跨组织转录组关联分析揭示1型糖尿病新型易感基因与候选药物

《Frontiers in Immunology》：Cross-tissue transcriptome-wide association identify novel T1D susceptibility genes and drug candidates

本综述通过整合跨组织转录组关联分析（TWAS）、孟德尔随机化（MR）及多组学数据，系统性鉴定了10个1型糖尿病（T1D）易感基因（其中7个为新发现），并揭示其通过免疫通路（如T细胞活化、MHC复合物）参与疾病机制。研究进一步通过单细胞测序锁定cDC、单核细胞等关键免疫细胞亚群，并基于药物-基因互作数据库（DGIdb）预测COMPOUND 5G、DCLK1-IN-1等候选靶向药物，为T1D的精准治疗提供新靶点与干预策略。

　　

1 引言

1型糖尿病（T1D）是一种由自身免疫反应介导的慢性代谢性疾病，其特征为胰岛β细胞进行性破坏导致胰岛素分泌绝对不足。全球T1D发病率持续上升，但其遗传机制尚未完全阐明，限制靶向疗法的开发。全基因组关联分析（GWAS）已鉴定超过60个T1D易感位点，但非编码区变异的生物学功能解析仍是挑战。转录组关联分析（TWAS）通过整合表达数量性状位点（eQTL）与GWAS摘要数据，将遗传变异关联映射至基因表达层面，显著提升致病基因的 Prioritization 效能。近期多组织eQTL面板（如S-MultiXcan、sCCA-ACAT）通过捕捉组织间共享的基因表达调控特征，进一步增强TWAS的统计效力。本研究基于欧洲人群的T1D GWAS摘要数据（含18,942病例与501,638对照），结合基因型-组织表达（GTEx）计划v8版本的7个关键组织（脾脏、全血、肺、小肠、EBV转化淋巴细胞、胰腺、内脏脂肪），通过多方法整合分析系统探索T1D遗传架构。

2 材料与方法

研究流程涵盖多层次分析：首先通过MAGMA与LDSC-SEG进行组织富集分析，筛选T1D相关组织；随后采用FUSION进行TWAS，并结合共定位分析（PPH4>0.8）验证基因-疾病关联；通过S-MultiXcan与sCCA-ACAT整合49个GTEx组织数据，提升跨组织检测效能；进一步利用摘要数据孟德尔随机化（SMR）与异质性（HEIDI）检验推断基因表达的因果效应；对TWAS显著基因进行条件联合分析以排除连锁不平衡（LD）干扰；最终通过孟德尔随机化（MR）验证基因对T1D的因果方向（Steiger P<0.05）。单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据（GSE123658）包含117,737个免疫细胞，通过Harmony整合与Seurat聚类注释16种免疫细胞亚群，并应用scDRS与scPagwas计算疾病关联评分。基因-化合物互作通过Drug–Gene Interaction Database（DGIdb）筛选，分子 docking 使用AutoDock Vina（结合能≤-6 kcal/mol视为高亲和力）。表型 Wide 关联研究（PheWAS）基于UK Biobank数据评估多效性。

3 结果

3.1 组织类型富集分析

MAGMA与LDSC-SEG一致显示脾脏（P_fdr=8.12×10^-15）、全血（P_fdr=5.31×10^-12）及胰腺等免疫与代谢相关组织在T1D遗传背景中显著富集，提示免疫调节与组织特异性表达在疾病中的核心作用。

3.2 多组织TWAS联合SMR发现新型T1D基因座

四方法（FUSION、SMR、S-MultiXcan、sCCA-ACAT）交集鉴定38个显著关联基因，其中90个基因-组织对通过条件联合分析验证33个独立关联。MR分析最终支持10个基因与T1D的因果关系，包括7个新型基因：ELK4、PHACTR4、MAST2、ST7L、C1orf216、SULT1A2、WFS1。其中ELK4、SULT1A2、WFS1被优先列为可成药靶点。

3.3 细胞类型与基因集富集分析

DEPICT与单细胞分析揭示cDC（常规树突状细胞）、单核细胞亚群（NC_MONO、C_MONO）在T1D中显著富集（scDRS P<0.05），凸显抗原呈递细胞的枢纽地位。GO分析显示易感基因富集于T细胞活化（GO:0042110）、MHC蛋白复合物（GO:0042611）等免疫相关通路。

3.4 单细胞层面基因定位与功能分析

C1orf216与ELK4特异性高表达于细胞毒性免疫细胞（CD8⁺T、NK细胞）及CD4⁺T细胞，可能通过CLOCK蛋白磷酸化途径参与免疫调节；MAST2与PHACTR4在先天免疫细胞中优势表达，关联Rho GTPase循环与Z-decay通路；SULT1A2在经典单核细胞中富集，潜在调控线粒体复合物I组装。

3.5 候选化合物与分子对接

DGIdb筛选出6个基因-化合物对，其中COMPOUND 5G（靶向ELK4）与DCLK1-IN-1（靶向ELK4）结合能最低（-7.4 kcal/mol），形成稳定氢键与静电相互作用。PheWAS未发现ELK4、SULT1A2、WFS1与其他表型显著关联，提示靶向干预潜在安全性。

4 讨论

本研究通过跨组织TWAS-MR框架揭示T1D新型易感基因，拓展 beyond 传统HLA区域认知。ELK4可能通过调节胸腺内CD8⁺T细胞发育影响自身免疫；WFS1作为已知单基因糖尿病相关因子，提示β细胞应激通路在T1D与T2D间的共享机制；SULT1A2关联胺代谢异常，为代谢-免疫互作提供新视角。单细胞层面证实cDC等抗原呈递细胞的关键角色，为免疫靶向治疗提供细胞基础。候选化合物COMPOUND 5G（GPR91抑制剂）与DCLK1-IN-1（DCLK1抑制剂）虽具潜在治疗价值，但其特异性、药代动力学与毒性需实验验证。研究局限包括人群限于欧洲裔、分子 docking 的假设性本质等，未来需跨种族队列与功能实验佐证。

5 结论

整合多组学分析揭示ELK4、WFS1、SULT1A2作为T1D潜在成药靶点，COMPOUND 5G与DCLK1-IN-1等化合物为药物重定位提供候选。研究成果凸显跨组织遗传学与单细胞技术对解析复杂疾病机制的推动力，为T1D精准防治开辟新路径。