陈洛南组合作揭示原发性膜性肾病中足细胞的致病性骨形态发生蛋白-2通路

　　

5月24日，国际学术期刊Advanced Science在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）陈洛南研究组联合上海交通大学医学院附属仁济医院肾脏科牟姗研究组的最新合作研究成果：“Podocyte Pathogenic Bone Morphogenetic Protein-2 Pathway and Immune Cell Behaviors in Primary Membranous Nephropathy。”该研究建立了目前为止最大规模的原发性膜性肾病（Primary Membranous Nephropathy, PMN）单细胞转录组数据库，结合生物信息学分析、患者肾脏穿刺活检病理切片免疫染色以及体外细胞培养实验，发现了PMN患者肾脏足细胞中骨形态发生蛋白-2（Bone Morphogenetic Protein-2, BMP2）通路激活，导致肾小球基底膜（Glomerular Basement Membrane, GBM）增厚这一PMN的特征性病理改变。并且，通过原创的动态网络标志物分析，预测到了一个与PMN病理转变临界点相关的细胞状态。此外，该研究还揭示了PMN肾脏中的免疫细胞独特的生物学改变，包括巨噬细胞浸润增加、多种功能激活，记忆B细胞和浆细胞活化等。

慢性肾脏病给人类健康造成严重负担，蛋白尿是其核心表现之一。大量蛋白尿（>3.5g/24h）往往引起肾病综合征（Nephrotic Syndrome, NS），会并发严重的全身感染、致死性血栓栓塞、急性肾损伤以及代谢紊乱，严重影响患者长期预后；此外，还会导致慢性肾脏病进展为终末期肾病，患者需要进行肾脏替代治疗（透析和肾移植）以维持生命。PMN是一种自身免疫性肾小球疾病，主要临床表现为蛋白尿，是引起成人NS最常见的原发性原因。阐明PMN的发病机制和信号通路对肾脏内科常见疾病的诊断和治疗具有重要意义。

肾脏组织学结构复杂、细胞类型众多，包括肾小球、肾小管、肾间质的固有细胞群和浸润的各类免疫细胞群。PMN由自身抗体靶向足细胞表面自身抗原所致，形成的抗原抗体复合物激活补体，导致肾脏滤过屏障破坏，使血浆中蛋白异常渗漏到尿液中形成蛋白尿。足细胞属于肾脏中的稀有细胞类型，因此，其在疾病中的异常信号往往容易被掩盖。该研究纳入了11位PMN患者和7位健康肾移植供体的肾脏穿刺样本，进行单细胞转录组测序。在经过精细的细胞聚类分析后，研究人员在肾小球细胞大类中分离出了细胞数量可观的足细胞簇，并从中发现，PMN患者足细胞中BMP2表达上调，同时GBM基质的主要成分IV型胶原亚基COL4A3、COL4A4表达上调。研究人员判断这一通路可能与PMN的典型病理特征——GBM病理性增厚密切相关。

BMP2属于转化生长因子-β（Transforming Growth Factor-β,TGFβ）超家族成员，通过磷酸化SMAD家族分子，进一步调控下游基因表达，与损伤修复、细胞外基质产生和组织纤维化密切相关。基于此，研究人员在体外培养了永生化小鼠足细胞株并使用BMP2重组蛋白进行刺激，发现足细胞中BMP2/pSMAD1/COL4通路激活，IV型胶原的α3和α4亚基表达上升，与单细胞转录组分析结果相一致。同时对患者和对照组的肾脏病理切片进行了免疫染色，在蛋白水平证实了PMN足细胞中BMP2/pSMAD1/COL4通路的激活。该工作还探究了该通路的上游，发现补体成分C3a和C5b-9刺激能够促进BMP2表达并激活下游反应，从而将PMN发病机制中的补体系统激活，与GBM病理性增厚相关联，为理解PMN的病理生理提供了重要的理论基础。

考虑到足细胞作为PMN的重要靶细胞，其在PMN发生发展过程中可能存在着关键的状态转变，该研究基于拟时序分析划定了PMN足细胞的三个连续状态，利用陈洛南研究组原创的动态网络标志物（Dynamic network biomarkers，DNB）算法，从中预测到了处于PMN病理转变临界点附近的一群足细胞。该状态下的足细胞中，BMP2分子所在的基因调控网络发生了极大的表达波动，并可能影响到下游细胞外基质成分的表达。

作为一种局限于肾脏的自身免疫病，PMN肾脏中的免疫环境也发生了独特的改变。研究发现PMN肾脏中巨噬细胞浸润增加，它们可能由经典单核细胞分化而来，最终呈M2极化的抗炎表型，并且通过表达载脂蛋白、抗原加工提呈分子、趋化因子发挥着复合的功能。此外，PMN肾脏中B细胞呈明显活化，高表达抗原加工提呈分子以及产生免疫球蛋白IgG分子。细胞间相互作用分析提示，PMN患者肾脏中的免疫细胞彼此之间、同肾脏固有细胞之间呈现出精密而复杂的调控网络。

综上，该工作对肾小球足细胞及免疫细胞在PMN发生发展中的作用提供了新的见解，从而有助于进一步揭示PMN的病理生理机制。

上海交通大学医学院附属仁济医院肾脏科蔡安祥博士、分子细胞卓越中心孟祎玮博士、上海交通大学医学院附属仁济医院肾脏科周航博士为该论文的共同第一作者。上海交通大学医学院附属仁济医院肾脏科牟姗教授与分子细胞卓越中心陈洛南研究员为该论文的共同通讯作者。该项工作也得到了分子细胞卓越中心童明汉研究员的大力支持和帮助，以及中心网络部门的高性能计算支持。该研究获得了国家自然科学基金、上海市卫生计生委员会和中国科学院战略重点研究计划等项目的重要资助。

文章链接：http://doi.org/10.1002/advs.202404151

自身免疫诱导、补体介导的足细胞内BMP2/pSMAD1/COL4通路激活，导致了PMN肾小球基底膜增厚的病理性改变