一项整合遗传学与转录组学研究揭示结核病与哮喘之间的因果关系及候选生物标志物

《Frontiers in Genetics》：An integrative genetic and transcriptomic study reveals a causal link and candidate biomarkers between tuberculosis and asthma

　　

摘要 引言：结核病由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis, M.tb）引起，主要累及肺部；哮喘是常见的慢性呼吸系统疾病，常与其他健康问题共存。目前两种疾病的关联研究较少，二者关系有待深入探索。 方法：研究人员基于全球疾病负担（Global Burden of Disease, GBD）研究数据，分析2013至2023年全球结核病与哮喘的疾病负担差异；采用两样本孟德尔随机化（two-sample Mendelian randomization, MR）探讨结核病、哮喘与肺功能之间的因果关系；从基因表达综合（Gene Expression Omnibus, GEO）数据库获取活动性结核病与哮喘患者的转录组数据，进行差异表达分析、基因共表达网络分析及功能富集分析；并在包含40例结核病患者与40例健康对照的独立临床队列中，通过定量PCR验证候选基因的表达模式。 结果：全球疾病负担分析显示结核病的疾病影响高于哮喘。孟德尔随机化结果表明肺结核是哮喘的危险因素（针对ebi-a-GCST90086044数据集：比值比=1.58，95%置信区间：1.08–2.31，p=0.018；针对ebi-a-GCST90086047数据集：比值比=1.74，95%置信区间：1.43–2.12，p<0.001），并对用力肺活量（forced vital capacity, FVC）、第一秒用力呼气容积（forced expiratory volume in one second, FEV1）等肺功能指标产生不利影响。转录组分析发现两种疾病均存在免疫通路激活与细胞功能抑制现象。通过加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis, WGCNA）鉴定出CRLF2、ETV5、LRRC1、OR10H1、SENP2五个共病基因，这些基因在结核病患者中表达变化显著，且在发现队列中区分患者与健康对照的曲线下面积最高可达1.0，支持其作为候选生物标志物的进一步研究价值。临床验证实验证实了上述基因的表达模式。 结论：基于孟德尔随机化的遗传学证据，本研究确定结核病是哮喘的因果危险因素。CRLF2、ETV5等五个核心基因是有潜力的候选生物标志物，为两种疾病共病的机制研究提供了新见解。

研究背景与意义

结核病仍是全球重大公共卫生挑战，由结核分枝杆菌感染引起，主要经呼吸道传播，不仅造成肺部结构性损伤，还可能导致长期肺功能下降。哮喘是一种以可变气流受限为特征的慢性呼吸道疾病，常合并多种其他疾病，其患者因免疫功能改变而对感染性疾病易感性升高。既往流行病学观察提示结核病病史可能与哮喘发生风险增加相关，但二者是否存在因果关联、共享的分子机制及潜在生物标志物尚未明确。该研究由研究人员完成并发表于《Frontiers in Genetics》，旨在通过整合多组学手段解析结核病与哮喘的因果关联及分子基础，为共病机制研究与临床辅助诊断提供依据。

主要技术方法

研究人员首先利用GBD数据库分析2013至2023年全球结核病与哮喘的疾病负担差异；采用两样本孟德尔随机化方法，以全基因组关联研究（genome-wide association study, GWAS）汇总数据为工具变量，评估肺结核对哮喘及肺功能的因果效应；基于GEO数据库的结核病（南非人群外周血单个核细胞数据集GSE62525）与哮喘（欧洲人群外周血单个核细胞数据集GSE165934）转录组数据开展差异表达与WGCNA分析，筛选共病相关基因模块；最后在中国东莞第六人民医院的40例结核病初治患者与40例健康对照临床队列中，通过定量PCR验证候选基因表达。

研究结果

3.1 结核病与哮喘的全球疾病负担描述性流行病学背景

研究人员分析GBD数据发现，2013至2023年全球结核病在病例数与伤残调整寿命年（disability-adjusted life year, DALY）上均高于哮喘，男性疾病负担普遍高于女性，尤其在30至59岁成年人群中差异显著。

3.2 两样本孟德尔随机化阐明结核病对哮喘及肺功能的因果效应

孟德尔随机化分析显示，肺结核显著增加哮喘发病风险，两个独立哮喘GWAS数据集的结果均达到统计学显著性。进一步分析表明，肺结核还会导致FVC下降及FEV₁/FVC比值降低，证实其对肺功能的损害作用；中介分析未发现肺功能在该因果路径中起中介作用。

3.3 结核病与哮喘外周血单个核细胞转录组的观察性分析揭示共同与特异通路改变

差异表达分析共鉴定到结核病相关差异基因9194个、哮喘相关差异基因2089个。功能富集结果显示，两种疾病中上调基因均富集于免疫炎症相关通路，下调基因则主要参与核糖体生物合成、RNA剪接、DNA复制及细胞周期等基本细胞过程，提示感染与慢性炎症可广泛抑制宿主细胞基础功能。

3.4 结核病与哮喘数据集的WGCNA分析

研究人员分别构建结核病与哮喘的基因共表达网络，筛选出与疾病状态显著相关的模块。其中结核病绿色黄色模块与哮喘蜜露黄模块存在六个重叠基因，分别为CRLF2、ETV5、LRRC1、OR10H1、SENP2与ZNF16。

3.5 共病基因在结核病与哮喘中的诊断价值验证

表达验证显示上述六个基因中除ZNF16外，其余五个在结核病患者外周血中均存在显著表达改变，且基因集富集分析提示这些基因参与核苷酸切除修复、DNA复制等遗传信息处理通路的抑制。诊断效能分析显示，这五个基因在结核病发现队列中曲线下面积最高达1.0，在哮喘发现队列中ETV5的诊断效能最优（曲线下面积为0.8444）。

3.6 临床样本中验证共病基因

在独立临床队列中，定量PCR结果验证了CRLF2、ETV5、LRRC1、OR10H1在结核病患者中显著上调，SENP2显著下调，与转录组分析结果一致。

讨论与结论

研究人员在讨论中指出，该研究首次通过遗传学证据证实肺结核是哮喘发生的因果危险因素，这一关联独立于肺功能损害。候选基因的功能注释提示，CRLF2编码胸腺基质淋巴生成素受体，可能通过JAK/STAT信号通路同时参与抗结核免疫与哮喘2型炎症调控；ETV5作为肺泡II型细胞维持与Th17分化的关键转录因子，可能是连接感染性损伤与过敏性炎症的共同节点；SENP2的去SUMO化修饰功能异常则可能介导结核感染中对宿主基础细胞过程的广泛抑制。这些发现为理解两种呼吸系统疾病的共病机制提供了新视角。

研究最终结论为：基于两样本孟德尔随机化的遗传证据，肺结核被确定为哮喘的因果危险因素；CRLF2、ETV5、LRRC1、OR10H1、SENP2五个基因是结核病与哮喘共病的潜在生物标志物，具有较高的辅助诊断研究价值。研究人员同时指出，该研究的局限性包括跨种族数据整合可能存在的偏倚、肺功能孟德尔随机化工具变量单一、临床验证队列规模较小等，未来需在更大规模、多人群的独立队列中对候选标志物的诊断效能与生物学功能进行验证。