中山大学一附院陈旻湖团队:孟德尔随机化瞄准肠道菌群,4张图发近10分文章,速看!
肠道菌群一直是国自然的热点,如果跟孟德尔随机化挂钩就是高分系列!还不用做实验,这不赶紧上车!?关注小云,这里有一大把高分思路、生信热点等你来哦~ 小云细细读了这篇文章,文章的思路很简单。氧化应激(OS)是克罗恩病(CD)的关键病理生理机制,作者使用基于多组学摘要数据的孟德尔随机化(SMR)方法来预测CD中OS基因的因果效应和潜在机制,最后在中山大学附属第一医院的独立多组学队列中进行验证,简简单单几张图表,就揭示了OS与CD中DNA甲基化和肠道微生物群相互作用的关系,还发表了接近10分的SCI,不得不感叹,孟德尔随机化果然是SCI的新宠儿!
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题目:一项多组学孟德尔随机研究:氧化应激基因表达、DNA甲基化和肠道微生物群相互作用引发克罗恩病
杂志:
BMC Medicine
影响因子:IF=9.3
发表时间:2023年5月
研究背景
氧化应激(OS)是克罗恩病(CD)的关键病理生理机制。OS相关基因会受到环境因素、肠道炎症、肠道微生物群和表观遗传变化的影响。OS相关基因的表达与肠道屏障完整性受损、微生物生态失调,DNA甲基化(DNAm)有关。然而,OS作为潜在CD病因学因素的作用尚不清楚,多组学孟德尔随机化(SMR)法有助于CD相关的OS基因的潜在机制。
数据来源
研究思路
从GeneCards数据库中搜集OS相关基因。从GEO数据库中收集肠道转录组数据集,并进行Meta分析,识别CD中OS相关的差异表达基因(DEGs)。使用SMR方法对来自血液的表达数量性状位点(eQTLs)和DNA甲基化QTLs (mQTLs)的CD全基因组关联研究(GWAS)进行整合分析,分析与CD风险相关的血液OS基因及其调控元件。整合最新的肠道eQTLs和粪便微生物eQTLs (mbQTLs),通过SMR和共定位分析宿主OS基因表达与肠道微生物群之间潜在的相互作用。另外两种SMR方法用于敏感性分析。最后在中山大学第一附属医院的独立多组学队列中得到验证。
主要结果
1. 差异表达的OS基因的Meta分析
通过从公共数据库获得的6个基因表达数据集(3个微阵列数据集和3个RNA-seq数据集),用Meta分析比较CD患者和健康人肠道组织的RNA表达。从GeneCards获得817个OS的相关基因。根据Meta分析,438个OS基因在CD和对照组织之间存在差异表达(图1A)。相关性强的前5位基因分别是DUOX2、MMP3、S100A8、MMP1和IL1B,研究表明这些基因与IBD肠道炎症相关。对DEGs进行细胞类型特异性表达分析(CSEA)。在23种细胞分类中,OS相关的DEGs在肠道细胞中显著富集(图1B),表明上皮细胞在在肠道调节中发挥氧化应激调节作用和维持粘膜稳态。
2.整合来自血液中的GWAS和OS相关的eQTL/mQTL数据
采用三步SMR法确定CD的关键致病基因,并分析其在血液中基因调控的表观遗传机制。作者将438个与OS相关的cis-eQTLs(94037个SNP-基因对)及其cis-mQTLs(52761个SNP-CpG位点)与CD的GWAS汇总数据进行整合,共得到了16个OS相关基因。进一步整合分析假定的cis-eQTLs和cis-mQTLs数据,然后分析8个可能调控5个邻近基因的DNAm探针(BAD、SHC1、STAT3、MUC1和GPX3)。结果表明这些CpG位点明显富集在外周血细胞的转录起始位点,包括初级造血干细胞,主要T辅助记忆血细胞,和初级单核血细胞。
3.血液中甲基化调控基因表达介导的CD致病基因
三步SMR分析表明SNP信号与STAT3在CD GWAS、eQTL、mQTL的数据研究中具有显著性意义。DNAm探针cg06422947位于STAT3上游427 kbp的增强子区。该位点的甲基化水平对STAT3表达和CD发病呈负相关,而STAT3表达水平与疾病呈正相关。所以可以推测,STAT3增强区的较低水平的DNAm可以上调STAT3的表达,随后增加CD风险(图2A,B)。另一个关键基因是GPX3,位于启动子区域的DNAm探针cg08580836与GPX3的表达呈负相关。较高的GPX3基因表达和较低的甲基化水平可降低患CD的风险。因此,基因变异可能通过调节启动子DNAm状态来上调GPX3的表达,对CD的发病有保护作用(图2C,D)。
4. 来自肠组织的GWAS和OS‑eQTL/mbQTL数据
宿主遗传因素和肠道微生物群在CD中发挥了关键作用。对来自GTEx(n=860)的三个肠组织(乙状结肠、横结肠和小肠)的eQTL数据进行了meta分析,随后,对来自1000个IBD患者(n=299)的肠道eQTL数据进行了meta分析。最终的meta分析确定了分析确定了分析确定了43,975对顺式SNP基因对,对应392个OS相关基因。SMR分析表明了这5个肠道表达基因MUC1、CD40、PARK7、PRKAB1和NDUFS1在CD中的潜在因果作用。为了进一步从宿主-微生物相互作用探讨肠道OS基因的作用,通过共定位分析,作者将mbQTL汇总统计与上述eQTL数据结合起来,共识别到6对基因表达-微生物通路,包括MUC1、CD40和PRKAB1这3个基因。
5.预测的CD致病基因与肠道基因-微生物群的相互作用相关
基于SMR和共定位分析,MUC1是与肠道微生物群相关的CD肠道组织中的OS致病关键基因(图3A),MUC1表达的升高可能与CD的发病中有相关性。CD40基因是另一个参与肠道基因-微生物群相互作用的关键基因(图3B)。另一个候选的致病基因是PRKAB1(图3C),PRKAB1的表达与患CD的风险呈负相关。
6. 在FAHSYS外部队列中OS DEGs的复制和基因-微生物群相互作用分析
为了进一步验证上述基因的准确性,作者在一个外部独立的FAHSYS队列中使用肠道转录组测序数据验证了meta分析的DEGs结果。图4结果表明,88.79%的DEGs在FAH-SYS 队列中被复制,并且在FAH-SYS队列中MUC1-耐酸芽孢杆菌和PRKAB1-大肠杆菌对之间的关联与 eQTL-mbQTL共定位一致。这项多组学整合研究说明,导致CD的OS基因受DNA甲基化和宿主-微生物群相互作用的调节。
文章小结
看完了文章,是不是思路很简单!这个文章选择了热点“甲基化”、“肠道菌群”,再加上“氧化应激”,具有比较高的创新性。利用SMR分析克罗恩病中氧化应激基因表达对DNA甲基化和肠道微生物群相互作用的影响,运用SMR敏感性分析、共定位分析和多种统计学方法,最后在外部临床数据集中进行验证。只需公共数据挖掘+分析,零实验,就发到接近10分的文章,赶紧来模仿!