摘要：结核病（tuberculosis，TB）是由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis，MTB）引起的慢性传染病。2024年《全球结核病报告》显示，2023年新增结核病患者1080万例，死亡125万例，结核病重新成为单一传染病中导致死亡
No.1
研究背景
结核病（tuberculosis，TB）是由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis，MTB）引起的慢性传染病。2024年《全球结核病报告》显示，2023年新增结核病患者1080万例，死亡125万例，结核病重新成为单一传染病中导致死亡的首要原因。作为结核病负担第三高的国家，中国仍需要更好的诊断策略和治疗方法。尽管γ-干扰素释放试验和结核菌素皮肤试验已被广泛用于筛查MTB感染，但它们无法区分活动性结核病患者和结核分枝杆菌潜伏感染。目前，活动性结核病的诊断方法主要依赖于病原体检测和影像学检查；然而，这些方法均不具备对活动性结核病的高敏感度和特异度。因此，开发一种快速有效的策略来诊断活动性结核病至关重要。
在与人类共同进化数千年后，MTB已经发展出一系列策略来逃避宿主免疫反应并维持胞内生存。MTB感染引起宿主免疫系统改变的显著特征是代谢重编程。MTB能够上调宿主脂肪酸分解代谢和胆固醇代谢，以促进细胞壁合成。之前的研究报道MTB感染可以诱导吲哚胺2,3-过氧化酶1的表达并增加犬尿氨酸的产生，从而减少趋化因子CXCL9/CXCL10的分泌和肺部T细胞浸润。为了对抗MTB的侵袭，宿主免疫细胞也会通过调节代谢途径启动抗菌免疫反应。鉴于MTB感染介导的代谢改变，本研究探究代谢相关基因标志物对鉴别活动性结核病患者的应用前景。
No.2
研究方法
本研究通过对GEO数据库中的健康人和活动性结核病患者的转录组测序数据进行差异表达基因（DEGs）分析，鉴定出与代谢相关的差异表达基因（MRDEGs）。随后利用LASSO回归和随机森林算法筛选出可用于诊断活动性结核病患者的4个枢纽基因，同时构建基于枢纽基因的列线图，通过受试者工作特征（ROC）曲线评估其诊断效能。通过CIBERSORT算法和单基因GSEA分析评估这些枢纽基因与免疫应答过程的相关性。通过单细胞测序数据进一步分析这些基因在各类免疫细胞中的表达情况。最后通过RT-qPCR实验在外部数据集和小鼠模型中进行验证。研究流程见图1。
图1 研究流程图
No.3
研究结果
一、鉴定与活动性结核病相关的4个代谢枢纽基因
研究通过对GSE83456数据集中的61名健康人和92例活动性结核病患者的转录组数据进行DEG分析，结合已有的代谢相关基因集，鉴定到41个差异表达的代谢相关基因。随后通过LASSO回归和随机森林模型筛选到4个关键的枢纽基因，即：GCH1、GK、MTHFD2和SLC7A6。其中，GCH1、GK和MTHFD2在结核感染后表达均升高，而SLC7A6在结核感染后表达降低。ROC分析显示，4个枢纽基因均对活动性结核病患者具有良好的诊断效能（图2）。随后，基于这4个基因构建列线图进行综合分析，发现对测试集和验证集的AUC值分别为0.979和0.940，表明这4个代谢相关基因可以联合用于活动性结核病患者的诊断。
图2机器学习模型筛选代谢相关枢纽基因用于活动性结核病患者诊断
二、代谢相关枢纽基因的表达水平提示活动性结核病患者的预后情况
研究进一步分析了抗结核治疗后这些代谢相关枢纽基因的表达情况。结果显示，随着抗结核治疗的进行，GCH1、GK和 MTHFD2表达均下降，而SLC7A6表达升高，并且在抗结核治疗疗程较长和治疗失败的患者中，GCH1、GK和MTHFD2的表达均较高，但SLC7A6的表达较低（图3）。以上结果提示这4个基因可作为抗结核治疗效果的潜在指标。
图3代谢相关枢纽基因与结核病患者预后的相关性
三、 GCH1、 GK 和 MTFFD2与巨噬细胞的抗结核免疫应答密切相关
为了探究这些代谢相关基因与宿主抗结核免疫反应的相关性，研究进行了单基因GSEA分析，发现这些基因均与巨噬细胞的富集程度密切相关。同时，本研究利用单细胞测序数据进一步分析这些基因在免疫细胞中的表达情况。结果显示， GCH1、 GK和 MTHFD2主要在巨噬细胞中表达，并且 GCH1和 GK在结核感染后明显表达上调；同时， GCH1和 GK的表达还与M1型巨噬细胞的特征基因均呈现正相关（图4）。这些结果表明这些代谢相关基因可能通过调控巨噬细胞代谢过程影响抗结核免疫反应。
图4单细胞转录组分析揭示代谢相关枢纽基因在免疫细胞中的表达情况
No.4
研究结论
本研究通过多组学分析揭示代谢相关基因GCH1、GK、MTHFD2和SLC7A6 的表达变化与结核病的发病机制密切相关，并可作为活动性结核病诊断和治疗的生物标志物。其中，GCH1和GK主要在巨噬细胞中表达，并且与M1型巨噬细胞的分化密切相关，这提示代谢相关基因在巨噬细胞抗结核免疫应答中发挥了关键作用，为宿主导向的抗结核免疫治疗提供了新思路。
来源：京津冀消息通