单细胞转录组孟德尔随机化与共定位分析揭示动脉粥样硬化性心血管疾病的细胞特异性机制

这篇研究通过单细胞转录组孟德尔随机化（sc-cis-MR）和共定位分析，构建了一个严格的单细胞分析框架，揭示了传统批量RNA测序（bulk RNA-seq）方法无法捕捉的细胞类型特异性表达效应。研究以动脉粥样硬化性心血管疾病（ASCVD）为例，整合了14种免疫细胞类型的单细胞表达数量性状位点（sc-eQTLs）与冠状动脉疾病（CAD）、大动脉粥样硬化性卒中（LAS）和外周动脉疾病（PAD）的GWAS数据，发现了440个基因-结局关联，其中88%未被批量TWAS检测到。研究特别强调了单核细胞中LIPA表达的因果作用，并通过斑块scRNA测序和免疫组化验证了其在巨噬细胞中的高表达，为细胞特异性治疗靶点开发提供了新思路。

　　

摘要

本研究提出了一种结合单细胞转录组孟德尔随机化（sc-cis-MR）和共定位分析的创新框架，旨在解析动脉粥样硬化性心血管疾病（ASCVD）中细胞类型特异性的基因表达机制。通过整合14种免疫细胞类型的单细胞表达数量性状位点（sc-eQTLs）与冠状动脉疾病（CAD）、大动脉粥样硬化性卒中（LAS）和外周动脉疾病（PAD）的GWAS数据，研究发现了440个基因-结局关联，其中88%未被传统批量转录组关联研究（TWAS）检测到。进一步验证和共定位分析确定了21个具有高置信度的关联，包括单核细胞中LIPA表达的因果作用。研究还通过斑块单细胞RNA测序和免疫组化证实了LIPA在动脉粥样硬化斑块巨噬细胞中的高表达，为靶向细胞特异性通路的RNA治疗提供了理论依据。

引言

动脉粥样硬化性心血管疾病（ASCVD）是全球发病率和死亡率最高的疾病之一，其发病机制涉及复杂的遗传和环境因素。尽管全基因组关联研究（GWAS）已鉴定出数千个与ASCVD相关的基因位点，但将这些位点转化为可操作的药物靶点仍面临挑战。转录组关联研究（TWAS）通过将变异与基因表达联系起来，为解析GWAS位点的功能机制提供了重要工具。然而，传统的TWAS依赖于批量RNA测序（bulk RNA-seq），无法解析细胞类型特异性的表达效应。

单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的出现为研究细胞异质性和基因表达的细胞特异性调控提供了前所未有的分辨率。本研究通过整合scRNA-seq衍生的单细胞cis-eQTLs（sc-cis-eQTLs）与GWAS数据，构建了一个严格的单细胞TWAS分析流程，旨在揭示ASCVD中细胞类型特异性的因果基因和机制。

方法

研究设计分为三个阶段：发现性MR分析、复制性MR分析和共定位分析。首先，利用OneK1K队列中的sc-cis-eQTLs（来自982名健康个体的1,267,758个外周血单个核细胞）作为工具变量，对CAD、LAS和PAD的GWAS数据进行了MR分析。随后，使用1M-scBloodNL队列的sc-cis-eQTLs（来自120名个体的928,275个PBMCs）复制了显著结果。最后，通过共定位分析评估了基因表达与心血管结局是否共享相同的因果变异。

结果

单细胞TWAS-MR揭示了批量TWAS-MR无法捕捉的细胞特异性基因表达效应

在OneK1K队列中，79.8%的基因（5,162/6,468）具有显著的cis-eQTLs。MR分析发现了440个显著的基因/细胞类型/结局关联，其中88%未被批量TWAS检测到。值得注意的是，单核细胞中LIPA表达的增加与CAD和LAS风险升高显著相关，而CD4_NC细胞中LIPA表达的增加则与风险降低相关。

复制性单细胞TWAS-MR和共定位分析

在复制性MR分析中，38个关联达到了显著性阈值（FDR校正后p < 0.05），其中21个通过了共定位分析（PPH4 ≥ 0.8）。这些关联包括已知的ASCVD风险基因（如MYH11和FADS1）和新发现的基因（如DDTL）。

单核细胞特异性LIPA表达与动脉粥样硬化的关联

表型范围关联研究（PheWAS）证实，单核细胞中LIPA表达的增加仅与心肌梗死、冠状动脉粥样硬化和缺血性心脏病等ASCVD表型相关，未发现与其他表型的意外关联。此外，对人颈动脉斑块的scRNA-seq分析显示，LIPA在斑块巨噬细胞中表达最高，免疫组化进一步验证了LIPA蛋白在巨噬细胞中的定位。

讨论

本研究通过单细胞TWAS-MR框架，揭示了ASCVD中细胞类型特异性的基因表达机制。与批量TWAS相比，单细胞方法尽管样本量较小，但能够检测到更多潜在的因果关联。研究特别强调了单核细胞中LIPA表达的因果作用，为开发靶向巨噬细胞的RNA治疗提供了新方向。

局限性包括单细胞分析的稀疏性可能遗漏低表达基因，以及样本量限制导致的统计效能不足。此外，GWAS和eQTL数据主要来自欧洲人群，可能限制结果的普适性。

结论

单细胞TWAS-MR框架为解析细胞类型特异性的疾病机制提供了强大工具。研究结果支持单核细胞中LIPA表达在动脉粥样硬化中的关键作用，并为开发细胞特异性RNA治疗靶点奠定了基础。未来研究可进一步扩展至其他组织和人群，以验证和拓展这些发现。