《Autoimmunity》：The shared mechanisms and potential diagnostic markers for IgA nephropathy and celiac disease
编辑推荐：
本综述通过整合转录组学、单细胞测序与机器学习算法，系统揭示了自身免疫性疾病IgA肾病（IgAN）与乳糜泻（CeD）共患的分子基础。研究发现三个关键免疫相关基因（ITGB2、CD74、KLK1）在两种疾病中呈现一致的差异表达模式，并表现出强大的诊断效能（AUC>0.9）。这些基因与免疫细胞浸润（如M1型巨噬细胞）及肾功能指标显著相关，为理解IgA肾病与乳糜泻的共病机制、开发潜在诊断标志物及多靶点治疗策略（如预测药物QL-X-138）提供了新的见解。
背景
IgA肾病（IgAN）是全球最常见的原发性肾小球肾炎，是导致慢性肾脏病（CKD）和终末期肾病（ESKD）的主要原因。乳糜泻（CeD）是一种由麸质不耐受引发的、遗传易感的小肠自身免疫性疾病。流行病学研究显示，乳糜泻患者发生IgA肾病的风险显著增加，且二者都与特定的HLA基因型（如HLA-DQA1和HLA-DQB1）相关，提示存在共同的遗传易感性和免疫致病机制。然而，这两种疾病共病的具体分子机制尚不完全清楚。
方法
研究设计了一条综合的生物信息学分析流程。研究从GEO数据库获取了IgA肾病（GSE93798）和乳糜泻（GSE112102）的基因表达数据集作为训练队列，并纳入了四个独立数据集（GSE35489、GSE141295、GSE164883、GSE146190）进行验证，同时利用单细胞RNA测序数据集（GSE171314）进行下游分析。分析步骤包括：差异表达基因（DEGs）鉴定、加权基因共表达网络分析（WGCNA）、功能富集分析、免疫相关基因筛选。随后，运用三种机器学习算法——随机森林（RF）、支持向量机-递归特征消除（SVM-RFE）和最小绝对收缩与选择算子（LASSO）回归——来筛选核心枢纽基因。对筛选出的基因进行了诊断性能评估（ROC曲线分析）、单细胞表达验证、免疫组织化学验证、临床相关性分析、免疫浸润分析、治疗药物预测以及转录因子-微小RNA-信使RNA（TF–miRNA–mRNA）调控网络构建。
结果
1. 共享差异表达基因的鉴定与功能富集
通过分析，在IgA肾病和乳糜泻数据集中分别鉴定出6230个和4535个差异表达基因。两者交集得到539个共享差异表达基因，包括259个上调基因和280个下调基因。功能富集分析表明，这些共享基因显著富集于免疫相关通路，如吞噬体、坏死性凋亡、细胞衰老以及抗原处理和呈递，提示免疫失调是两种疾病共有的核心机制。
2. 通过WGCNA和机器学习识别共享免疫枢纽基因
对两个数据集进行WGCNA分析，分别识别出与疾病状态强相关的基因模块。将疾病相关模块基因、差异表达基因与免疫相关基因数据库取交集，初步得到19个共享的免疫相关基因。
进一步应用三种机器学习算法进行筛选，最终确定了四个候选枢纽基因：ITGB2、CD74、KLK1和OAS2。
3. 枢纽基因的验证与诊断价值评估
在独立验证数据集中，ITGB2和CD74在两种疾病中均一致上调，而KLK1则一致下调。OAS2在验证数据集中未显示稳定差异，因此被排除。ROC曲线分析显示，ITGB2、CD74和KLK1在训练集和验证集中对IgA肾病和乳糜泻均表现出强大的诊断潜力，单个基因的曲线下面积（AUC）值均大于0.7。
更重要的是，将这三个基因整合构建的多标志物诊断模型，其AUC值在多个数据集中均超过了0.9，显示出卓越的联合诊断效能。
4. 单细胞转录组学与免疫组化验证
利用单细胞RNA测序数据（GSE171314）分析发现，ITGB2和CD74主要在巨噬细胞中高表达，而KLK1在单核细胞和系膜细胞中表达降低。免疫组织化学染色结果直观地证实了在IgA肾病患者肾组织中，ITGB2和CD74蛋白表达显著上调，而KLK1蛋白表达下调。
5. 临床相关性分析
通过Nephroseq数据库进行的临床关联分析显示，在IgA肾病患者中，ITGB2和CD74的表达水平与血清肌酐（反映肾功能损伤的指标）呈正相关，与肾小球滤过率（GFR）呈负相关；而KLK1的表达则与血清肌酐负相关，与GFR正相关。这表明这三个枢纽基因的表达变化与肾脏损伤的严重程度密切相关。
6. 免疫细胞浸润分析
使用CIBERSORT算法分析免疫细胞浸润发现，在IgA肾病和乳糜泻样本中，M1型巨噬细胞等促炎免疫细胞亚群的比例显著升高。相关性分析进一步揭示，ITGB2和CD74与活化的自然杀伤（NK）细胞、M1型巨噬细胞等呈正相关，而KLK1与这些细胞呈负相关。这提示这些基因可能通过调节特定免疫细胞（尤其是巨噬细胞）的浸润，在两种疾病的免疫病理过程中扮演关键角色。
7. 药物预测与分子对接
基于连接图谱（CMap）数据库和Enrichr平台，研究预测了可能逆转疾病基因表达模式的小分子化合物。最终筛选出四种有潜力的候选药物：QL-X-138、吐根酚碱（Cephaeline）、进口唑（Importazole）和雷公藤红素（Celastrol）。分子对接模拟显示，尤其是QL-X-138与三个枢纽基因的靶蛋白（ITGB2、CD74、KLK1）均显示出良好的结合亲和力（结合能<-5 kcal/mol），提示其可能作为多靶点干预的潜在先导化合物。
8. 调控网络构建
通过NetworkAnalyst平台构建了转录因子（TF）–微小RNA（miRNA）–信使RNA（mRNA）调控网络，涉及3个枢纽基因、122个miRNA和18个转录因子。分析发现转录因子FOXL1和USF2可能在此网络中居于核心调控地位。
讨论
本研究首次聚焦于IgA肾病与乳糜泻的共病机制。三个核心枢纽基因——ITGB2（整合素β2）、CD74和KLK1（组织激肽释放酶1）——均深度参与免疫调节和炎症反应。ITGB2作为重要的黏附分子，促进白细胞迁移，其表达上调与肾损伤严重程度正相关。CD74是主要组织相容性复合体II类（MHC II）的恒定链，也是巨噬细胞移动抑制因子（MIF）的受体，在多种肾脏和肠道炎症疾病中上调。KLK1则是一种具有血管保护、抗炎和抗纤维化作用的丝氨酸蛋白酶，其表达下调可能削弱组织保护机制，加剧疾病进展。研究发现这些基因与M1型巨噬细胞浸润密切相关，提示巨噬细胞介导的免疫反应是连接肠道（乳糜泻）和肾脏（IgA肾病）病理过程的重要桥梁，即所谓的“肠-肾轴”机制。预测的候选药物为多靶点治疗提供了新思路。然而，本研究也存在局限性，如缺乏大规模临床队列和动物模型验证、乳糜泻的单细胞和组织学验证数据不足等，这些枢纽基因在疾病发生中的确切因果作用和分子机制仍有待未来实验研究阐明。
结论
研究鉴定出的枢纽基因ITGB2、CD74和KLK1可能是驱动IgA肾病与乳糜泻发生发展的关键分子，具有作为诊断生物标志物和潜在治疗靶点的价值。这些基因通过调节免疫细胞（尤其是巨噬细胞）浸润，共同参与了两者共享的免疫失调通路。该研究为理解这两种自身免疫性疾病的共病机制提供了新的分子见解，并为未来的机理探索和疗法开发奠定了基础。
