelle de ces hBO avec des témoins non infectés. Ils ont constaté que le niveau d'expression de 89 gènes était différent dans ces deux types de cellules. Ces DEG comprenaient 59 gènes régulés à la hausse et 30 gènes régulés à la baisse, dans les hBO, par rapport aux témoins négatifs.
Pour comprendre le mécanisme sur les bronches humaines infectées par le SRAS-CoV-2, la signature transcriptionnelle modulaire des organoïdes bronchiques humains infectés par le SRAS-CoV-2 (hBO) a été comparée à celle des témoins non infectés. Un total de 89 gènes ont été identifiés comme étant différentiellement exprimés dans les hBO infectés par le SRAS-CoV-2 avec le seuil de P <0,01. Parmi ces DEG, 59 étaient régulés à la hausse et 30 à la baisse dans les hBO infectés par le SRAS-CoV-2 par rapport aux témoins négatifs.
Analyse d'enrichissement des DEG
Les chercheurs ont ensuite examiné les DEG en utilisant la voie KEGG et les catégories Gene Ontology (GO) pour une analyse d'enrichissement. KEGG est une ressource de base de données intégrée qui dispose également d'une base de données générée par ordinateur dans de nombreuses catégories telles que le métabolisme, ainsi que d'autres fonctions au niveau cellulaire et de l'organisme. Dans leur analyse d'enrichissement, les ensembles de gènes sont interprétés en attribuant des gènes à plusieurs zones prédéfinies, en fonction de leurs caractéristiques fonctionnelles.
Les trois principales voies KEGG les ont conduits à identifier les trois premiers composants des cellules. Ce sont la fraction cellulaire, la fraction insoluble et la fraction membranaire.
L'importance de l'apoptose
Ils ont ensuite identifié les trois processus biologiques les plus importants, à savoir la mort, la mort cellulaire et l'apoptose. Les chercheurs ont découvert que le processus de mort et d'apoptose était principalement observé dans l'ensemble des processus biologiques. La voie de l'apoptose, avec signalisation de la mort, est essentielle pour éliminer le SRAS-CoV-2 des hBO. Des gènes tels que XAF1, TNNF et FAS sont impliqués dans l'apoptose des lymphocytes T chez ces patients.
Des recherches antérieures ont indiqué que des anomalies ciliaires de l'épithélium bronchique se trouvaient dans cette maladie. Ceci, à son tour, prédispose aux infections secondaires, à l'apoptose et à la mort cellulaire. Les voies respiratoires infectées présentent des changements tels que l'apoptose et la perte de péricyte dans les capillaires alvéolaires, ainsi que la mort cellulaire causée par le stress oxydatif. Au fur et à mesure que la maladie progresse, le virus infecte largement les cellules trachéales, les faisant entrer en apoptose et nécrose.
Dysrégulation enzymatique dans COVID-19
Troisièmement, ils ont choisi les trois principales fonctions moléculaires, qui sont l'activité d'inhibiteur d'enzyme, l'activité d'inhibiteur de peptidase et l'activité d'inhibiteur d'endopeptidase. La maladie provoque une dérégulation enzymatique chez les hBO. La synthèse virale nécessite que les polyprotéines soient traduites à partir du génome de l'ARN viral. Ainsi, les trois principaux processus moléculaires dans ces cellules infectées sont «activité d'inhibiteur d'enzyme», «activité d'inhibiteur de peptidase» et «activité d'inhibiteur d'endopeptidase».
Les chercheurs commentent: «Ces résultats indiquent que le SRAS-CoV-2 peut inhiber l'activité de l'inhibiteur enzymatique dans les hBO pour créer plus de polyprotéines et de virus. Ainsi, les hBO peuvent être une base potentielle de production de virus pendant les maladies COVID-19. »
Liaison des cytokines et gravité du COVID-19
Les chercheurs suggèrent que les principales voies de signalisation sur l'analyse KEGG dans les hBO infectés par le SRAS-CoV-2 sont l'interaction des récepteurs cytokines-cytokines, la voie P53 et l'apoptose. Certaines des cytokines qui sont sécrétées lorsque la cellule est exposée à un activateur comprennent l'IL-1, l'IL-6 et le TNFa. Ces molécules interagissent avec des récepteurs cellulaires spécifiques à la surface cellulaire pour déclencher une réponse cellulaire. Le SARS-CoV-2 interagit également avec le récepteur de surface ACE2 via sa protéine de pointe, pour parvenir à une entrée cellulaire. Cela suggère que de nombreuses cytokines se lient à la surface de la cellule infectée et déclenchent une inflammation simultanément avec la liaison et l'entrée du virus. Cela pourrait conduire à l'identification de ces cytokines et à la suppression d'une telle liaison pour réduire la gravité du COVID-19.
Rôle central de la voie NF-κB
L'étape suivante consistait à simuler un réseau PPI à l'aide d'un programme Cytoscape. Ce PPI au niveau des protéines relie 84 nœuds, avec 30 interactions entre les hBO infectés et non infectés. Les fonctions des modules géniques les plus importants des hBO infectés par rapport aux hBO non infectés ont été analysées et les 10 principales voies biologiques en termes de signification ont été identifiées. Cela a montré l'implication de la voie NF-κB dans COVID-19.
Il s'agit d'une voie centrale de l'inflammation car elle est impliquée dans l'expression ultérieure de gènes pro-inflammatoires, y compris les cytokines, les chimiokines et les molécules d'adhésion. Son activation est connue pour sous-tendre l'induction de nombreux gènes dans des conditions inflammatoires ainsi que pour réguler une multitude de voies de signalisation, notamment STAT3, RGS12 et P53. L'inhibition de cette molécule pourrait potentiellement réduire la gravité de l'infection par le SRAS-CoV-2.
Conclusion
L'étude résume: «NFKBIA, C3 et CCL20 peuvent être des gènes clés dans les hBO infectés par le SRAS-CoV-2. Notre étude a suggéré que «l'interaction des récepteurs cytokine-cytokine», «la voie de signalisation P53» et «l'apoptose» étaient les principales voies de signalisation pendant l'infection par le SRAS-CoV-2. «Une intervention appropriée dans ces voies pourrait potentiellement inverser l'évolution de la maladie, suggèrent ces résultats.
*Avis important
bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, guider la pratique clinique / les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.
