摘要
膝骨关节炎（KOA）是一种常见的退行性关节疾病，其发病机制复杂，且缺乏有效的分子靶点。本研究旨在整合遗传学、转录组学和单细胞分析，对与KOA相关的可药物干预基因进行优先级排序，并探究其表达模式及细胞定位。我们首先利用孟德尔随机化（MR）分析筛选出与KOA遗传相关的潜在可药物干预基因。随后，对经过批次校正的滑膜转录组数据进行加权基因共表达网络分析（WGCNA），并将最相关模块中的基因与MR候选基因进行整合。我们通过重复嵌套交叉验证评估了共127条机器学习流水线，并进行了外部验证及SHapley加性解释（SHAP）解释。随后通过实验对关键基因的表达水平进行了进一步验证。采用单细胞RNA测序、免疫细胞去卷积以及外周免疫细胞特异性eQTL-MR分析，探究了可能与候选基因相关的细胞背景。最后，从DGIdb数据库中检索了潜在的药物-基因相互作用信息，并利用分子对接和分子动力学模拟对选定的靶标-化合物对进行了评估。共筛选出315个与KOA呈名义MR关联的可药物干预基因。在整合KOA相关WGCNA模块后，我们确定了15个候选基因。进一步分析显示，随机森林被选为最优机器学习模型，其平均外部交叉验证AUC为0.929（95% CI, 0.913–0.945）。SHAP分析及差异表达分析确定了四个优先基因。JUN、ADAMTS1和CRISPLD2在KOA滑膜中表达下调，而CX3CR1表达上调，这些表达模式均得到了实验验证的支持。单细胞分析显示，JUN、ADAMTS1和CRISPLD2主要在成纤维细胞相关群体中表达，而CX3CR1主要在髓系细胞中表达，且它们的表达随成纤维细胞和巨噬细胞状态的不同而变化。外周免疫细胞特异性eQTL-MR分析发现，JUN在浆细胞中、ADAMTS1在NK_R细胞中、CX3CR1在NK细胞中呈名义关联。然而，经多重检验校正后，这些关联均不再具有统计学显著性。分子对接和分子动力学模拟显示，ADAMTS1-普伐他汀和CX3CR1-Rugocrixan复合物在各自模拟过程中均维持了稳定的蛋白-配体接触。整合多组学分析确定了JUN、ADAMTS1、CRISPLD2和CX3CR1为与KOA相关的优先候选基因。这些基因与滑膜成纤维细胞和髓系细胞的不同状态相关。本研究结果为候选药物-靶标相互作用的进一步机制验证和实验评估提供了基础。
图形摘要
通过整合遗传学证据、滑膜组织整体转录组学、单细胞RNA测序及初步小鼠验证，本研究将JUN、ADAMTS1、CRISPLD2和CX3CR1确定为KOA相关候选基因。其中JUN、ADAMTS1和CRISPLD2主要与成纤维细胞状态相关，而CX3CR1与巨噬细胞状态相关。通过DGIdb数据库筛选，并结合分子对接和分子动力学模拟，我们确定了两个候选药物-靶标相互作用对——ADAMTS1-普伐他汀和CX3CR1-Rugocrixan。本研究结果为候选药物-靶标相互作用的进一步机制验证提供了基础。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
数据可用性声明
本研究分析中使用的公开转录组数据集和单细胞数据集均来自基因表达综合数据库（GEO; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/）。膝骨关节炎GWAS汇总统计数据来自FinnGen第12次版本发布（https://www.finngen.fi/en/access_results）。全血顺式eQTL汇总统计数据来自eQTLGen联盟（https://www.eqtlgen.org/）。外周免疫细胞特异性顺式eQTL数据来自OneK1K队列（https://onek1k.org/）。药物-基因相互作用信息检索自DGIdb（https://www.dgidb.org/），化合物结构和标识符来自PubChem（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）。如有合理请求，其他数据可向通讯作者获取。
