导读
表观遗传标记是糖尿病及相关并发症的潜在生物标记。使用来自香港糖尿病登记处的前瞻性队列,我们进行了两项独立的表观基因组关联研究,以确定甲基化标志物分别与基线估计肾小球滤过率(EGFR)和随后的肾功能下降(EGFR斜率)相关,在1,271名2型糖尿病患者中。在这里,我们显示了40个(30个以前未识别的)和8个(均为先前未识别的)CpG位点分别达到了基线EGFR和EGFR斜率的表观基因组意义。我们还开发了一种多位点分析方法,分别选择64个和37个CpG位点作为基线EGFR和EGFR斜率。这些模型在患有2型糖尿病的美洲原住民的独立队列中得到验证。我们发现的CpG位点与肾脏疾病中功能丰富的基因相近,其中一些与肾脏损伤有关。这项研究强调了甲基化标记物在2型糖尿病患者肾脏疾病风险分层中的潜力。
论文ID
题目:DNA methylation markers for kidney function and progression of diabetic kidney disease
译名:糖尿病肾病进展与肾功能的DNA甲基化标志物
期刊:Nature Communications
IF:17.694
发表时间:2023.5
通讯作者单位:香港中文大学
DOI号:https://doi.org/10.1038/s41467-023-37837-7
主要内容
在这项对2型糖尿病患者队列中甲基化特征的研究中,我们的主要发现如下:(1)DNA甲基化水平与2型糖尿病患者的肾功能有关;(2)先前未确定的CpG位点的甲基化水平与基线EGFR相关;(3)一组先前未确定的CpG位点与EGFR下降的比率相关;(4)在独立的2型糖尿病队列中,使用基线EGFR的甲基化数据和EGFR的下降与复制相关的预测模型是可能的;(5)先前未知的CpG位点的近端基因和预测模型中包含的基因与肾脏疾病的发病机制有关;(6)所构建的预测模型可以实现与结合临床危险因素的模型的可比性预测。我们的研究对结合甲基化生物标志物促进2型糖尿病风险分层的潜力提供了见解。
CpG甲基化与肾功能的关系
我们的结果扩展了我们和其他人在强调肾功能和甲基化特征之间的潜在联系方面的早期工作。特别是,在我们的研究中发现的顶级位点cg17944885位于ZNF20附近,对应于一个cpG位点,该位点已在几个EWA中被报道用于肾功能。此外,在我们对甲基化变化的分析中,在其他研究中发现的与普通人群中肾功能相关的甲基化水平的CpG位点也显示出名义上的相关性。这些结果表明,普通人群中与肾功能相关的甲基化变化可能也适用于2型糖尿病人群。早期的Ewas主要在欧洲人群中进行,随后在多种族队列中进行复制。结合我们的结果,我们可能会得出结论,甲基化图谱不是种族特有的,就像在GWAS中识别的遗传基因座的情况一样。我们的几个发现也在最近的两个关于Ewas的荟萃分析中被报道,尽管其中许多在早期的个体队列研究中没有被确认。虽然这可能反映了最近更大规模的荟萃分析带来的统计能力的提高,但跨种族的荟萃分析可能是发现与不同种族人口相关的地点的更强大的战略。
总体而言,与肾功能下降相比,与基线EGFR相关的甲基化改变相关的研究结果有更大的一致性。这并不令人惊讶,因为血压、血脂和血糖等多种因素以及药物可能会调节肾脏和血管病理,从而影响肾功能的进展。尽管有很强的关联性,但很难理清甲基化变化与基线肾功能之间的因果关系。基线EGFR和甲基化改变之间的强烈关联可能是与肾功能障碍相关的代谢环境改变的后果。另一方面,预测肾功能下降的甲基化改变,与基线EGFR相关的位点重叠最少,更有可能用作预后生物标志物。
多站点模型的性能
我们的单部位和多部位分析都发现cg00506299与基线EGFR相关。该位点位于RFTN1基因内,该基因的甲基化水平此前尚未与肾功能相关。然而,在DKD患者中发现RFTN1在DKD患者和对照组之间存在差异表达,并与VvInt相关。在Fan小鼠肾脏中,Rftn1的表达与健康小鼠的肾脏相比存在差异。作为另一个例子,位于CTSB基因内的cg21919729经我们的单点分析鉴定,其甲基化与肾脏疾病无关。然而,在DKD患者中,其表达与VvInt相关。其小鼠同源基因CTSB在近端小管(PT)细胞中也有差异表达。CTSB编码组织蛋白酶B,组织蛋白酶B是C1族多肽酶中的一个成员,它产生一种溶酶体半胱氨酸蛋白酶,具有内肽酶和外肽酶活性,可能在蛋白质周转中发挥作用。组织蛋白酶B参与ESKD、慢性肾脏疾病和AKI的炎症、细胞凋亡和自噬。
有趣的是,大多数最重要的CpG位点都位于基因体中,这突显了基因体和非启动子甲基化作为代谢性疾病基因调控的重要机制的作用日益得到认可。在我们研究中与糖尿病患者EGFR下降速度相关的74个CpG位点中,没有一个在之前的普通人群研究中报道,这表明了专门在糖尿病患者中进行发现努力对推进糖尿病精准医学的效用。
单位点和多位点分析中确定的CpG位点附近的基因的功能意义
未来,在肾组织或细胞/器官模型中直接测试本研究中确定的CpG位点的功能意义将是有用的。一种可能的方法是使用基于CRISPR-Cas9的基因组编辑将CpG位点转变为非CpG序列,以测试该位点失去CpG甲基化的影响。另一种可能的方法是使用基于CRISPR的表观基因组编辑,例如dCas9与DNA甲基转移酶融合以测试获得DNA甲基化的效果,或dCas9与Tet甲基胞嘧啶双加氧酶融合以测试DNA甲基化缺失的效果。
表现最好的预测模型包括CpG位点的组合,其中许多与EGFR或EGFR下降没有单独的强烈关联。包含多个位点的预测模型与只包含顶级单个CpG位点的预测模型之间的性能差异类似于最近全基因组多基因风险评分的发展。后者往往具有比传统方法更好的性能和实用性,传统方法仅根据GWAS显著命中率来制定多基因风险评分。鉴于目前有大量的甲基化数据集,我们的方法可能适用于开发基于表观基因组范围甲基化数据的其他预测模型,这是表观遗传学时钟的开创性工作所采取的方法。
基于我们的多位点甲基化特征的预测模型也与使用临床参数预测不良肾脏结果的已建立的风险方程具有类似的性能,而我们的数据提供了关于生物途径的更多见解。我们的结果还表明,甲基化特征可以捕捉到临床风险因素提供的大部分信息,而纳入临床风险因素并不能显著改善预测。相比之下,大多数将遗传变量添加到临床标记物的研究仅略微改善了糖尿病相关并发症的预测。因此,我们的结果强调了将甲基化变化纳入风险模型以改善风险分层的潜在效用。
总结
我们的结果强调了使用血液样本甲基化水平来预测EGFR或不同人群中EGFR变化的潜在效用。我们还发现了与肾功能、肾功能下降和肾脏病理相关的以前未被识别的甲基化标记物。我们的研究强调了在2型糖尿病患者中使用甲基化标记物进行肾脏疾病风险分层的潜力。
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37837-7
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