1 资料和方法 Data and methods
1.1 设计 一项类风湿关节炎和骨质疏松间的正向和反向双样本孟德尔随机化分析,同时基于SMR分析挖掘类风湿关节炎和骨质疏松的共病治疗靶点,并基于生信分析和细胞实验进行验证。
1.2 时间及地点 研究于2024年10月在达州市中心医院完成。
1.3 资料 从GEO数据库(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)和GTEX数据库(https://www.genome.gov/Funded- Programs-Projects/Genotype-Tissue-Expression-Project)下载类风湿关节炎和31种正常组织的转录组数据。
1.3.1 数据获取 从存储GWAS数据的GWAS Catalog(https://www.ebi.ac.uk/gwas/)、IEU Open GWAS (https://gwas.mrcieu.ac.uk)、FinnGen(https://www.finngen.fi/en)以及eQTLGen(https://eqtlgen.org/)数据库中下载类风湿关节炎、骨质疏松症和顺式表达数量性状位点(cis-expression quantitative trait locus,cis-eQTL)的GWAS数据,用于探索类风湿关节炎和骨质疏松症间的因果关系和挖掘潜在治疗靶点,相关信息见表1。从GEO数据库(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)和GTEX数据库(https://www.genome.gov/Funded-Programs-Projects/Genotype-Tissue-Expression-Project)下载类风湿关节炎[GSE93272(亚洲),27例类风湿关节炎样本,30例健康样本;GSE15573(欧洲),17例类风湿关节炎样本,14例健康样本]和31种正常组织的转录组数据,用于验证关键靶点的生物学功能。
1.4 方法
1.4.1 工具变量筛选 如图1所示,为筛选出满足孟德尔随机化三大假设 (假设1:关联性假设,工具变量与暴露因素强相关;假设2:独立性假设,工具变量与混杂因素不相关;假设3:排他性假设,工具变量仅通过暴露因素影响结局变量)的工具单核苷酸多态性[14],进行了如下操作:①选择与类风湿关节炎显著相关的单核苷酸多态性(P < 5×10-8);②去除工具单核苷酸多态性连锁不平衡,阈值设为:r2 < 0.01,kb=10 000;③剔除F统计值< 10的弱工具变量避免发生偏倚;④使用IEU Open GWAS数据库(https://gwas.mrcieu.ac.uk)剔除与结局具有显著相关性的混淆因素。
1.4.2 孟德尔随机化分析 通过孟德尔随机化分析进行类风湿关节炎和骨质疏松症之间的因果分析,以逆方差加权法作为主要分析方法,以MR Egger法、简单模式法、加权中位数法和加权模式法作为补充方法。同时,基于Cochran’s Q检验、MR-Egger- Intercept检验以及留一法检验对分析结果进行敏感性分析。其中,Cochran’s Q检验主要用于判断工具单核苷酸多态性的异质性,当结果存在显著异质性时(P ≤ 0.05),采用随机效应逆方差加权算法。MR-Egger-Intercept检验主要用于评估单核苷酸多态性间是否存在水平多效性,以避免混杂因素导致分析结果出现偏倚;留一法检验用于观察是否存在对结果影响较大的单核苷酸多态性,如果存在则分析结果不可靠。
1.4.3 SMR分析 为探索出类风湿关节炎合并骨质疏松症的潜在治疗靶
点,该研究基于纳入人群最多的类风湿关节炎和骨质疏松症数据,分别使用此数据对cis-eQTL进行SMR分析。SMR分析基于HEIDI检验来确保阳性SMR结果具有因果关系。因此,当满足P值(SMR) < 0.05和P值(HEIDI) > 0.05时,该基因被视作具有可靠效应的潜在治疗靶点。
1.4.4 关键基因的生物学功能探索 从GEO数据库获取带有类风湿关节炎临床数据的芯片测序数据(GSE93272和GSE15573)。基于注释文件对探针进行注释,当存在相同探针时取平均值较大的探针予以保留。接着,基于‘limma’R包进行类风湿关节炎组织和正常组织的差异表达分析,以验证关键基因在病理和正常组织间的差异表达。随后,基于GeneMania数据库(https://genemania.org/)探索关键基因的生物学功能。此外,基于基因集富集分析(gene set enrichment analysis,GSEA)探索关键基因的潜在调控机制。最后,基于GTEx数据库探索关键基因在31种正常组织中的表达。
1.4.5 关键基因的重要性评估和诺莫图构建 通过单因素逻辑回归分析、绘制受试者特征曲线和混淆矩阵评估关键基因在类风湿关节炎预测中的重要性,同时进行关键基因和关键临床特征的相关性分析。最后,基于关键基因构建类风湿关节炎风险预测诺莫图,通过受试者特征曲线、矫正曲线和决策曲线验证预测性能。
1.4.6 关键基因的靶点药物挖掘和分子对接 基于Enrichr数据库(https://maayanlab.cloud/Enrichr/)获取可上调/下调关键基因表达的靶向药物,随后进行药物和关键基因的分子对接。首先,从PubChem数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)和PDB数据库(http://www.rcsb.org)下载药物和关键基因的三维分子结构。接着,去除靶点蛋白三维结构的水分子和配体,并添加氢原子修复缺失的侧链,旨在对靶点蛋白的三维结构进行优化。随后,用AutoDock对药物和关键基因进行分子对接模拟。最后,使用PyMOL对最佳对接构象进行可视化。
1.4.7 细胞获取和培养 从武汉塞维尔生物科技有限公司购置小鼠成骨细胞株(MC3T3-E1)。将细胞接种在含体积分数10%胎牛血清的α-MEM培养基中,置于37 ℃、体积分数5% CO2孵箱中培养。
1.4.8 细胞转染 将MC3T3-E1细胞以1×105个/孔密度接种在6孔板中,使用含体积分数10%胎牛血清的α-MEM培养基培养细胞融合度达到60%,更换为Opti-MEM培养基,并加入Lipofectamine 3000和DYRK2-siRNA
或NC-siRNA(吉满生物),具体操作均基于试剂说明书进行。同时,将未进行转染的细胞作为对照组进行比较。细胞转染培养周期为48 h。
1.4.9 实时荧光定量聚合链式反应(RT-qPCR) 细胞转染完成后,RT-qPCR验证si-DYRK2转染效率。细胞转染完成后,添加成骨诱导培养基(普诺赛)培养3 d,RT-qPCR检测DYRK2对成骨标志基因的影响。使用TRIzol试剂提取总RNA,用反转录试剂盒将RNA反转录为cDNA,最后用RT-qPCR扩增目的基因的表达水平。以GADPH为内参,以2-ΔΔCt作为目的基因的相对表达水平,引物序列见表2。
1.4.10 Western blot分析 细胞转染完成后,添加成骨诱导培养基培养3 d,Western blot检测DYRK2对成骨标志蛋白的影响。细胞用RIPA裂解液(含蛋白酶和磷酸酶抑制剂)冰浴裂解30 min,12 000 r/min离心15 min收集上清液,使用BCA试剂盒定量蛋白。取等量蛋白与上样缓冲液混合,在95 ℃加热5 min后加载至10%-12%的SDS-PAGE凝胶,电泳分离蛋白,随后将蛋白转移至PVDF膜,用5%脱脂奶粉在室温封闭1 h,将膜与一抗4 ℃孵育过夜[碱性磷酸酶抗体(Abcam),骨钙素、骨桥蛋白、Runt 相关转录因子 2和GAPDH抗体(ABclonal Biotechnology),稀释比例均为1∶1 000],次日用TBST洗膜后,加入二抗在室温孵育1 h,再次用TBST洗膜后,加入ECL并在化学发光系统中显影,Image J软件进行条带灰度值分析。结果用目的条带的灰度值/GAPDH的灰度值表示。
1.4.11 茜素红染色和碱性磷酸酶染色
茜素红染色:细胞转染完成后,添加成骨诱导培养基培养21 d进行茜素红染色。细胞经PBS洗涤2次后,用40 g/L多聚甲醛固定10-15 min,使用pH 4.1-4.3的1%茜素红染色液覆盖细胞,染色20-30 min,染色完成后用水洗去多余染料,并在显微镜下观察橙红色的矿化结节。另外,染色后加入10%冰醋酸15 min,用酶标仪测定570 nm处的吸光度值进行半定量分析。
碱性磷酸酶染色:细胞转染完成后,添加成骨诱导培养基培养14 d进行碱性磷酸酶染色。细胞用PBS洗涤后,用40 g/L多聚甲醛固定10-15 min。按照试剂盒说明书配制碱性磷酸酶染色工作液,加入固定细胞中,37 ℃避光孵育15-30 min,染色后用蒸馏水洗涤细胞3次,去除未反应染料,显微镜下观察蓝色沉淀代表碱性磷酸酶活性区域,加入碱性磷酸酶活性测定试剂盒工作液,37 ℃孵育5-10 min,每孔加入100 μL反应终止液终止反应,用分光光度计在405 nm处测定吸光度值,并与标准蛋白比较,得到酶活力曲线。
1.5 主要观察指标 ①类风湿关节炎和骨质疏松症之间正向和反向因果关系;②与类风湿关节炎和骨质疏松症具有因果效应的基因;③关键基因在类风湿关节炎和骨质疏松症中的重要性。
1.6 统计学分析 基于R软件(V 4.3.2)进行相关分析,图形均由“ggplot2” R包进行绘制,SMR分析由SMR软件(V 1.3.1)完成。除外特殊说明,P < 0.05被视为差异有显著性意义。文章统计学方法已经通过重庆医科大学生物统计学专家审核。