单细胞揭秘系统性红斑狼疮与原发性干燥综合征的共同分子机制-Hypeptide

2023年，同济大学医学院附属同济医院干细胞转化研究中心发表“Exploring the shared molecular mechanisms between systemic lupus erythematosus and primary Sjögren’s syndrome based on integrated bioinformatics and single-cell RNA-seq analysis”，本研究通过单细胞转录组测序(scRNA-seq)揭示了IFI44L、ISG15和ITGB2为共享基因，并确定STAT1和IRF7为SLE和pSS的共同TF，揭示了SLE和pSS的共同发病特征，可能为进一步的机制研究提供基础。

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文章亮点

用单细胞技术解决了什么问题？

系统性红斑狼疮(SLE)和原发性干燥综合征(pSS)是常见的系统性自身免疫性疾病，具有广泛的临床表现和血清学特征。用单细胞技术揭示了IFI44L、ISG15和ITGB2为共享基因，并确定STAT1和IRF7为SLE和pSS的共同TF。揭示了SLE和pSS的共同发病特征。

实验亮点

利用微阵列和单细胞转录组测序(scRNA-seq)数据集中进行了全面的生物信息学分析，鉴定了SLE和pSS中的共享枢纽基因、相关通路和转录因子(TFs)。并进一步研究了枢纽基因与免疫细胞之间的相关性以及相关通路，使用scRNA-seq数据验证了它们的表达和位置。最终在微阵列和scRNA-seq数据集中预测并验证了TF。

临床意义

本研究发现关键基因的特殊作用和相互重叠的途径可能为进一步的机制研究提供基础。

研究结果

1.系统性红斑狼疮(SLE)和pSS的加权基因共表达网络分析

作者对正相关模块进行了GO富集分析。对于SLE，结果表明，ME3模块主要与I型IFN反应和先天免疫反应相关；ME5模块主要与细胞趋化性和细胞因子介导的信号通路有关；ME6模块参与免疫应答。对于pSS，ME1模块主要与T细胞活化和分化相关，ME2模块与I型IFN应答和细胞因子产生有关。因此，I型IFN应答和细胞因子介导的信号通路共同参与了SLE和pSS的发病机制。

图1 加权基因共表达网络分析(WGCNA)和GO分析GSE50772和GSE84844数据

2.WGCNA共通基因的富集分析及枢纽基因的选择分析

筛选SLE正相关模块(ME3、ME5和ME6模块)和pSS正相关模块(ME1和ME2模块)的共同基因。96个基因在SLE和pSS的正相关模块中重叠。

图2 WGCNA常见基因的维恩图和富集分析

构建候选基因的PPI网络，并通过MCODE分析进一步提取紧密连接基因的3个聚类模块。作者在簇1中鉴定了5个常见基因(IFI44L、ISG15、IFIT1、USP18和RSAD2)。对于簇3，作者选择了前三个基因(PTPRC、CXCR8和ITGB2)进行后续分析。

图3 SLE和pSS共享基因的PPI网络和维恩图

3.中心基因在scRNA-Seq数据集中的表达

5例pSS患者和5例正常对照PBMC scRNA-seq数据集中鉴定出CD4幼稚T细胞、CD4记忆T细胞、CD8幼稚T细胞、CD8记忆T细胞、CD8效应T细胞、单核细胞、NK细胞、B细胞、树突状细胞(DCs)和一些其他细胞。小提琴图显示，在大多数细胞类型中，3个枢纽基因(IFI44L、ISG15和ITGB2)的表达水平在SLE和pSS中均升高，特别是在单核细胞、NK细胞和CD8效应T细胞中。综上所述，SLE和pSS患者CD8效应T细胞比例增加，但CD4初始T细胞比例降低。在scRNA-seq数据集中进行了DEG分析并对所有细胞类型中上调的DEGs进行了Hallmark注释分析，结果一致显示，SLE和pSS中所有细胞类型的IFN反应均富集。

图4 scRNA-seq数据集中枢纽基因的验证

4.相关通路表达的单细胞分析

作者使用CellChat研究了疾病与对照组中主要细胞类型之间的假定相互作用，结果显示，SLE和pSS患者ITGB2信号通路活性增加，其中ITGB2信号通路从单核细胞到CD4 T细胞和CD8效应T细胞富集最多。在疾病条件和健康对照组之间的scRNA-seq和微阵列数据集中验证了与ITGB2信号转导通路相关的ITGB2、ICAM1、ICAM2、CD226和ITGAL表达水平。结果表明，ITGB2信号通路相关基因在SLE和pSS患者中均上调。进一步的分析表明，单核细胞是ITGB2信号通路。单核细胞可能在SLE和pSS发病机制中的IFN应答和ITGB2信号通路中发挥重要作用。

图5 验证scRNA-seq数据集中的相关通路

5.TF的预测和验证

基于iRegulon算法，作者确定了可能调控枢纽基因(IFI44L、ISG15和ITGB2)，发现3个TF(STAT1、STAT2和IRF7)在SLE和pSS验证数据集中高表达。SCENIC分析显示，STAT1在这两种疾病中均上调，主要集中在单核细胞和DC中。IRF7上调并集中在SLE的DC中。小提琴图显示，3 TFs(STAT1、STAT2和IRF7)在SLE和pSS中的表达水平显著升高，尤其是IRF7在DCs中显著升高。

图6 TF的预测和验证

图7 验证scRNA-seq数据集中的TF

结论

本文首次探索并鉴定了SLE和pSS患者外周血中的共享枢纽基因、相关通路和TFs。鉴定了枢纽基因I、FI44L、ISG15和ITGB2，并在SLE和pSS中发现了相关通路(IFN应答和ITGB2信号通路)。STAT1和IRF7被鉴定为常见的TF，与单核细胞和DC相关。此外，IRF7主要在DCs中表达。本研究为SLE和pSS的进一步发病机制研究提供了新的见解。总之，更好地了解每种疾病的发病机制对于在未来SLE和pSS的治疗中确定新的治疗靶点和免疫调节剂至关重要。

参考文献

Cui Y, Zhang H, Wang Z, et al. Exploring the shared molecular mechanisms between systemic lupus erythematosus and primary Sjögrens syndrome based on integrated bioinformatics and single-cell RNA-seq analysis. Front Immunol. 2023 Aug 8;14:1212330. doi: 10.3389/fimmu.2023.1212330. PMID: 37614232; PMCID: PMC10442653.

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