单细胞RNA测序揭示CFTR与囊性纤维化修饰基因在肺组织中的协同表达网络

《Scientific Reports》：Single-cell RNA-sequencing co-expression analysis with CFTR and CF modifier genes in lung tissue

本研究针对囊性纤维化（CF）疾病严重程度个体差异的机制问题，通过单细胞RNA测序技术分析非CF肺组织中CFTR与修饰基因的共表达关系。研究发现肺泡上皮2型（AT2）细胞、分化基底细胞和Club细胞存在显著的CFTR-修饰基因共表达网络，特别是在AT2细胞中发现CFTR-SLC6A14-SLC26A9三重共表达关系。该研究为CF治疗靶点选择提供了新的细胞水平证据，提示AT2细胞在CF病理机制中可能具有未被重视的重要作用。

囊性纤维化（Cystic Fibrosis, CF）是一种由CFTR基因功能缺失型变异引起的遗传疾病，尽管致病基因明确，但携带相同CFTR基因型的患者却表现出显著的临床症状差异。这种异质性很大程度上归因于修饰基因（modifier genes）的影响，这些基因能够调节疾病严重程度。理解CFTR与修饰基因在特定肺细胞类型中的协同表达关系，对于开发精准治疗策略至关重要。

以往的研究多基于批量RNA测序技术，无法在单细胞分辨率下解析基因表达网络。随着单细胞RNA测序（scRNA-Seq）技术的发展，现在可以在细胞水平探究CF相关的共表达活动，为识别治疗靶点提供新视角。

本研究创新性地利用SmartSeq2单细胞RNA测序技术，分析了非CF肺组织中CFTR与已知CF修饰基因的共表达模式。研究人员发现肺泡上皮2型（AT2）细胞、分化基底细胞和Club细胞具有最活跃的CFTR-修饰基因共表达网络。特别值得注意的是，在AT2细胞中观察到CFTR、SLC6A14和SLC26A9之间的显著三重共表达关系，这两个修饰基因均是CF肺疾病中最具代表性的修饰因子。

研究方法概述

研究团队整合了多个已发表的单细胞RNA测序数据集，包括来自非CF个体的SmartSeq2数据和10X Chromium数据，以及来自CF患者的10X Chromium数据。主要采用零膨胀负二项模型统计检验基因间的共表达关系，并在不同技术平台的数据集中进行结果验证。分析聚焦于CF全基因组关联研究确定的修饰基因和顶端膜构成基因。

CFTR在肺细胞中的表达模式

研究首先评估了CFTR在不同肺细胞类型中的表达分布。结果显示，离子细胞、杯状细胞、AT2细胞、Club细胞、信号传导AT2细胞、分化基底细胞和神经内分泌细胞均有较高比例的CFTR表达。其中离子细胞虽然表达比例最高，但样本量极少，限制了进一步分析。

CFTR与修饰基因的共表达关系

在检验CFTR与已知CF修饰基因及顶端构成基因的共表达时，分化基底细胞、AT2细胞和Club细胞显示出最丰富的共表达网络。这些细胞类型中，大量修饰基因与CFTR存在显著共表达关系，提示它们可能是CF病理过程中的关键细胞类型。

AT2细胞表现出最高比例的CFTR与修饰基因显著共表达，特别是在与GWAS确定的CF修饰基因的共表达分析中。这一模式在CFTR相互作用组基因的分析中得到进一步证实。

CFTR相互作用组基因的共表达分析

研究人员还分析了与ΔF508-CFTR高频相互作用的638个基因的共表达模式。结果显示，AT2细胞、Club细胞和分化基底细胞同样具有最丰富的共表达网络，与主要分析结果一致。

CFTR、SLC6A14和SLC26A9的特异性共表达

对三种关键细胞类型的深入分析发现，AT2细胞具有最密集的CFTR与修饰基因共表达网络。特别重要的是，研究人员发现了CFTR、SLC6A14和SLC26A9之间的三重共表达关系：CFTR与SLC6A14、CFTR与SLC26A9、以及SLC6A14与SLC26A9两两之间均存在显著共表达。

统计分析显示，这些共表达关系在经过多重检验校正后仍保持显著，表明其在AT2细胞中的协同表达模式并非偶然。这一发现在多个10X Chromium数据集中得到支持，进一步验证了结果的可靠性。

研究结论与意义

本研究首次在单细胞水平系统描绘了CFTR与修饰基因在肺组织中的共表达图谱，发现AT2细胞、分化基底细胞和Club细胞是CFTR-修饰基因共表达最活跃的细胞类型。特别重要的是，在AT2细胞中鉴定的CFTR-SLC6A14-SLC26A9三重共表达关系，为理解CF病理机制提供了新视角。

SLC26A9是一种解耦氯离子转运蛋白，已知与CFTR相互作用并能调节对CFTR靶向治疗的反应。SLC6A14是迄今为止最大CF肺疾病GWAS中确定的修饰基因，可调节铜绿假单胞菌感染反应。这些基因在AT2细胞中的共表达提示，CFTR功能失常可能破坏这些转运蛋白的平衡，从而影响肺内环境稳定。

这一发现挑战了传统认为AT2细胞在CF中作用有限的观念，强调需要重新评估肺泡区在CF肺疾病中的作用。研究结果为开发针对特定细胞类型的治疗策略提供了重要线索，特别是针对AT2细胞的干预可能为改善CF肺功能提供新途径。

该研究发表于《Scientific Reports》杂志，为理解CF疾病机制和开发精准治疗策略提供了宝贵的单细胞水平证据，推动了CF研究向细胞类型特异性治疗靶点识别的发展。