整合多组学分析：探索HIV感染的分子调控机制并鉴定关键基因WFDC2

《Clinical and Experimental Medicine》：Integrated multi-omics analysis: exploring the molecular regulatory mechanisms of HIV infection and identifying the key gene WFDC2

摘要

尽管在HIV感染的治疗方面取得了显著进展，但将遗传变异、转录组改变、免疫细胞变化以及转录后调控联系起来的调控机制仍不明确。需要一个系统的多组学框架来识别与HIV感染相关的关键分子驱动因素和候选生物标志物。我们对555种血浆蛋白进行了整合多组学分析，结合了基于蛋白质数量性状位点（顺式pQTL）的汇总数据孟德尔随机化（SMR）方法与多项HIV相关的全基因组关联研究（GWAS）结果，并通过HEIDI测试排除了连锁效应。同时，我们对健康对照组（n=7）、病毒载量低的人群（n=14）和病毒载量高的人群（n=16）的mRNA和miRNA进行了差异表达分析。加权基因共表达网络分析（WGCNA）用于定义共表达模块，这些模块与SMR结果和差异表达基因（DEGs）进行了叠加，并进一步整合到转录因子（TF）调控网络中。通过ELISA检测了未经治疗的HIV感染者、接受抗逆转录病毒治疗（ART）的感染者以及健康对照组中的血浆WFDC2水平。利用免疫细胞解卷积、基因集富集和miRNA-mRNA网络建模来表征候选基因的功能背景。最后，构建了与HIV相关的细胞模型，并基于WFDC2的过表达进行了功能验证实验。转录组分析显示HVL（高病毒载量）组与CON（低病毒载量）组之间存在强烈的一致性，共鉴定出803个上调基因和1,108个下调基因。将SMR结果与DEGs整合后，突出了8个重叠的候选基因，其中包括WFDC2，其编码蛋白得到了遗传学研究和转录调控异常的双重支持。这些基因嵌入到与免疫相关的共表达模块和TF调控网络中。其中，WFDC2作为一个关键候选基因脱颖而出，在mRNA和蛋白质水平上均表现出一致的下调趋势，与多种免疫细胞亚群存在广泛的相关性，且其共表达基因富集于染色质重塑、抗病毒防御、RNA处理和翻译相关功能。未经治疗的HIV感染者体内的血浆WFDC2浓度较低，而在接受ART治疗后部分恢复至健康对照组水平。差异表达的miRNAs可能靶向WFDC2及其共表达伙伴，表明存在额外的转录后调控机制。这一多组学框架描绘了一个多层次的网络，连接了HIV感染中的遗传调控、转录变化、免疫细胞变化以及miRNA介导的调控过程。在该网络中，WFDC2作为一个潜在的中心节点，整合了免疫调节和RNA代谢途径，可能成为HIV治疗中的有前景的生物标志物和潜在治疗靶点。