改善全球肾脏病预后组织(Kidney Disease:Improving Global Outcomes,KDIGO)将慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)定义为任何潜在原因导致的肾脏结构或功能异常,持续超过3个月且对健康产生影响
[1-2]。目前CKD的发病率持续上升,而现有治疗手段存在一定局限性,因此探讨CKD发生发展机制和开发新的治疗手段,对于改善患者的生活质量并延缓疾病进展有重要意义。中国中青年人群中,免疫球蛋白A肾病(immunoglobulin A nephropathy,IgAN)是最常见的CKD之一,其预后较差,中位肾脏生存期仅约11年,约60%的患者最终进展至终末期肾衰竭,且大多数患者在10~15年内即发展为肾衰竭,平均发病年龄为48岁
[3-4]。研究
[5]显示:IgAN是由自身免疫应答异常的糖基化IgA抗体引发,目前诊断及评估IgAN预后的“金标准”仍为肾脏活检病理,肾活检存在禁忌证、不良事件的风险,且无法有效监测疾病的长期肾脏进展。因此,当前临床面临的主要挑战是缺乏可靠的生物标志物,以揭示IgAN发生发展的潜在机制、准确区分IgAN疾病活动状态与慢性病程,并实现预后的精准评估。
FBJ鼠科骨肉瘤病毒癌基因同源物B(FBJ murine osteosarcoma viral oncogene homolog B,
FOSB)基因是FBJ鼠科骨肉瘤病毒癌基因同源物(FBJ murine osteosarcoma viral oncogene homolog,
FOS)基因家族的成员,其编码蛋白质可与JUN家族成员二聚化形成转录因子复合物激活蛋白1(activator protein-1,AP-1),在细胞增殖、分化、凋亡、炎症和肿瘤进展中发挥作用
[6-7]。研究
[8]显示:
FOSB在胶质瘤组织中呈高表达,可通过促进细胞增殖和迁移及抑制凋亡来促进胶质瘤发展。此外,该基因通过替代剪接产生的
FOS家族转录因子稳定变异体δFosB,同样参与成瘾行为的调控作用
[8]。随着高通量测序技术及生物信息学分析的飞速发展,采用生物信息分析挖掘潜在生物标志物并推测其功能已成为可能。既往研究
[10-11]已发现
FOSB在多种肾脏病状态下表达异常,但这些研究多集中于单一疾病或初步关联分析,对于
FOSB在不同CKD类型,特别是IgAN中,其表达特征、作用机制及其在疾病间可能存在的共性和差异仍缺乏系统性探讨。本研究旨在揭示
FOSB作为IgAN进展标志物的潜力,并探讨其在糖尿病肾病(diabetic kidney disease,DKD)、膜 性 肾 病(membranous nephropathy,MN)和微小病变肾病(minimal change disease,MCD)等常见肾脏疾病中的潜在应用价值。
1 资料与方法
1.1 数据获取和处理
本研究从基因表达综合数据库(Gene Expression Omnibus, GEO)(
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)中下载针对IgAN肾小球样本的3个RNA测序(RNA sequencing,RNA-seq)数据集,其中2个作为训练集,1个作为验证集。每个数据集均包含健康对照组和IgAN组样本信息。根据各平台的注释信息,将所有探针ID转换为对应基因符号。排除匹配多个基因的探针,并计算同一基因的多个探针表达量平均值作为该基因表达值。对未归一化数据集进行log
2转换,并使用R语言limma包进行校正和标准化处理。利用R语言sva包进行批次校正,以消除批次效应;使用ggplot2包绘制主成分分析(principal component analysis,PCA)图,验证批次校正效果,确保数据一致性和可比性。
1.2 IgAN差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)筛选和富集分析
使用训练集批次校正后的数据进行差异表达分析,计算差异倍数(fold change,FC),以|log2FC|>1且校正后P<0.05为条件,筛选训练集数据中健康对照组和IgAN组间的DEGs。通过最小绝对收缩和选择算子(least absolute shrinkage and selection operator,LASSO)回归、随机森林(random forest,RF)和支持向量机(support vector machine,SVM)机 器 学 习 算 法 识 别 IgAN 特 征 基 因,并 用VennDiagram包绘制韦恩图以展示3种算法筛选的重叠基因,将其作为与IgAN有密切关联的特征基因。使用R语言limma包和ggpubr包统计并可视化IgAN特征基因在训练集对照组和IgAN组肾小球组织中的表达水平。
为揭示IgAN特征基因潜在功能,对DEGs进一步开展富集分析。使用org.Hs.eg.db包将基因符号转换后,使用clusterProfiler包进行京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)信号通路和基因本体论(Gene Ontology,GO)功能注释富集分析。GO分析包括生物过程、细胞组分和分子功能。以校正后P<0.05为差异有统计学意义。使用R语言enrichplot包cnetplot函数绘制基因注释和富集通路之间的网络关系图。
1.3 IgAN特征基因的预测效能分析
利用R语言pROC包绘制IgAN特征基因的受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线,以ROC曲线下面积(area under curve,AUC)值代表特征基因的诊断效能,并选择AUC值最高的基因,在验证集中验证其诊断准确性。
1.4 IgAN高表达组和低表达组DEGs富集分析
根据目标基因在肾小球表达水平中位值,将训练集内IgAN肾小球样本分为高表达组和低表达组。采用分子特征数据库MSigDB中“c2.cp.kegg.Hs.symbols.gmt”基因集对2组DEGs进行基因集富集分析(Gene Set Enrichment Analysis,GSEA),以P<0.05为差异有统计学意义。
1.5 IgAN免疫细胞分析
使用CIBERSORT算法评估IgAN组和健康对照组肾小球样本中22种免疫细胞的相对浸润水平。使用R语言vioplot包可视化2组间差异免疫细胞,并使用LASSO回归筛选IgAN特征免疫细胞。利用韦恩图筛选IgAN特征免疫细胞与差异免疫细胞的交集,识别IgAN核心免疫细胞。使用Spearman相关分析和ggplot2包评估特征基因与核心免疫细胞的相关性。
1.6 DKD、MCD和MN特征基因筛选及基因表达水平比较
按照“1.1”中方法,从GEO数据库分别获取包含DKD、MCD和MN患者与健康对照组研究对象肾小球组织样本数据集,并筛选特征基因。采用Wilcoxon秩和检验分析IgAN特征基因在DKD、MCD和MN及健康对照组肾小球中表达水平,使用小提琴图和箱线图进行结果可视化。
1.7 FOSB基因表达与DKD患者肾功能的相关性分析
Nephroseq v5数据库(
http://v5.nephroseq.org)是一个综合信息平台,用于评估肾脏疾病基因mRNA水平与肾脏疾病临床特征之间的相关性。利用Nephroseq v5数据库分析特征基因
FOSB表达水平与DKD患者肾功能指标的相关性。
1.8 临床资料
选取2021年1月—2022年12月在本院就诊行肾穿刺活检明确诊断为IgAN、DKD、MCD和MN的18~70岁患者的肾脏组织标本各5例,同时收集癌旁正常肾组织标本5例。纳入标准为组织标本肾小球数目≥10个。本研究方案经吉林大学第一医院伦理委员会批准。
1.9 主要试剂和仪器
兔抗人FOSB单克隆抗体购自英国Abcam公司,磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline,PBS)购自武汉普诺赛生命科技有限公司,二氨基联苯胺(diaminobenzidine, DAB)购自上海碧云天生物技术有限公司。切片机(型号:EM UC7)购自上海徕卡仪器有限公司,倒置荧光显微镜(型号:Ⅸ73)购自日本奥林巴斯公司。
1.10 免疫组织化学染色法检测IgAN、DKD、MCD和MN患者肾组织中FOSB蛋白表达水平
将收集的肾脏组织标本经10%甲醛于室温固定24 h后,常规梯度乙醇脱水、二甲苯透明处理。透明后的组织用石蜡包埋,冷却凝固后,用切片机将石蜡包埋组织切成4 μm厚的连续切片。切片经二甲苯脱蜡2次,每次10 min,随后按梯度乙醇依次水化。使用PBS缓冲液冲洗,微波修复。切片置于3%过氧化氢溶液中孵育15 min,PBS缓冲液洗涤3次,每次5 min。置于5%血清蛋白中,室温下封闭40 min后,加入抗FOSB一抗(1∶500),4 ℃孵育过夜。复温后用PBS缓冲液清洗3次,每次5 min。加入带有辣根过氧化物酶标记的山羊抗兔二抗,置于37 ℃下孵育60 min。DAB显色44 min后,用蒸馏水冲洗终止显色,苏木素复染细胞核后水洗。然后进行脱水、二甲苯透明处理,最终使用中性树胶封片剂封片。对照组使用PBS缓冲液代替一抗处理。
每例组织标本切取5张切片,每张切片采集10个视野图像。采用染色强度评分法分析免疫组织化学结果,使用Image J软件定量评估各标本肾小球和肾小管染色的相对光密度值,以平均相对光密度值代表各样本FOSB蛋白表达水平。
1.11 统计学分析
采用GraphPad Prism 10.1.2统计软件进行统计学分析。各样本肾小球和肾小管平均相对光密度值符合正态分布,以x±s表示,2组间样本均数比较采用两独立样本t检验,相关性分析采用Pearson检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结 果
2.1 IgAN、DKD、MCD和MN的GEO数据集
通过对GEO公共数据库筛选,本研究共纳入了12个肾小球组织RNA-seq数据集,涵盖IgAN、DKD、MCD和MN 4种疾病。每种疾病均包含2个训练集和1个独立验证集,所有数据集均包含疾病组及健康对照组样本信息。见
表1。
2.2 IgAN的DEGs筛选和富集分析
IgAN训练集内,IgAN组与健康对照组之间共筛选出110个DEGs,其中23个DEGs上调,87个DEGs下调。见
图1。LASSO回归、RF与SVM 3种机器学习方法分别筛选出18、9和24个IgAN特征基因,韦恩图显示交集基因为
FOSB、
NR4A2和
DUSP1。与健康对照组比较,IgAN组肾小球中
FOSB、
NR4A2和
DUSP1基因表达均明显降低(
P<0.001)。GO功能富集分析结果显示:
FOSB、
NR4A2和
DUSP1参与多巴胺能神经元的发育和分化过程,并通过调节肽基脱磷酸化等过程来影响神经元的活性和功能,揭示其与多巴胺生物合成过程、中脑多巴胺能神经元分化等关键生物学过程之间有关联。KEGG信号通路分析结果显示:
FOSB、
NR4A2和
DUSP1参与可卡因成瘾、安非他命成瘾、白细胞介素17(interleukin-17,IL-17)信号通路、醛固酮合成与分泌和5-羟色胺能突触等信号通路。见
图2。
2.3 IgAN特征基因诊断效能评估
绘制
FOSB、
NR4A2和
DUSP1的ROC曲线,结果显示:与
NR4A2和
DUSP1比较,
FOSB的AUC值最大,表明其对IgAN具有较好的诊断效能。见
图3。在验证集进一步验证
FOSB、
NR4A2和
DUSP1在肾小球组织中的差异表达情况及诊断效能,结果与训练集一致,并且均有统计学意义。因此,
FOSB被作为后续研究的特征基因,其可能是IgAN的潜在标志物。见
图4。
2.4 GSEA富集分析
GSEA分析结果显示:
FOSB高表达组中,DEGs显著富集于精氨酸和脯氨酸代谢、丁酸代谢、成红细胞白血病病毒癌基因同源物(erythroblastic leukemia viral oncogene homolog,ERBB) 信号通路、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号通路和丙酸代谢途径等通路;
FOSB低表达组中,DEGs显著富集于移植物抗宿主病和1型糖尿病等途径。见
图5。
2.5 免疫细胞浸润情况和IgAN核心免疫细胞
免疫细胞浸润分析结果显示:与健康对照组比较,IgAN组患者肾小球组织中活化自然杀伤细胞、M1型巨噬细胞和未成熟树突状细胞浸润水平明显升高(
P<0.05),静息自然杀伤细胞、成熟树突状细胞和中性粒细胞的浸润水平明显下降(
P<0.05)。将其与LASSO回归筛选的IgAN特征的6种免疫细胞,即初始B细胞、活化CD4+记忆T细胞、自然杀伤细胞、M1型巨噬细胞与M2型巨噬细胞、嗜酸性粒细胞和中性粒细胞,进行批次校正后取交集,筛选得到IgAN核心免疫细胞为自然杀伤细胞、中性粒细胞和M1型巨噬细胞。相关性分析显示:
FOSB与中性粒细胞浸润程度呈明显正相关关系(
r=0.42,
P<0.05)。见图
6和
7。
2.6 DKD、MCD和MN中特征基因筛选和差异表达
采用上述相同方法分析3种疾病特征基因,结果显示:DKD的特征基因为
DUSP1,MCD的特征基因为
NFIL3、
CEBPB和
ATF3;MN的特征基因为
CSRNP1、
SNORA72、
KCTD12、
FAM110A、
FOSB、
C9orf16、
TSPYL2、
ELF4、
NFKBIZ、
PPP1R3C 和
NRGN。ROC曲线分析结果显示:
KCTD12、
PPP1R3C和
FOSB在MN的验证集与训练集均展现出良好的诊断效能。见图
8和
9。差异分析结果显示:与健康对照组比较,DKD、MCD和MN组肾小球组织中
FOSB mRNA表达水平均明显降低(
P<0.05)。见
图10。
2.7 FOSB基因表达与DKD患者肾功能的相关性
为探讨
FOSB基因的临床价值,筛选得到1个包含10例DKD患者肾组织样本的基因表达数据集
[11]进行分析,结果显示:
FOSB表达与肾小球滤过率(glomerular filtration rate,GFR)呈正相关关系(
r=0.913,
P<0.01),提示
FOSB基因高表达可能与DKD患者肾功能保护作用有关联。见
图11。
2.8 IgAN、MN、MCD和DKD患者肾组织中FOSB蛋白表达水平
免疫组织化学检测结果显示:与对照组比较,IgAN、MN和DKD组患者肾小球和肾间质组织中FOSB蛋白表达水平均明显降低(
P<0.05),MCD组患者肾间质组织中FOSB蛋白表达水平差异无统计学意义(
P>0.05)。见图
12和
13。
3 讨 论
CKD已成为全球性公共卫生问题,日益受到重视。IgAN作为一种常见CKD,其发病机制复杂,涉及遗传、免疫和炎症等多个因素,在全球范围内影响数百万患者
[12]。本研究采用高通量测序技术和生物信息学分析,结合免疫组织化学验证,系统探讨了
FOSB基因在IgAN及其他CKD患者肾组织中的表达特征。
本研究通过生物信息学分析确定了IgAN特征基因
FOSB、
NR4A2和
DUSP1,这些基因在IgAN患者肾组织中表达水平均明显下调。ROC曲线分析显示:
FOSB基因在IgAN诊断中具有较高诊断效能,表明其可能参与IgAN发病机制,并具有成为IgAN潜在生物标志物的价值。这一发现与既往研究
[11,14-15]结果一致。IgAN患者普遍存在炎症微环境,其中半乳糖缺乏IgA1(galactose-deficient IgA1,Gd-IgA1)在肾小球系膜区沉积导致系膜细胞活化、增殖及促炎细胞因子释放是IgAN发病的中心环节
[16]。本研究KEGG信号通路富集分析和GSEA分析结果显示:
FOSB富集于IL-17信号通路激活,且其低表达组与ERBB和丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号通路等通路有关联。研究
[17]显示:IgAN患者中IL-17信号通路激活会促进炎症细胞因子释放、白细胞募集及肾脏损伤。此外,IgA1免疫复合物激活可激活MAPK信号通路,该过程与IgAN患者肾小管损伤和炎症反应有密切关联
[18]。刘馨怡等
[19]通过网络药理学方法研究发现:ERBB信号通路是IgAN发病机制相关的重要途径之一。以上结果提示:FOSB下调可能通过上述通路促进细胞增殖和炎症反应,从而加剧IgAN患者肾脏损伤。
本研究免疫浸润分析结果进一步支持了上述观点,结果显示:IgAN发生的核心免疫细胞为自然杀伤细胞、中性粒细胞和M1型巨噬细胞,且
FOSB表达与中性粒细胞浸润呈正相关关系。研究
[20]表明:中性粒细胞与淋巴细胞比值(neutrophil to lymphocyte ratio,NLR)可作为预测IgAN患者病理损害程度的炎症标志物,也是影响IgAN患者预后的独立危险因素。研究
[21]发现:FOSB作为AP-1的组成部分,参与调节细胞炎症反应,间接影响中性粒细胞功能。因此,FOSB可能通过调节
中性粒细胞功能参与IgAN炎症反应。研究
[22]表明:IgAN患者中,microRNA-27a-3p可通过直接靶向
FOSB调节炎症因子释放,进一步支持了
FOSB在IgAN炎症反应中的调控作用,但其具体调控机制仍需进一步研究。
FOSB在DKD、MN和MCD患者肾组织中也呈低表达,表明
FOSB可能参与多种CKD的共同病理机制,为CKD治疗策略提供了新靶点。
综上所述,FOSB基因在IgAN、DKD、MN和MCD患者肾小球组织中呈低表达,其可能是IgAN潜在的生物标志物。