哮喘患者与社会阶层相关的基因组转录谱分析

摘要

人们发现，更大的社会环境会影响个人一生的身体健康。在所有社会因素中，低社会经济地位（SES）与各种疾病的发病率和死亡率之间的关联性最强且最为一致，¹包括儿童哮喘。尤其是，与SES背景较高的儿童相比，SES背景较低的哮喘儿童更容易住院、急诊就诊和功能损害（如活动受限、卧床天数）。^2–8

为了了解更大的社会环境“进入体内”对哮喘病理生理学的影响，研究人员调查了社会环境与炎症之间的关系。在健康成年人中，低SES与循环炎症标记物水平升高有关，如C反应蛋白和白细胞介素（IL）6。^{9 10}在哮喘儿童中，低SES与嗜酸性粒细胞计数增加以及体外刺激产生的炎症细胞因子（如IL5和IL13）增加有关。^{11 12}另一个与低SES应激相关的社会因素与哮喘患者对过敏原激发的炎症反应增强有关，¹³编码调节炎症的激素受体（包括糖皮质激素和β肾上腺素能受体）的基因表达减少。¹⁴

尽管SES与炎症之间的关系越来越被人们认识，但这种关系背后的分子机制仍不清楚。本研究使用基于体内基因组学的方法来确定哮喘儿童样本中与SES相关的T细胞基因表达的差异，并确定可能形成这些差异的候选信号转导途径。因为重点是了解与疾病进展相关的差异，所以我们以先前患有哮喘的儿童为样本。

基于先前将SES与炎症联系起来的研究，我们假设低SES与促炎症转录控制通路的改变有关。根据之前的数据，β肾上腺素能和糖皮质激素途径在社会因素和炎症之间的关系中，¹⁴我们假设，这些类型激素信号的转录介质将区分低SES背景和高SES背景儿童的T细胞基因表达谱。作为第二个目标，我们测试了与SES相关的社会因素，如认知解释，是否可以解释SES和全基因组转录谱之间的关联。我们的假设是，SES改变了孩子们解释社会世界的方式，而这些解释反过来又改变了全基因组转录谱显示的神经内分泌和炎症信号传递过程。

方法

有关更多详细信息，请参阅补充（仅限在线）。

结果

样本的描述性信息如所示表1低SES组和高SES组在哮喘严重程度、吸入皮质类固醇的使用、β激动剂的使用、1s用力呼气量或特应性状态方面没有差异（所有p值均>0.15）。

转录控制途径

生物信息学分析用于识别差异表达基因启动子中的TFBMs。四种不同的激素或细胞因子信号通路始终与低SES相关(图1)。低SES组哮喘儿童中过度表达的基因启动子中，循环AMP反应元件结合蛋白（CREB）TFBM的发病率显著降低（平均下降55%，p=0.031）(表4)。CREB蛋白是免疫细胞对儿茶酚胺转录反应的关键介质。²²

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图1

转录因子结合基序在低社会经济地位（SES）和高社会经济地位背景的哮喘儿童中过度表达的基因启动子中表现出差异。数据表示各组启动子中反应元件的平均（SEM）流行率。活化蛋白1；CREB，环AMP反应元件结合蛋白；核因子κB；NF-Y，核因子Y。

表4

转录因子活性的生物信息学指示

		p值
TFBM公司	比率*	单变量†	随机‡	敏感§
V$CP2_01	2.33	0.0156	0.0114	0.0943
V$TAL1BETAITF2_01	7.62	0.0166	0.0084	0.0922
V$NFY_C	0.28	0.0223	0.0212	0.0485
V$CREB_Q4（沃尔沃）	0.45	0.0306	0.0334	0.0056
V$NFKB_Q6	2.54	0.0316	0.0232	0.0200
V$SREBP1_01	4.50	0.0391	0.0316	0.0759
V$COUP_01版	4.85	0.0434	0.0360	0.0926
伏$HSF2_01	0.71	0.0435	0.0460	0.0513
V$AP1FJ_Q2	0.65	0.0464	0.0484	0.0005
V$VJUN_01版	0.20	0.0477	0.0512	0.0342

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^*低SES组与高SES组T淋巴细胞过度表达基因启动子中TFBM的流行率。

^†p TFBM患病率不等方差Welch t检验的值。

^‡p值基于60个人类基因的10000个随机样本。

^§p三种启动子长度（−300 bp、−600 bp、−1000到+200 bp）和三种TFBM检测严格度（MatSim 0.80、0.90和0.95）的九种组合的平均值

社会经济地位；TFBM，转录因子结合基序。

第二个发现涉及在低SES背景的儿童中过表达的基因的启动子中NF-Y TFBM的患病率降低（启动子TFBM患病率平均降低72%，p=0.022）。NF-Y被与CREB相同的cAMP/PKA信号通路激活，提供了通路激活的集中指示。

还发现来自低SES背景儿童T细胞的AP1（Fos/Jun）转录因子活性降低（AP1 p=0.046；VJUN p=0.048）。该途径活性的降低与观察到的FOS公司,FOSB公司和6月转录本，编码AP1转录因子家族的关键元素。

此外，低SES组中过度表达的基因中NFκB TFBM的患病率升高（启动子TFBM患病率平均增加2.54倍，p=0.032）。NFκB激活许多与炎症、伤口愈合和细胞应激反应有关的基因。

所有上述发现在参数变化的启动子长度和TFBM检测严格性的敏感性分析中仍有显著意义(表4)。其他TFBM在初步分析中被确定为与观察到的SES相关的基因表达差异的潜在贡献者。然而，这些TFBM在参数敏感性分析中没有显示一致的统计显著性（p值>0.05）(表4)。为了评估观察到的差异可能偶然出现的可能性，我们从Affymetrix U133A高密度寡核苷酸阵列检测的基因群体中随机抽取了60个转录物的10000个样本，并计算了初始分析中确定的10个TFBM的差异流行程度。结果证实，在随机基因样本中观察到的CREB、NF-Y、AP1和NFκB的差异分布不太可能发生（p<0.05）(表4).

讨论

本研究提供了第一个在临床炎症性疾病背景下将较大社会环境（SES）与T细胞基因表达联系起来的实证证据。在哮喘儿童中，低SES背景的儿童表现出调节多种炎症过程的基因过度表达，包括趋化因子活性、应激反应和创伤反应。基于启动子的生物信息学分析确定了可能构建差异基因表达观察模式的转录控制途径，包括CREB、AP1和NF-Y减少，NFκB信号增加。低SES组的儿童也报告了较差的临床结果，如哮喘症状加重。尽管这项研究的横截面性质排除了关于因果方向的明确结论，但这些发现与更大的社会环境可以在基因组转录控制途径水平上“深入”的假设一致。

低SES组儿童中过度表达的基因包括：趋化因子配体，如CXCL4和CXCL7，其招募和激活白细胞；²³参与抗原处理和呈递（MHC II类蛋白复合物）的人，这是哮喘炎症生物学的关键特征；那些与氧化应激有关的(SOD2标准)激活免疫细胞，延长炎症；以及与钙结合蛋白相关的(S100A8型,S100A9系列,S100A12型)对白细胞具有趋化作用，对内皮细胞具有促炎作用。^{24 25}这些模式表明，在低SES背景的哮喘儿童中，分子调节机制可能会加剧炎症并恶化临床结果。

高SES组儿童中过度表达的基因包括：编码热休克蛋白的基因(热休克蛋白A1,HSPA1B型,热休克蛋白A6,DNAJB1号机组)保护细胞免受活性氧等炎症分子的影响，并防止肺部炎症^{26 27}; 那些参与细胞分化和增殖的细胞，如c-fos和c-jun，它们随着活性氧的暴露而增加²⁸; 那些与细胞周期控制有关的(基站2)有助于抑制DNA损伤的影响²⁹; 以及那些参与基因甲基化或沉默的人。请注意FOS公司,FOSB公司和6月基因产物还编码转录因子AP1家族的关键成分，在基于启动子的生物信息学分析中，高SES组的活性增加。综上所述，这些模式表明，在SES背景较高的哮喘儿童中，炎症加剧可能会被旨在控制炎症造成的损害的细胞调节机制所抵消。

这项研究还确定了作为SES功能的基因表达差异模式的候选转录控制途径。生物信息学分析表明，低SES背景哮喘儿童CREB、AP1和NF-Y活性下调，NFκB介导的转录上调。CREB通过腺苷酸环化酶/cAMP/蛋白激酶A途径介导对β肾上腺素能受体信号的转录反应。^{22 30}哮喘患者过敏原激发后腺苷酸环化酶活性受损。³¹cAMP通路的调节信号减弱可能导致T细胞活化增加，随后Th-2细胞因子表达增加。³¹CREB信号减少也可能降低支气管扩张剂作为哮喘治疗剂的疗效。这些模式与患有慢性和急性生活应激的哮喘儿童淋巴细胞中发现的β肾上腺素能受体mRNA下降相一致。¹⁴

生物信息学分析还表明，低SES背景的哮喘儿童NF-Y介导的转录降低。与CREB一样，NF-Y也被PKA磷酸化，因此可以作为β肾上腺素能信号通路的信号指示物。³²两种转录因子在低SES组中均表现出下调，这一事实表明儿茶酚胺信号通路存在多种平行缺陷。

生物信息学分析也表明低SES组哮喘儿童的NFκB信号上调。NFκB可激活多种炎症介质。一些数据表明，cAMP活性升高可以抑制NFκB活性³³; 因此，NFκB的增加和CREB信号的减少可能代表了一种常见的调节性改变，这种改变使低SES背景的儿童的基因表达谱向更具炎症性的表型转变。

我们的发现与之前研究功能性免疫措施的研究一致。例如，低SES背景的哮喘儿童与高SES背景儿童相比，Th-2细胞因子的产生和嗜酸性粒细胞计数更多。¹²哮喘患者对过敏原激发的体内炎症反应和体外细胞因子的产生与更大的压力有关^{13 34}并且易患过敏性疾病。³⁵此外，压力与调节炎症的激素受体编码基因表达减少有关。¹⁴

统计分析表明，压力解释解释了CREB和NFκB活性指标中与SES相关的一些差异。这表明，为了使社会环境产生生物效应，可能必须首先以威胁的方式感知它。反过来，这些认知感知可能伴随着转录调控和炎症生物学的生物代价。我们注意到，SES与基因组模式之间可能存在许多其他的联系途径，这应该在未来的研究中进行测试。

目前尚不清楚在健康儿童中是否会发现类似的影响。然而，即使类似的影响很明显，这些生物学机制仍然可能对那些已有炎症疾病的人有不同的影响。尽管如此，测试SES对健康个体基因表达谱的影响对未来的研究也很重要。

局限性包括观察设计，排除了关于因果关系和方向性的结论。这是对涉及难以随机分配的社会因素（如社会经济地位）的人类工作的必要限制。其次，按流行病学标准来看，样本量较小，尽管在全基因组微阵列研究中并不罕见。小样本的一个担忧是功率不足；然而，几个转录控制途径的显著差异表明，这种效应的大小足以在这种大小的样本中检测到。第二个问题是研究结果是否稳健可靠。然而，请注意，本研究中使用的生物信息学方法利用了数千个基因的数据，形成了转录因子活性的聚合和更可靠的指标。第三，微阵列技术有时被批评为过于探索性。然而，在这项研究中，微阵列数据被用于测试先前研究中记录的特定激素信号通路导致SES炎症增加的先验假设。^{12 14}此外，使用错误发现率分析是基因组文献中调整统计数据以解释多重比较的标准方法。然而，在其他样本中复制这些结果在未来的研究中很重要。最后，选择CD2抗原分离T淋巴细胞可能会被自然杀伤（NK）细胞污染。（没有使用CD3标记物，因为CD3的免疫磁性分离过程会激活T细胞。）然而，在控制NK细胞标记物mRNA的分析中，目前的结果没有显著改变。

目前的数据确定了哮喘儿童T淋巴细胞中低SES环境的一个独特的转录指纹，以及构成这些差异的候选转录控制通路。低SES背景的哮喘儿童显示与炎症、趋化因子活性、应激和创伤反应相关的基因过度表达，生物信息学显示CREB、AP1和NF-Y降低，NFκB信号增加。这项研究为哮喘提供了第一个临床证据，即更广泛的社会环境影响基因组水平的过程，特别是调节炎症和儿茶酚胺信号的转录控制途径。由于这些途径是许多哮喘药物的主要靶点，这些研究结果表明，更大的社会环境也可能影响哮喘治疗的疗效。最后，对压力的感知在解释SES如何在基因组水平上转化为改变方面起着重要作用。总的来说，这些发现为社会因素影响炎症疾病过程的机制提供了新的见解，并强调了未来研究哮喘的病理生理学如何由社会环境形成的必要性。

补充材料

鸣谢

脚注

参考文献