整合性的批量和单细胞转录组分析揭示了IgA肾病中与线粒体代谢相关的生物标志物，并通过实验进行了验证

《Journal of Inflammation Research》：Integrative Bulk and Single-Cell Transcriptome Analyses Reveal Mitochondrial Metabolism-Related Biomarkers in IgA Nephropathy with Experimental Validation

本研究通过整合 bulk 和单细胞RNA测序数据分析，鉴定出CYP27B1和PCK1为IgAN的生物标志物，揭示其与近端小管细胞（PTCs）代谢异常及免疫微环境重塑相关，并构建了基于这两项标志物的诊断 nomogram，AUC值均超过0.8，为早期诊断提供新工具。

　　### 解读：免疫球蛋白A肾病（IgAN）中线粒体代谢相关生物标志物的识别与机制探索

免疫球蛋白A肾病（Immunoglobulin A Nephropathy，简称IgAN）是一种常见的原发性肾小球肾炎，全球范围内其患病率显著，尤其在亚洲地区更为普遍。IgAN的典型特征是肾小球系膜区沉积免疫球蛋白A（IgA），进而引发炎症反应和肾功能的进行性下降。该病可导致终末期肾病（End-Stage Renal Disease，ESRD），并伴随着高血压、血尿、蛋白尿等临床表现。目前，IgAN的诊断主要依赖于肾活检，尽管这一方法被认为是金标准，但其侵入性操作可能带来一定的风险，限制了其在儿童和老年患者中的应用。因此，开发非侵入性的、高灵敏度和特异性的生物标志物对于IgAN的早期诊断、病情监测以及治疗反应评估具有重要意义。

随着分子生物学和生物信息学技术的进步，研究人员开始关注线粒体代谢异常在IgAN发病机制中的潜在作用。线粒体不仅是细胞能量代谢的核心场所，还参与氧化磷酸化、调节细胞内的氧化还原平衡以及控制活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）水平。线粒体功能障碍，如电子传递链（Electron Transport Chain，ETC）活性降低、线粒体结构改变、线粒体生物合成减少以及细胞代谢紊乱，会导致肾细胞中氧化应激的增加。其中，ROS泄漏被认为是线粒体功能紊乱导致细胞损伤和肾小球病变的关键因素之一。此外，有研究发现，IgAN患者外周血中的线粒体DNA拷贝数与肾功能和肾脏病理表现相关，这提示线粒体功能障碍可能在IgAN的发展过程中起到一定作用。然而，目前对线粒体代谢异常在IgAN中的具体作用机制和细胞特异性表达模式仍不完全清楚。

本研究通过整合批量转录组分析和单细胞RNA测序（Single-Cell RNA Sequencing，scRNA-seq）技术，系统地探索了IgAN中的线粒体代谢相关生物标志物。研究人员从公共数据库中获取了三个与IgAN相关的转录组数据集，包括GSE93798、GSE37460和GSE171314。其中，GSE93798被用作训练集，GSE37460作为验证集，而GSE171314则提供了单细胞层面的数据。通过差异表达基因（Differentially Expressed Genes，DEGs）分析，研究团队识别出与IgAN相关的348个基因，并进一步筛选出与线粒体代谢相关的1234个基因，最终确定了43个候选基因。随后，利用机器学习算法（如LASSO回归和SVM-RFE）对这些候选基因进行了分析，识别出CYP27B1和PCK1作为潜在的生物标志物。

CYP27B1和PCK1的表达模式在IgAN患者与健康对照组之间表现出显著差异。研究发现，CYP27B1与中性粒细胞表现出最强的正相关性，而PCK1则与活化的自然杀伤（NK）细胞表现出最强的负相关性。此外，scRNA-seq分析揭示了近端肾小管上皮细胞（Proximal Tubular Cells，PTCs）作为IgAN中的关键细胞类型。值得注意的是，CYP27B1的表达在整个PTCs分化过程中保持稳定，而PCK1的表达则在分化初期逐渐增加，随后在中后期出现下降趋势。这些发现表明，CYP27B1和PCK1可能在IgAN的病理过程中发挥不同的作用，尤其是在细胞分化和代谢调控方面。

为了进一步验证这些生物标志物的临床价值，研究团队还进行了逆转录定量PCR（Reverse Transcription Quantitative Polymerase Chain Reaction，RT-qPCR）分析。结果显示，IgAN组中CYP27B1和PCK1的表达水平显著低于对照组（P < 0.001），这一结果与之前的数据库预测一致，增强了研究结果的可信度。此外，通过接收者操作特征曲线（Receiver Operating Characteristic Curve，ROC曲线）分析，CYP27B1和PCK1在训练集和验证集中均表现出良好的诊断性能，其中CYP27B1的AUC值达到100%，PCK1和MAOA的AUC值分别为99%和99.1%。这些结果表明，CYP27B1和PCK1不仅具有显著的临床相关性，还可能成为IgAN诊断和预后评估的重要工具。

研究还探讨了这些生物标志物与免疫微环境之间的关系。通过CIBERSORT算法，研究人员分析了IgAN和对照组中22种免疫细胞类型的浸润情况，发现IgAN组中M1巨噬细胞、CD8? T细胞和静息树突状细胞的比例显著增加，而初始B细胞和静息CD4? T细胞的比例则下降。这种免疫细胞分布的变化反映了IgAN中向促炎性免疫微环境的转变。同时，Spearman相关性分析表明，CYP27B1和PCK1与中性粒细胞的正相关性最强，这提示这些基因可能在调控肾小管上皮细胞与免疫细胞之间的相互作用中发挥关键作用。

在分子调控网络方面，研究团队通过miRWalk和miRDB数据库预测了与CYP27B1和PCK1相关的微小RNA（microRNA，miRNA）和长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）。结果表明，CYP27B1和PCK1受到多个调控因子的影响，其中涉及转录因子活性、转移酶活性和激酶介导的信号通路。这些通路在调控线粒体生物发生和炎症反应中起着重要作用。此外，研究还发现了一些可能靶向CYP27B1和PCK1的化合物，如环孢素A、槲皮素、孕酮和雌二醇。这些化合物可能在改善线粒体功能障碍和代谢紊乱方面具有潜在的治疗价值。

研究还通过伪时间轨迹分析（pseudotemporal trajectory analysis）探讨了PTCs在IgAN中的分化过程。结果显示，PTCs在IgAN中表现出不同的分化轨迹，其中PCK1的表达在分化初期逐渐上升，随后在中后期出现下降，而CYP27B1的表达在整个分化过程中保持稳定。这提示PTCs可能在IgAN的发病机制中扮演重要角色，尤其是在代谢和免疫反应的调控方面。

在临床转化方面，研究团队构建了一个基于CYP27B1和PCK1的诊断模型——诺莫图（Nomogram）。该模型通过将每个基因的表达水平转化为风险评分，能够直观地评估IgAN的发生概率。模型的校准曲线显示，预测结果与实际观察结果高度一致，且其诊断误差率较低。此外，决策曲线分析（Decision Curve Analysis，DCA）表明，该模型在不同风险阈值下均表现出优于单一生物标志物的净效益，从而凸显了其在临床诊断中的应用潜力。同时，临床影响曲线（Clinical Impact Curve，CIC）也显示，该模型能够准确识别IgAN的阳性病例，同时减少不必要的干预措施，尤其在低至中等风险范围内具有较高的临床实用性。

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。首先，研究依赖于公共数据库的数据，可能无法全面控制种族构成、疾病阶段和异质性因素。其次，单细胞数据的样本量相对较小，可能影响对细胞亚群的推断结果。此外，研究中观察到的中性粒细胞与NK细胞之间的相关性仍属于统计学上的关联，缺乏功能实验的直接支持。因此，未来的研究需要进一步扩大样本量，进行多中心合作，涵盖不同种族和不同疾病阶段的患者，并通过功能实验和蛋白质组学验证来深入探讨这些生物标志物在IgAN中的具体作用机制。

总的来说，本研究通过整合多种生物信息学方法和实验验证手段，成功识别了CYP27B1和PCK1作为IgAN中的线粒体代谢相关生物标志物。这些发现不仅为IgAN的分子机制提供了新的见解，还为开发非侵入性诊断工具和靶向治疗策略奠定了基础。随着对这些生物标志物的深入研究，未来有望将其应用于临床实践，为IgAN患者提供更精准的诊断和个体化的治疗方案。