Comparative Study of Multiplex Gene Expression Networks in Multiple Sclerosis

Abstract

CSD-metoden er et rammeverk utviklet ved Institutt for Bioteknologi og Matvitenskap ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU). Metoden brukes for å studere differensielle samuttrykk av gener i to grupper, og separerer de ulike formene av differensielle samuttrykk inn i de tre kategoriene konservert (C), spesifikk (S) og differensiert (D), derav CSD. I denne masteroppgaven ble CSD-metoden brukt til å generere tidsavhengige multiplekse CSD nettverk hvor MS-pasienter ble sammenlignet med friske kontroller. Et program som tar inn tre CSD-nettverk, laget med de to samme gruppene av pasienter og kontroller ved tre ulike tidspunkt, ble utviklet for å generere multiplekse nettverk som sammenlignes på node-, link- og nabolagsnivå. Det ble dannet to slike multiplekse nettverk, et hvor MS-pasienter ble sammenlignet med friske kontroller, og ett hvor MS-pasienter behandlet med IFN-b ble sammenlignet med den samme kontrollgruppen.

De multiplekse CSD-nettverkene avslørte biologiske prosesser med genutrykksmønstre som ikke ble påvirket av sykdommen eller behandlingen. Eksempler på slike prosesser var hjerte-relaterte prosesser, prosesser involvert i utvikling av ekstracellulære vev, samt den spesifikke prosessen "Kollagenaktivert tyrosin kinase reseptor signalvei". En prosess som utmerket seg med et spesifikt (S) utrykksmønster mellom pasienter og kontroller var "NLS-bærende proteinimport til kjernen". En hypotese er at denne prosessen kan assosieres med genregulering hos MS-pasienter.

Mange av de mest fremtredende hubbene i nettverkene kunne kobles til MS aller IFN-b. Både sykdommen multippel sklerose og behandlingen IFN-b kan kobles til immunsystemet, og å separere prosesser relatert til sykdomsforløpet og behandlingsmekanismer viste seg derfor å være utfordrende. CLCN3, LUZP6 og LGALS1 var gener som viste seg som tydelige hubber i det multiplekse nettverket bestående av ubehandlede MS-pasienter, og som kunne assosieres med MS fra tidligere studier. ARIH1, HERC6 og NUB1 var viktige hubber i nettverket dannet med IFN-behandlede pasienter. Dette er regulerende gener som kan assosieres med regulering av immunsystemet og blir påvirket av IFN-b. HADHB var også sentral i dette nettverket, og kan assosieres med MS.

Konstruksjonen av multiplekse CSD-nettverk ga klare indikasjoner på genuttrykksmønstre bevart over tid mellom MS-pasienter og friske kontroller. Undersøkelse av overlappende linker og nabolag utfylte hverandre og ga et komplekst bilde av stabile genuttrykksmønstre. Differensielle (D) og spesifikke (S) samuttrykk av gener var mer stabile over tid gruppen med IFN-behandlede pasienter sammenlignet med ubehandlede pasienter. En mulig forklaring på denne tendensen er at mangfoldet i MS-typer og variasjonen i sykdomsforløpet kan resultere i stor variasjon i genuttrykksmønstre, mens effekten til et enkelt virkestoff kan gi et sterkere signaler.

The CSD method is a framework developed at the Department of Biotechnology and Food Science at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU). The method is used to study differential co-expression of genes in two groups, and separates the various forms of differential co-expression into three different types: Conserved (C), Specific (S) and Differentiated (D), thereby CSD. In this thesis, the CSD method was used to generate time-dependent multiplex networks that compared MS patients to healthy controls. A program, that uses three CSD networks generated from the same two groups at three different time-points, was developed to make multiplex networks that were investigated on node, link and community level. Two multiplex networks were constructed and studied, one comparing untreated MS patients to healthy controls, and one comparing IFN-b-treated MS patients to healthy controls.

The multiplex CSD networks revealed biological processes with gene expression patterns that were not affected by the disease nor treatment. Examples of such processes were some cardiac processes, processes involved in the development of extracellular tissues and morphogenesis, in addition to the specific process "Collagen-activated tyrosine kinase receptor signalling pathway". A biological process that stood out with a preserved specific (S) co-expression pattern between MS-patients and healthy controls was "NLS- bearing protein import into nucleus". A hypothesis is that this process could be involved in gene regulation in MS-patients.

Many of the prominent hubs in the network could be associated with MS of IFN-b. As the autoimmune disease multiple sclerosis and the medication IFN-b both interact with the immune system, separating the mechanisms of disease pathogenesis from treatment mechanisms was challenging. CLCN3, LUZP6 and LGALS1 were genes presented as distinct hubs in the multiplex CSD network of untreated MS patients that could be associated with MS based on published literature. ARIH1, HERC6 and NUB1 were genes presented as important hubs in the network of IFN-treated MS patients. These are all regulating genes that can be associated with immune regulation and possibly affected by IFN-b. HADHB was also central in this network and can be associated with MS.

The generation of multiplex CSD networks provided clear indications of time preserved expression patterns between MS patients and controls. Investigation of overlapping links and communities provided, in combination, a complex picture on stable expression patterns. Differential (D) and specific (S) co-expression of genes were more stable over time in the group of IFN-treated patients compared to untreated MS patients. A possible explanation for this trend is the diversity of MS sub-types and variation in disease progression that can result in variation in gene expression patterns, while the effect of one simple therapeutic could provide a stronger expression pattern.