2024年诺贝尔生理学或医学奖新鲜出炉，维克托·安布罗斯和加里·鲁夫昆发现了miRNA及其在转录后基因调控中的作用，至此miRNA在研究领域又大火了一把。
RNA分为编码RNA和非编码RNA，miRNA是非编码RNA 的一种，即不编码蛋白质，但是miRNA在调节多种生物过程中起着至关重要的作用，包括组织成熟、细胞增殖和程序性细胞死亡，它们的表达失调可以对各种疾病的发生和发展产生重大影响。因此，利用生物信息学或计算方法的分析程序，对识别在疾病背景下受到干扰的miRNA及其与发病机制的关联至关重要。
今天小编和大家分享一篇2024年5月发表在Brief Bioinform上的一篇文献，该文献提供了一个研究miRNA表达的新方法——IDMIR，该方法考虑到了miRNA-miRNA相互作用（MMI），并且能够预测在特定疾病中表达失调的miRNA，并以乳腺癌和膀胱尿路上皮癌为例进行了验证。作者团队创建了名为IDMIR的R软件包，可以在CRAN （https://CRAN.R-project.org/package=IDMIR）上获取。
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IDMIR的构建原理主要分为4个步骤：
①数据收集与预处理：IDMIR收集了miRTarBase、Tarbase v8、miR2Disease和miRecords数据库中与人相关的miRNAs及其靶基因，并收集了基因组数据共享（GDC） TCGA队列中不同癌症的组织转录组数据。
②构建疾病背景下的miRNA/GO二部图。
③构建疾病背景下的miRNA-miRNA相互作用网络。
④使用随机行走与重启（RWR）算法来计算miRNA的特征向量中心性得分，这些分数可以作为疾病相关的miRNA失调的重要性的指标。
图1. IDMIR构建原理
实践是检验真理的唯一标准。接下来我们就跟随作者，进行乳腺癌和膀胱癌的验证。
作者首先应用IDMIR鉴别出各癌种的失调miRNA，并从miRNA/GO二部图、稳定性、可重复性三方面进行评估；然后构建个体miRNA的风险评分（IMRS）模型和多重miRNA的风险评分（MMRS）模型对临床预后、免疫相关等进行预测和验证。
根据FDR≤0.01，IDMIR共鉴定出9个显著失调的miRNA，分别是miR-21-5p、miR-26a-5p、miR-369-5p、miR-1238-3p、miR-10b5p、miR-27b-3p、miR-5585-3p、miR-523-3p和miR-3116。（表1）
表1. IDMIR在BRCA中鉴定的miRNA显著失调（FDR≤0.01）
作者对该预测结果进行了评估。首先作者分析了这9个失调miRNA的miRNA/GO二部图。GO分析包括六类：分子功能调节剂活性、催化活性、分子换能器活性、结合、转运体活性和其他。结果表明，几乎所有失调的miRNA都与“结合”和“催化活性”有关，提示乳腺癌细胞中miRNA的失调可能会通过干扰物质结合和催化过程，从而影响信号传递、细胞增殖和侵袭等生物学过程。
为了评估IDMIR方法的稳定性，作者进行了BRCA数据集的数据排除实验，依次从整个基因表达谱中排除5% ~ 20%的基因表达值，以5%为增量，并对每个排除实例迭代应用IDMIR 20次。结果表明，不同的数据删除实例对预测精度的影响很小，说明IDMIR在面对数据删除场景时具有稳定性。
可重复性也是科研的重要所在。作者从ICGC网站和GEO数据库（GSE42568）中获取了另外两个BRCA基因表达队列，对这些队列使用IDMIR，再与原始的TCGA-BRCA队列对比。图2D说明在所有三个数据集中都存在19个miRNA，表明我IDMIR具有高度可重复性。（图2）
MiR-21-5p是IDMIR鉴定出的BRCA中最明显的失调miRNA，作者利用miR-21-5p的靶基因构建基于个体miRNA的风险评分（IMRS）模型，来分析miR-21-5p在BRCA中的预后能力。所有个体经评估后以中位数IMRS为阈值，分为高IMRS组和低IMRS组。Kaplan-Meier分析显示，IMRS较高的组的总生存率显著降低。然后，作者将风险模型应用于独立验证集（ICGC-BRCA数据集和GSE42568），预后效果与IDMIR一致。这提示IDMIR可以识别具有预后意义的miRNA。（图3）
考虑到miRNA之间复杂的相互作用，作者使用所有鉴定出的显著失调的miRNA建立了一个基于多重miRNA的风险评分（MMRS）模型，以MMRS的中位数为阈值分为MMRS高组和低组。Kaplan-Meier分析显示，MMRS较高组的总生存率明显降低（图4A）。采用时间相关ROC分析进一步评价MMRS对预后的预测能力。1年、3年和5年生存率的AUROC分别为0.904、0.876和0.879（图4B）。作者将MMRS模型应用于独立验证集（ICGC-BRCA数据集和GSE42568），结果与IDMIR一致。
随后，作者比较了多重miRNA MMRS和单miRNA IMRS模型1年至10年的AUROC值随时间的变化。结果表明，与每种IMRS模型相比，MMRS模型表现出最佳的预测性能（图4C）。此外，通过多变量Cox回归分析，MMRS仍然具有独立于患者年龄、肿瘤分期和分级的预后意义（图4D），对患者预后的预测能力仍然更强（图4E）。（图4）
接下来，对MMRS高、低组进行基因集富集分析（GSEA）分析。作者从KEGG数据库中共获得323个通路基因集。根据FDR <0.001，共确定了27条与MMRS显著相关的通路，其中7条在MMRS高组激活，另外20条在MMRS低组激活（图5A）。
许多免疫相关通路在低MMRS组被激活，如“B细胞受体信号通路”、“T细胞受体信号通路”和“Th1和Th2细胞分化”（图5B），这可能是良好预后的潜在因素。在高MMRS组，“细胞周期”和“氧化磷酸化”被激活（图5B）。
作者还评估了免疫细胞浸润的程度，在低MMR组中所有免疫特征都显著富集（图5C）。这些表明，MMRS模型，除了精确评估患者预后外，还有可能根据患者的免疫微环境对患者进行分层，从而为免疫治疗的选择提供新的见解。（图5）
作者首先将IDMIR应用于BLCA的GDC TCGA转录组数据。根据FDR≤0.01，IDMIR共鉴定出13个显著失调的miRNA。并评估了IDMIR在识别BLCA中失调miRNA方面的性能和稳定性、可重复性。
随后，作者利用在BLCA中发现的所有显著失调的miRNA构建了MMRS模型，以MMRS的中位数为界，将患者分为MMRS高组和MMRS低组。Kaplan-Meier分析显示，高MMR组的总生存率显著降低（图6D）。采用时间相关的ROC分析，1年、3年和5年总生存率的AUROC分别为0.844、0.847和0.852（图6E）。此外，在两个不同的验证集（ICGC-BLCA和GSE13507）中验证了MMRS模型的预测能力，结果与MMRS的一致。
为了探索MMRS在免疫治疗领域的潜力，作者在两个尿路上皮癌免疫治疗队列中采用了MMRS模型：IMvigor210队列和GSE176307队列。研究发现在IMvigor210队列中，低MMRS组的总生存率显著提高（图6F）。此外，通过双侧卡方检验，低MMR组患者对免疫治疗的良好反应[完全缓解（CR）和部分缓解（PR）]的倾向增加（图6G）。同样，MMRS与预后（图6H）以及免疫治疗反应（图6I）之间的关联在GSE176307队列中得到了进一步的验证。（图6）
最后，为了促进跨癌症研究，作者将IDMIR应用于多种类型的癌症，以揭示癌症之间的共同生物学机制。作者从GDC TCGA网站中选择了14种不同的癌症类型。将IDMIR应用于这些癌症队列，并比较在不同癌症中发现的前10个失调miRNA。在至少四种类型的癌症中发现了九种被认为是潜在失调的miRNA。其中，最常观察到的是miR-21-5p，在七种类型的癌症中均可检测到miR-21-5p，包括LUSC、BLCA、KIRP、LUAD、PRAD、BRCA和UCEC（图7A）。MiR-21-5p在肿瘤样本中表现出更高的表达水平，与先前的研究一致（图7B，双侧Wilcoxon秩和检验）。
为了深入研究miR-21-5p参与癌症调控的潜在生物学机制，作者利用KEGG途径对其靶基因进行了超几何富集分析。根据FDR < 0.05，共有15条通路在靶标中显著富集（图7C），包括“p53信号通路”和“细胞衰老”，以及与免疫相关的途径，如“Th17细胞分化”和“细胞因子-细胞因子受体相互作用”。
以MiR-21-5p的靶基因为基础，在七个癌症队列中分别建立了一个IMRS模型，单因素Cox回归分析显示，基于Mir-21-5p的IMRS与患者生存率之间存在显著相关性（图7D）。（图7）
IDMIR是在mRNA水平上推断miRNA之间的相互关系，并且能够预测疾病相关的失调miRNA。这弥补了miRNA转录组数据的严重局限性。
参考引用：
1.诺贝尔奖官方网站：https://www.nobelprize.org/
2.Jiashuo Wu, Xilong Zhao, Yalan He, et.al, IDMIR: identification of dysregulated miRNAs associated with disease based on a miRNA–miRNA interaction network constructed through gene expression data, Briefings in Bioinformatics, Volume 25, Issue 4, July 2024, bbae258, https://doi.org/10.1093/bib/bbae258
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