基于血浆循环蛋白的多组学整合分析揭示了溃疡性结肠炎的潜在治疗靶点

《Frontiers in Molecular Biosciences》：Multi-omics integration analysis based on plasma circulating proteins reveals potential therapeutic targets for ulcerative colitis

1.本研究通过多组学整合分析，系统鉴定溃疡性结肠炎（UC）的核心诊断基因及调控网络，结合机器学习筛选出EIF5A2、IDO1、CDH5和MYL5四个关键基因，构建并验证了具有高预测价值的诊断模型，并通过小鼠实验和单细胞测序确认其表达变化及细胞类型特异性。

　　溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）是一种复杂的炎症性肠病，其病因尚不明确，且分子机制的研究仍面临诸多挑战。UC的主要特征是结肠和直肠黏膜的反复炎症，常伴随腹痛、腹泻和直肠出血等症状。近年来，随着全球工业化进程的加快，UC的发病率和患病率在许多新兴工业国家显著上升，尤其是在西方国家，其患病率已被估计为每10万人中有505例。UC的发病机制涉及遗传易感性、环境因素、免疫失调以及肠道菌群紊乱等多重因素，这些因素共同作用导致上皮屏障功能障碍和慢性炎症的发生。尽管在理解这些机制方面取得了进展，但由于疾病的异质性和现有治疗手段（如免疫抑制剂和生物制剂）的局限性，精确的治疗靶点的识别仍然是一个重大挑战，这些治疗手段往往无法实现长期缓解。

本研究旨在通过多组学整合分析，识别潜在的诊断和治疗生物标志物，从而为UC的精准诊断和治疗提供新的视角。为了达到这一目标，研究者整合了来自基因表达数据库的基因表达数据以及来自全基因组关联研究的蛋白质定量性状位点（pQTL）数据，以识别重叠基因。随后，采用三种机器学习算法筛选出核心枢纽基因，并构建了诊断模型并进行了外部验证。此外，研究还利用单细胞测序技术探讨了核心枢纽基因在不同细胞类型中的表达谱。还对免疫浸润、功能富集和调控网络进行了分析。最后，通过RT-qPCR在DSS诱导的UC小鼠模型中验证了核心枢纽基因的表达趋势。

研究结果显示，通过孟德尔随机化（MR）分析，共识别出168种与UC具有因果关联的血浆蛋白，其中67种为保护因子，101种为风险因子。差异表达分析显示有1,011个差异基因（DEGs），而MR结果与DEGs的交集确定了12个重叠基因。利用三种机器学习算法，研究者筛选出四个核心枢纽基因：EIF5A2、IDO1、CDH5和MYL5。通过构建和验证诊断模型，这些基因在预测模型中表现出了强大的预测性能，且在外部验证数据集中得到了进一步确认。基因集富集分析（GSEA）表明，这些基因参与了多种生物学过程，包括免疫反应、信号转导、代谢和细胞应激。CIBERSORT免疫浸润分析揭示了UC组织与正常组织之间在免疫细胞浸润方面的显著差异。此外，还构建了一个全面的mRNA-miRNA-lncRNA调控网络，识别出可能驱动UC发病的关键分子相互作用。单细胞RNA测序分析表明，CDH5主要在内皮细胞中表达，EIF5A2在干细胞/T细胞中富集，IDO1在单核细胞中表达，而MYL5则在上皮和内皮细胞中发现。最终，RT-qPCR在DSS诱导的UC小鼠模型中验证了核心枢纽基因的表达变化与生物信息学预测结果一致。

本研究系统地识别了UC的核心诊断基因及其调控网络，为UC的发病机制提供了新的见解。EIF5A2是真核生物翻译延伸因子家族的重要成员，主要参与蛋白质翻译延伸和多肽链合成。近年来，EIF5A2在多种癌症中的作用已被广泛研究，如乳腺癌、肝癌、胰腺癌和胃癌。然而，其在UC中的作用尚未被充分研究。本研究首次发现EIF5A2在UC患者中显著上调，并通过MR分析进一步证实了其与UC的因果关系。这一发现表明，EIF5A2可能在UC的发病机制中发挥重要作用。此外，一项研究发现，小分子抑制剂SRI-011381可能成为靶向EIF5A2的有希望的候选药物。该化合物在临床前模型中表现出显著的疗效，提示开发针对EIF5A2的特异性抑制剂可能为癌症治疗提供新的途径。然而，其在UC中的作用仍需进一步研究。EIF5A2的主要功能在于调控蛋白质翻译延伸和多肽链合成，其独特的翻译调控功能依赖于一种高度保守且特异的翻译后修饰——hypusination。EIF5A2参与细胞增殖、凋亡、炎症反应以及转录和RNA代谢的调控，因此其上调可能与炎症信号通路的激活密切相关。本研究的GSEA分析表明，EIF5A2的高表达在诸如细胞因子-细胞因子受体相互作用和葡萄糖代谢等关键通路中显著富集，这表明EIF5A2可能通过调控免疫细胞的激活和迁移来促进炎症的发展。在UC的慢性炎症环境中，EIF5A2可能通过调节T细胞功能来加剧局部肠道免疫失衡。这一观点与肿瘤微环境中EIF5A2的作用相似，其已被证明可以促进细胞迁移并增强生存信号。此外，单细胞RNA测序数据进一步表明，EIF5A2主要在肠道上皮干细胞和T细胞群体中高度表达，进一步提示其在维持肠道上皮再生和免疫稳态中的双重作用。值得注意的是，EIF5A2还被预测为多个微小RNA（如hsa-miR-1225-3p和hsa-miR-1227-3p）的靶标，这些微小RNA同时调控一组长链非编码RNA（如LINC01002和LINC01106）。这种调控网络表明，EIF5A2的表达可能受到多层次表观遗传调控，从而允许其在UC的病理过程中进行精确的调控。这些发现为进一步探索EIF5A2在UC中的分子机制提供了基础，并为开发基于微小RNA或长链非编码RNA的靶向治疗策略提供了潜在的方向。基于这些发现，我们的未来研究计划将利用已验证的小分子抑制剂SRI-011381，通过抑制EIF5A2来缓解UC症状，从而为UC的治疗提供新的靶点。

除了EIF5A2，本研究还识别出另外三个核心基因，它们涉及不同的但相互关联的生物学过程，包括免疫调节、上皮完整性以及细胞代谢。IDO1在色氨酸代谢和免疫调节中起着关键作用，其在UC中的显著上调提示其可能通过色氨酸-犬尿氨酸通路调节免疫耐受。此外，一项先前研究发现，IDO1通过GRS78-XBP1通路诱导M1型巨噬细胞极化，从而与内质网应激相关，进而促进UC的发展。在本研究中，我们还观察到IDO1与M1型巨噬细胞呈正相关，与M2型巨噬细胞呈负相关，这表明IDO1可能通过激活M1型巨噬细胞参与UC的进展。另一项研究指出，氧化苦参碱通过抑制IDO1来缓解UC，从而减少炎症和铁死亡。因此，抑制IDO1活性可能有助于恢复免疫平衡，缓解UC症状并减少炎症反应。尽管IDO1抑制剂在UC中的应用仍处于早期阶段，但目前的证据表明，靶向IDO1可能成为UC干预的一种有前景的治疗策略，特别是在与其他免疫调节治疗联合使用时，可能带来更显著的临床益处。

CDH5，也被称为血管内皮钙黏蛋白，是一种主要在内皮细胞中表达的跨膜蛋白，其在维持血管屏障功能中发挥着关键作用。内皮功能障碍是UC进展的一个标志性特征，会导致免疫细胞浸润和组织修复受损。在本研究中，我们首次发现CDH5在UC患者中显著上调。免疫浸润分析表明，CDH5主要在中性粒细胞浸润区域表达。单细胞RNA测序进一步确认了CDH5在内皮细胞簇中的高度表达，突显了其在炎症期间血管重塑中的作用。这些发现表明，CDH5可能通过介导免疫细胞迁移和内皮细胞激活来参与UC的炎症微环境。此外，CDH5在白细胞粘附和内皮通透性中的作用提示其可能参与黏膜屏障的破坏。针对CDH5以增强内皮完整性并减少免疫细胞浸润可能成为一种新的治疗策略，以缓解炎症并促进黏膜修复。

MYL5编码一种肌球蛋白轻链，是维持细胞骨架动态和细胞收缩的重要蛋白。肌球蛋白在维持上皮结构和功能中起着关键作用，尤其是在肠道屏障中，该屏障在UC患者中常常受损。一项先前研究指出，MYL5在多种癌症中（如乳腺癌、结直肠癌、食管癌、胃癌、头颈癌和白血病）的表达均低于相应正常组织。同样，我们的研究发现MYL5在UC患者中显著下调，这提示其可能参与屏障功能障碍和上皮修复受损。GSEA分析显示，MYL5在与氨基酸和核苷酸糖代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢以及视黄醇代谢相关的通路中富集，表明其在应激反应和代谢调节中的作用。这些通路对于维持上皮稳态至关重要，而MYL5的表达减少可能导致细胞骨架不稳定、肠道通透性增加以及炎症加剧。单细胞RNA测序结果显示，MYL5主要在肠道上皮和内皮细胞中表达，进一步证实了其在维持肠道屏障结构完整性中的重要性。恢复MYL5的表达或补偿其功能损失可能为减少肠道通透性和预防UC相关炎症恶化提供一种潜在策略。

本研究的显著优势在于全面应用了多组学方法，整合了MR分析、基因表达谱、机器学习算法以及体外验证，系统地识别并验证了UC的因果遗传因素。这种多层次的研究策略不仅有效减少了单组学研究中常见的假阳性结果，还显著提高了研究结果的可靠性和可重复性。此外，单细胞RNA测序技术的应用使我们能够将基因表达定位到特定的细胞类型，为核心基因的细胞背景提供了关键的见解。尽管本研究具有多项优势，但也存在一些局限性。首先，本研究中的MR分析依赖于GWAS数据生成的遗传工具，这些数据主要基于欧洲人群。这种依赖可能限制了研究结果在其他族群中的普遍性，并可能无法充分反映不同族群间的遗传和环境异质性。未来的研究应着重于在更多样化的族群中验证这些核心基因的作用，以提高研究结果的适用性。此外，本研究中使用的转录组数据来自公共数据库，缺乏大规模临床样本的验证。这种数据的固有异质性和批次效应可能影响结果的稳健性。未来的研究应纳入多中心样本并进行批次效应校正，以进一步提高数据的可靠性。其次，尽管我们通过DSS诱导的UC小鼠模型验证了三个上调基因的功能，但MYL5基因在小鼠中并不存在，因此无法在该模型中进行验证。此外，该模型主要模拟急性肠道炎症，可能无法完全再现人类UC的慢性和复发性特征。同时，DSS诱导的炎症进展速度和严重程度均高于人类UC中的炎症情况。此外，小鼠与人类在免疫系统结构和肠道微环境方面存在显著差异。因此，未来的研究应采用患者来源的类器官模型或慢性UC动物模型，以进一步验证这些基因在UC进展中的作用。此外，由于本研究高度依赖于计算预测和生物信息学分析，可能存在一定的解释性限制。因此，未来的研究应纳入更全面的实验数据，如基因敲除、过表达实验以及蛋白质层面的研究，以进一步验证这些基因的功能和机制。最后，由于缺乏临床样本验证核心基因的差异表达，限制了研究结果在跨物种中的普遍性。未来的研究应着重于阐明这些核心基因在UC发病机制中通过特定信号通路和分子网络的相互作用，以进一步揭示其作用并支持其作为治疗靶点的潜力。