整合单细胞RNA测序与孟德尔随机化分析鉴定扩张型心肌病的潜在药物靶点

《Hereditas》：Integrating single-cell RNA sequencing and Mendelian randomization analysis to identify potential drug targets for dilated cardiomyopathy

本研究针对扩张型心肌病（DCM）缺乏靶向疾病进展疗法的难题，通过整合孟德尔随机化（MR）、贝叶斯共定位和单细胞RNA测序技术，系统筛选出IMPA1和ITIH4两个具有因果关联的潜在药物靶点。研究发现IMPA1在DCM心脏活化成纤维细胞中表达下调，提示肌醇代谢紊乱参与纤维化进程，而ITIH4通过维持细胞外基质稳定性发挥保护作用。该多组学研究为DCM精准治疗提供了新靶点，彰显了基因组学与单细胞转录组学整合在心血管疾病药物开发中的潜力。

　　

在心血管疾病领域，扩张型心肌病（Dilated Cardiomyopathy, DCM）犹如一个隐匿的"心脏杀手"，它以心室扩张和收缩功能受损为特征，是全球心力衰竭和心源性猝死的主要元凶。据统计，约每250人中就有1人患病，且男性发病率高出女性1.5倍。尽管现代医学已有β受体阻滞剂、血管紧张素转换酶抑制剂等药物可缓解症状，但能够真正阻断疾病进展的靶向治疗手段依然匮乏。这种治疗困境凸显了深入探索DCM发病机制、寻找新型治疗靶点的紧迫性。

近年来，全基因组关联研究（Genome-Wide Association Studies, GWAS）技术的发展为破解DCM的遗传密码带来了希望。然而，大多数疾病相关的单核苷酸多态性（Single-Nucleotide Polymorphisms, SNPs）往往通过间接调控基因表达而非直接改变蛋白质功能来影响疾病发生，这使得从众多遗传信号中精准识别真正有治疗价值的靶标基因变得异常困难。"可成药基因组"（druggable genome）概念的提出为这一难题提供了新思路，它聚焦于那些编码可被药物调控的蛋白质的基因集合。研究表明，针对经过遗传学验证的基因进行药物开发，成功率显著提高。因此，将可成药基因组与多组学方法整合，成为实现DCM精准治疗的新策略。

在此背景下，刘锐康等研究人员在《Hereditas》上发表了一项创新性研究，他们巧妙地将孟德尔随机化（Mendelian Randomization, MR）这一"自然随机对照试验"方法与单细胞测序技术相结合，旨在穿越复杂的遗传信号迷雾，发现真正具有因果关系的DCM治疗靶点。

研究人员主要运用了几项关键技术：首先采用两样本MR分析，利用来自心脏组织（左心室、心耳）和血液（eQTLGen、GTEx项目）的表达数量性状位点（expression Quantitative Trait Loci, eQTL）数据，以及来自Fenland研究、UKB-PPP研究和deCODE研究的蛋白质数量性状位点（protein Quantitative Trait Loci, pQTL）数据，评估可成药基因与DCM的因果关联。接着通过贝叶斯共定位分析确定基因表达与DCM是否由共享的因果变异驱动。然后利用基于汇总数据的MR（Summary-data-based MR, SMR）和异质性检验（HEIDI test）验证蛋白质水平与DCM的关联。最后整合DCM单细胞转录组数据集（GSE145154），分析候选基因在心脏不同细胞类型中的表达模式。

候选可成药基因的筛选与验证

研究人员从三大药理学数据库整合了5,900个可成药基因，通过MR分析在四个eQTL数据集中初步筛选出与DCM显著相关的基因。随后采用贝叶斯共定位分析，发现11个基因与DCM共享因果变异（后验概率PPH4>0.75）。进一步通过SMR和HEIDI检验，最终锁定IMPA1（肌醇单磷酸酶1）和ITIH4（α-胰蛋白酶间质抑制剂重链4）为最可靠的候选靶点。

IMPA1在血液（PPH4=0.817）和左心室组织（PPH4=0.810）中均显示与DCM存在显著保护性关联，其表达升高可降低DCM发病风险。ITIH4同样在血液（PPH4=0.889）和左心室（PPH4=0.961）中表现出强烈的保护作用。这两种基因均通过SMR显著性检验（P<0.05）和HEIDI异质性检验（P>0.05），表明蛋白质表达与DCM之间存在共享的因果变异。

表型范围MR分析

为评估靶点调控可能带来的潜在副作用和额外治疗适应症，研究人员开展了表型范围MR（Phe-MR）分析。结果显示，IMPA1未与其他表型呈现显著关联，而ITIH4与紧张情绪、身高降低和体重指数下降等代谢相关性状有关，提示其在调控时需关注这些潜在效应。

单细胞转录组分析

对DCM和对照组心脏组织的75,959个细胞进行分析，鉴定出10种主要细胞类型，包括心肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞等。通过观察值与期望值比率（Ro/e）分析发现，T细胞和B细胞主要富集于血液，而其他细胞群体主要在心脏组织中发挥作用。

重要的是，单细胞分析揭示IMPA1在DCM心脏的活化成纤维细胞中表达降低，这与MR分析结果相互印证，提示肌醇代谢紊乱可能参与DCM的心脏纤维化进程。相比之下，ITIH4主要在平滑肌细胞中表达，表明其可能通过维持血管结构和细胞外基质稳定性发挥保护作用。

成纤维细胞亚群分析

研究人员进一步将成纤维细胞细分为五个亚群：活化FB、活化肌成纤维细胞、COL处理FB、成脂FB和静息FB。发现在DCM组中，成脂FB和活化FB细胞数量增加，而静息FB在对照组中更丰富。IMPA1在DCM组的活化FB和活化肌成纤维细胞中表达降低，提示这些亚群在DCM进展中扮演特殊角色。

伪时序分析描绘了成纤维细胞亚群的分化轨迹，显示DCM组中活化FB、成脂FB和COL处理FB等细胞群体聚集模式改变，反映了DCM心肌纤维化的病理特征。细胞通讯分析还发现DCM中成脂FB与活化FB、COL处理FB之间的通讯增强，提示脂质代谢在DCM进展中可能发挥作用。

研究结论与意义

这项多组学研究通过整合遗传学和单细胞转录组学数据，首次将IMPA1和ITIH4确定为DCM的潜在治疗靶点。IMPA1作为肌醇代谢通路的关键酶，其表达下调可能导致心肌细胞能量代谢紊乱和成纤维细胞活化，从而促进心脏纤维化。ITIH4则通过维持细胞外基质稳定性，防止心室扩张和心肌僵硬。这些发现不仅为DCM的精准治疗提供了新靶点，也展示了多组学整合策略在心血管疾病药物开发中的强大潜力。

研究的创新之处在于：首次系统评估可成药基因组与DCM的因果关联；利用多组织eQTL和pQTL数据交叉验证；通过单细胞分辨率揭示靶点表达的细胞特异性。然而，研究也存在一定局限，如遗传变异可能通过多基因效应影响结果，心肌细胞捕获不足，以及样本仅限于欧洲人群等。未来需要更多实验验证和跨种族研究来推进这些靶点的临床转化。

总之，这项研究为DCM的精准治疗开辟了新途径，证明将基因组学与单细胞技术相结合，可以加速心血管疾病的药物发现进程，为更多患者带来希望。