遺伝子共発現解析を通じた光生体変調に対するトランスクリプトーム応答のタイムコースの解明

Elucidating the time course of the transcriptomic response to photobiomodulation through gene co-expression analysis.

• Patrick Benson
• Ji Yeon Kim
• Carlos Riveros
• Aaron Camp
• Daniel M Johnstone

抄録

低強度の赤から近赤外光を用いた光生物学的変調（PBM）は、様々な前臨床モデルや臨床で神経保護作用を示すが、PBMによって誘発される細胞内メカニズムやその時間的な変化の順序は明らかにされていない。本研究では、PBMに対する時間的なトランスクリプトーム応答をマッピングすることにより、この不確実性に対処することを目的とした。ヒトSH-SY5Y神経芽腫細胞を670nmのPBMで処理し、24時間にわたって様々な時点でRNAを収集した。RNAマイクロアレイを用いてトランスクリプトームをスクリーニングし、階層的クラスタリングによる遺伝子共発現解析とバイオインフォマティクス解析を組み合わせることで、PBMによって修飾された分子系とその時間経過に伴う発現パターンを明らかにした。その結果、PBMは初期（PBM後8時間まで）と後期（PBM後24時間まで）の細胞内反応を誘導することが示唆された。早期細胞内反応では、転写制御や細胞ストレス応答に関連する経路が濃縮され、後期細胞内反応では、細胞死やDNA損傷などの下流経路が濃縮されるように生理的にシフトしていることが示唆された。これらの知見は、PBMが一過性のストレス刺激として作用し、内因性のストレス応答経路を活性化して細胞の回復力を高めるという仮説を支持するものである。さらに、本研究では、トランスクリプトームのタイムコースデータセットを解析する際に、時間的要素の豊かさを保持するための新しい方法を紹介している。

Photobiomodulation (PBM) with low-intensity red to near infrared light elicits neuroprotection in various pre-clinical models and in some clinical contexts, yet the intracellular mechanisms triggered by PBM, and their temporal sequence of modulation, remain unclear. We aimed to address this uncertainty by mapping the temporal transcriptomic response to PBM. Human SH-SY5Y neuroblastoma cells were treated with 670 nm PBM and RNA collected a various time points over 24 h. The transcriptome was screened by RNA microarray, and gene co-expression analysis by hierarchical clustering was coupled with bioinformatics analysis to reveal the molecular systems modulated by PBM and their expression patterns over the time course. The findings suggest that PBM induces distinct early phase (up to 8 h post-PBM) and late phase (24 h post-PBM) intracellular responses. The early intracellular response features enrichment of pathways relating to transcriptional regulation and cellular stress responses, while the late intracellular response demonstrates a physiological shift to enrichment of downstream pathways such as cell death and DNA damage. These findings provide support for the hypothesis that PBM acts as a transient stressful stimulus, activating endogenous stress response pathways that in turn enhance cellular resilience. Further, the study introduces a novel method for retaining the richness of the temporal component when analysing transcriptomic time course data sets.

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