早期生命表观遗传编程与自身免疫性疾病：1型糖尿病的独特性

《Frontiers in Immunology》：Early-life epigenetic programming of autoimmune diseases: what is unique to type 1 diabetes

摘要 引言： 1型糖尿病（type 1 diabetes，T1D）是一种以进行性胰腺β细胞破坏为特征的自身免疫性疾病，然而在早期生命中将其与其他自身免疫性疾病区分开的分子特征仍不明确。研究人员此前发现的新生儿蛋白质组学特征可在诊断前数年预测未来T1D的发生，表明免疫和组织重塑通路在出生时即已受到干扰。然而，这些改变反映的是普遍的自身免疫易感性还是T1D所特有，尚不清楚。 方法： 为解决这一问题，研究人员整合了来自瑞典东南部所有婴儿（All Babies in Southeast Sweden，ABIS）队列的脐带血DNA甲基化图谱与新生儿血清蛋白质组学数据，并将T1D与除T1D外的其他自身免疫性疾病（other autoimmune diseases except T1D，NT1D）进行了比较。 结果： 在一项探索性分析中，研究人员观察到T1D中存在一种独特的早期生命分子模式，其最一致的特征是β细胞代谢基因的失调和以CD40为中心的共刺激免疫信号。先前报道的未来T1D新生儿蛋白质组学特征的若干组分在NT1D背景下被重新评估。与HLA相关的抗原呈递及相关免疫激活信号同样出现在NT1D相关网络中，表明这些信号在很大程度上反映了更广泛的自身免疫生物学特征，而共刺激信号（CD40）和β细胞代谢通路在T1D相关分析中表现出更强的代表性。相比之下，NT1D特征主要表现为更广泛的干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ）相关及趋化因子驱动的炎症信号。 结论： 这些发现确定了T1D中一种探索性的早期生命表观遗传-蛋白质组学模式，该模式结合了免疫和β细胞相关代谢特征，同时也突出了可能与其他自身免疫性疾病共享的分子信号。这些观察结果支持在更大规模的独立队列中进一步研究T1D与其他自身免疫性疾病之间的早期生命分子差异。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

1型糖尿病（T1D）是一种由遗传背景、环境暴露和免疫失调共同驱动、导致胰腺β细胞进行性破坏的多基因自身免疫性疾病。尽管自身免疫性疾病共享广泛的免疫功能障碍，但每种疾病都具有器官特异性。T1D以免疫介导的胰岛素产生β细胞为靶点，不仅因其组织特异性，还因其早发、代谢后果和异质性遗传结构而区别于其他自身免疫性疾病。值得注意的是，多达三分之一的T1D患者会并发其他自身免疫性疾病，最常见的是自身免疫性甲状腺疾病，还包括乳糜泻、自身免疫性胃炎和艾迪生病等，这表明存在共享的潜在机制，但β细胞的选择性易损性仍不清楚。

从遗传学角度看，人类白细胞抗原（HLA）区域的变异赋予了T1D最强的风险，但仅有不到2%携带高风险HLA等位基因的个体最终发病，且相当比例的T1D病例发生在无高风险HLA等位基因的个体中，这突显了非遗传因素的关键作用。表观遗传修饰，如DNA甲基化，提供了基因组与环境影响之间的动态界面。早期生命是一个关键窗口期，在此期间表观遗传编程可能塑造长期免疫功能与疾病易感性。研究人员此前利用ABIS出生队列的脐带血DNA发现了未来发展为T1D个体的独特甲基化特征，并在同一队列的新生儿蛋白质组学研究中鉴定出一种可独立于HLA预测未来T1D的炎症特征。这些发现提出了一个问题：这些循环蛋白差异反映的是普遍的自身免疫易感性，还是T1D特异的分子程序？它们是否根植于出生时建立的表观遗传改变？

因此，本研究的核心目标是探究未来发展为T1D的个体是否在早期生命中展现出比在其他自身免疫性疾病中更强的分子特征。为此，研究人员整合了ABIS队列的脐带血DNA甲基化图谱与新生儿血清蛋白质组学数据，旨在鉴定一种包含共享自身免疫特征和在T1D中更强代表的分子特征的探索性早期表观遗传-蛋白质组学分子谱。

二、主要关键技术方法

本研究是一项基于ABIS出生队列的二次分析。主要方法包括：

1. 1.
   样本与队列来源：研究对象来自瑞典东南部所有婴儿（ABIS）队列，收集了出生时的脐带血DNA和血清样本。病例包括32例T1D患者、35例其他自身免疫性疾病（NT1D，排除T1D）患者，以及48例健康对照。NT1D组包含乳糜泻、银屑病、自身免疫性甲状腺炎、克罗恩病、幼年特发性关节炎和葡萄膜炎。
2. 2.
   DNA甲基化分析：使用Illumina Infinium MethylationEPIC v1.0 BeadChip平台进行全基因组甲基化检测，经预处理和质量控制后，利用limma包中的线性回归模型进行差异甲基化分析，将性别和显著差异的细胞类型比例作为协变量。
3. 3.
   血清蛋白质组学分析：采用Olink Explore 384炎症和肿瘤面板（Olink Proteomics）测量新生儿血清中的循环蛋白水平，并使用limma包中的线性模型评估组间蛋白丰度差异。
4. 4.
   整合与网络分析：将差异甲基化基因（DMGs）和差异丰度血清蛋白整合，映射至STRING数据库（v12.0）进行蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）检索，保留高置信度互作关系，构建各组别的整合表观遗传-蛋白质组学互作网络。

三、研究结果

3.1 T1D与其他自身免疫性疾病相比的表观遗传和蛋白质组学景观

为鉴定T1D相对于其他自身免疫性疾病（NT1D）的特异性分子特征，研究人员对出生时采集的脐带血DNA进行了甲基化分析。差异甲基化分析鉴定出一组显著失调的CpG位点，代表性差异甲基化基因包括PIK3CD、TLR3、NFATC1、ENO1和GCK。KEGG通路富集分析揭示了两个主要功能簇：一个代谢簇，涉及糖酵解/糖异生、碳代谢、胰岛素信号、AMPK信号和II型糖尿病等通路，主要通过GCK、ENO1、PCK1、RPTOR和PIK3CD连接；另一个结构/黏附相关簇，涉及钙黏蛋白信号等通路。整合表观遗传-蛋白质组学互作网络分析揭示了一个高度互联的网络，突出的免疫中枢包括HLA-II类分子（HLA-DRA、HLA-DRB1、HLA-DQA2）、PIK3CD、IFNG、IL10、CD40和CD40LG。此外，葡萄糖代谢相关基因（GCK、PKLR、PCK1、ENO1）也连接至网络中的血清蛋白。LSP1作为同时出现在表观遗传和蛋白质组学层面的共享节点。

3.2 NT1D相对于健康对照的表观遗传和蛋白质组学景观

为区分T1D中更强代表的特征与自身免疫性疾病共享的特征，研究人员比较了NT1D个体与健康对照。差异甲基化分析显示，与T1D vs NT1D比较相比，显著失调的CpG位点较少，效应量更小。代表性低甲基化基因包括PRKCE、RPTOR，高甲基化基因包括TIMP2、BLK、CD101等。KEGG通路富集揭示了一个主要由HLA驱动的免疫簇，以及与热生成和运动蛋白相关的通路。与T1D相关分析不同，经典的β细胞代谢基因（如GCK、ENO1、PCK1、PKLR）未出现在NT1D相关DMGs或富集通路中。整合互作网络中，TIMP2是一个突出的蛋白质组学中枢，IFNG（IFNγ）也是一个显著的血清蛋白中枢。此外，一个包含CXCL8、CCL4和CCL7的显著趋化因子特征是NT1D网络的突出特点。

3.3 T1D相对于健康对照在出生时的表观遗传和蛋白质组学景观

T1D与健康对照的比较鉴定了一组差异甲基化CpG位点，代表性DMGs包括FGFR2、GCK、PRKCE、BLK和MBP。KEGG通路富集揭示了独特的共富集现象：同时富集了I型糖尿病和II型糖尿病通路。I型糖尿病通路由HLA-DPB1和HLA-F驱动，形成HLA为中心的免疫簇；II型糖尿病通路由GCK驱动，连接至半乳糖代谢、青少年的成人起病型糖尿病（MODY）等，形成一个完全独立的代谢簇。整合表观遗传-蛋白质组学互作网络分析中，EGF和MBP是主要的血清蛋白中枢，FGFR2是最大的DMG中枢。BLK作为一个主要DMG中枢，连接至MZB1、IRAK1和CD40，强化了B细胞活化轴。LSP1再次作为DMG出现。

四、讨论与结论总结

讨论总结：

研究人员此前在ABIS队列中发现，未来发展为T1D的儿童在出生时就存在可检测的炎症性蛋白质组学特征，但尚不清楚这些早期分子特征反映的是普遍的自身免疫易感性还是T1D特异的过程。本研究填补了这一空白。研究发现，T1D中存在一种探索性的早期表观遗传-蛋白质组学模式，包含免疫和β细胞相关代谢特征。与NT1D的比较显示，一些免疫和炎症信号（如HLA相关抗原呈递）是自身免疫性疾病共享的，而β细胞相关代谢特征（如GCK、ENO1、PKLR、PCK1的差异甲基化）和共刺激免疫信号（特别是CD40）在T1D中更强代表。FGFR2的高甲基化及其与生长因子信号通路的联系进一步支持了T1D相关代谢改变的存在。细胞外基质重塑在所有比较中均有体现，但具体分子成分不同（NT1D中TIMP2突出，T1D中TIMP3突出）。相比之下，NT1D分析以更广泛的炎症和自身免疫相关信号为特征，包括IFNG和特定的趋化因子（CXCL8、CCL4、CCL7），这与T1D中更靶向的适应性免疫过程形成对比。此外，T1D相关分析中还观察到神经发育和神经免疫相关基因（如DPYSL5、ADARB2、NPAS3、GABRB1）。总之，这些观察结果表明，与未来T1D相关的早期分子谱包含大量共享的自身免疫成分（HLA相关抗原呈递、CD40LG、BLK相关B细胞信号）以及一小部分在T1D中支持度更高的特征（β细胞代谢基因、CD40、LSP1）。

结论翻译：

总之，本研究确定了一种与未来T1D相关的探索性早期表观遗传-蛋白质组学模式，该模式结合了免疫失调与β细胞相关代谢特征。与NT1D的比较表明，一些免疫和炎症信号，包括HLA相关抗原呈递，是自身免疫性疾病共有的，而β细胞相关代谢特征和选定的共刺激免疫信号在T1D相关分析中表现得更强。额外的组织重塑、生长因子、神经发育和细胞应激反应特征进一步拓宽了在T1D中观察到的分子谱。这些发现支持一个模型，即多种早期生命生物学过程可能促成后来的T1D发展。然而，鉴于分析的探索性质，这些发现应被视为产生假说，并需要在更大规模的独立纵向研究中得到验证。