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为解决动物实验成果难以转化至人类结核病研究的问题，麻省理工学院等机构的研究人员开展跨物种转录组翻译研究。他们发现未折叠蛋白反应在 Mtb 感染中有重要作用。该成果为理解结核病机制及开发疗法提供新思路，值得科研人员阅读。
美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）生物工程系的 Krista M. Pullen 等人在《npj | systems biology and applications》期刊上发表了题为 “Cross-species transcriptomics translation reveals a role for the unfolded protein response in Mycobacterium tuberculosis infection” 的论文。这篇论文在结核病（tuberculosis，TB）研究领域意义重大，为深入理解结核病的发病机制以及开发新的治疗方法提供了重要依据。
研究背景
在传染病研究中，动物实验一直被认为对理解人类疾病机制具有重要价值。然而，将动物实验的生物学发现转化到人类疾病的实际应用中却面临重重困难，这导致临床试验的成功率远低于预期。就拿结核病来说，它是全球范围内严重威胁人类健康的传染病，2022 年其致死人数仅次于新冠（COVID-19 ）。当人体接触结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis，Mtb）后，会出现多种不同的结果，从细菌被清除，到慢性无症状感染，再到肺部或其他部位的进行性疾病。目前，Mtb 感染的结果常被简单分为潜伏性结核感染（latent TB infection，LTBI）和活动性结核病（active TB，ATB），但这种二分法忽略了每个群体内部的异质性，背后可能存在多种复杂的生物学机制。
此外，结核病临床前动物模型与人类疾病在表型和生理上存在诸多差异。虽然已有研究发现了 Mtb 感染的哺乳动物和人类队列之间的转录相似性和差异，但尚未有研究探索现有结核病临床前模型中是否存在某些次要途径，能高度指示人类结核病的疾病状态。
研究方法
为了填补动物模型与人类疾病研究之间的差距，研究人员运用了一种名为可翻译成分回归（Translatable Components Regression，TransComp-R）的系统建模框架。这一框架旨在通过识别一个物种中与另一个物种疾病生物学和表型相关的多个正交变异轴，来解释生物学异质性。
具体操作过程如下：首先对小鼠模型进行降维处理，生成少量能够捕捉小鼠数据大部分变异的潜在变量，也就是主成分（mouse principal components，mPCs） 。然后，利用每个小鼠主成分的特征（如基因）载荷，将人类同源物投影到小鼠潜在变量空间中。接着，选择在 LTBI 和 ATB 样本之间具有最大单变量效应大小的 mPCs，纳入最终的逻辑回归模型。通过将人类表型分类回归到选定的 mPCs 上，验证这些 mPCs 以及每个小鼠基因在区分人类疾病状态中的重要性。最后，进行基因集富集分析，了解小鼠中与人类活动性或潜伏性结核病显著相关的潜在次要生物学途径。
研究结果
- 跨物种基因表达的直接比较揭示临床前模型与人类结核病的分子差异：研究人员利用之前发表的小鼠和人类全血转录组数据集进行对比分析。他们选取了 49 个已发表的结核病基因集，这些基因集是从人类队列中识别出来的，原本用于区分人类 ATB 和 LTBI 的转录反应。研究发现，这些基因集虽然能明显区分人类的不同表型，但在区分感染 H37Rv Mtb 菌株的两种小鼠品系（C57BL/6J 和 C3HeB/FeJ）时效果较弱。在感染临床 Mtb 分离株 HN878 的小鼠中，基因集富集在两种小鼠品系之间没有统计学显著差异。这表明小鼠模型与人类疾病在疾病相关生物学方面存在差异，仅通过直接比较同源基因和途径的表达，难以实现跨物种的有效转化。
- TransComp-R 模型识别出与人类结核病表型相关的小鼠转录组特征：研究人员构建跨物种模型时，没有采用传统的逐对比较个体基因或途径的方法，而是借助 TransComp-R 框架。他们对小鼠数据进行主成分分析（PCA），前 20 个 mPCs 能够解释小鼠数据 75% 的方差，于是将其纳入模型的下一步分析。把人类结核病队列的数据投影到 mPC 空间后发现，投影样本在 mPC1 和 mPC2 上能根据疾病状态（LTBI 与 ATB）明显分离，且这两个 mPCs 能捕捉到总方差的 45%。通过分析，研究人员确定了 5 个对预测人类 ATB 与 LTBI 表型具有高分类准确性的 mPCs，即 mPC1、mPC2、mPC3、mPC5 和 mPC7，并将它们视为模型的 “可翻译成分”（Translatable Components，TCs） 。
- 可翻译成分揭示多种生物途径，包括蛋白质翻译：由于 TCs 具有正交性，研究人员利用 Ingenuity Pathway Analysis（IPA）工具，探究每个 TC 所反映的独特细胞过程。结果发现，每个 TC 都与独特的功能途径组合相关。例如，TC1 与中性粒细胞活动和干扰素信号传导等已确定的疾病相关途径密切相关；而后面的 TC（如 TC2、TC3、TC5 和 TC7）的基因载荷都与翻译途径存在显著关联，同时还与不同的免疫途径相关。进一步研究发现，翻译途径在区分人类 LTBI 和 ATB 方面，与已确定的疾病途径（如中性粒细胞或干扰素信号传导相关途径）具有相似的差异富集效果。而且，核糖体基因表达的降低是结核病的一种跨物种可翻译特征，尽管它在小鼠模型中与疾病严重程度的分类决定因素没有关联。
- 核糖体 mRNA 的抑制是巨噬细胞感染 Mtb 的特征，且依赖于未折叠蛋白反应（UPR）：翻译抑制是 UPR（一种由内质网或线粒体中的蛋白毒性应激触发的细胞应激反应）的一个标志。研究人员假设，与 TC3、TC5 和 TC7 相关的核糖体 mRNA 的调节可能与感染细胞中的 UPR 活动有关。他们用化学抑制剂分别抑制 UPR 的三条经典途径（针对肌醇需求酶 1（IRE1α）、激活转录因子 6（ATF6）和蛋白激酶 R 样内质网激酶（PERK）），然后用 Mtb 感染小鼠骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs） ，并通过 RNA 测序来量化 mRNA。研究结果表明，UPR 抑制在不同程度上限制了感染诱导的与人类结核病相关途径的表达变化。其中，ATF6 的抑制对翻译相关途径影响显著，完全逆转了 Mtb 感染诱导的共有的蛋白质翻译基因集的抑制。这表明 Mtb 感染的跨物种可翻译特征的重要方面可能归因于 UPR 的激活。
研究结论与讨论
这项研究表明，传统认为动物模型生物学可直接转化为人类疾病的假设，在结核病治疗开发以及许多其他人类疾病研究中都遭遇了失败。从系统生物学角度来看，虽然疾病相关的机制途径在哺乳动物物种间大致保守，但它们对疾病（和相应治疗）表型的相对定量重要性在不同物种间可能存在差异。
研究人员通过 TransComp-R 框架构建的模型，不仅捕捉到了之前已发表的对 Mtb 感染的生物学反应机制，还为人类和小鼠之间的关系提供了新的见解，并确定了可能参与人类结核病发病机制的新途径。例如，除了已知的与结核病相关的途径外，还发现了一些与细胞代谢、信号传导等相关的新途径。
在蛋白质翻译相关途径方面，研究发现其在人类和小鼠巨噬细胞中都受到 Mtb 感染的影响，且这种影响依赖于 UPR，尤其是 UPR 中的 ATF6 分支。虽然目前还需要进一步研究确定 UPR 的分子成分能否作为潜在的结核病治疗靶点，但这项研究凸显了跨物种翻译建模的实用性，它有可能提高临床前数据的价值。
未来的研究可以在更具多样性的动物模型中应用 TransComp-R 框架，比如使用协作杂交小鼠品系。这种计算框架具有广泛的适用性，可推广到各种物种和数据模式，但前提是需要物种间具有类似的特征。总体而言，像 TransComp-R 这样的综合跨物种模型，有望拓展我们对人类对 Mtb 感染免疫反应的理解，并加速有效干预措施的开发，为攻克结核病带来新的希望。
