《Communications Biology》：Integrative genomics sheds light on the immunogenetics of tuberculosis in cattle
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为解决牛结核病（bTB）遗传基础及免疫应答机制问题，研究人员开展牛 bTB 相关研究，整合多组学数据，发现相关基因和变异，为防治提供新依据。
结核病研究背景与意义
结核病（Tuberculosis，TB）是全球范围内严重威胁人类健康的慢性传染病。在过去两个世纪，人类结核病（hTB）导致超过 10 亿人死亡，仅 2023 年就有 125 万人因 hTB 去世。牛结核病（bTB）由牛分枝杆菌（Mycobacterium bovis）引起，不仅给畜牧业带来巨大经济损失，还可通过人畜共患传播，引发人畜共患结核病（zTB）。据估计，2019 年 zTB 导致超过 14 万例新的 hTB 病例和 1.1 万例死亡。
此前研究表明，hTB 和 bTB 在发病机制上有诸多相似之处，牛可作为研究 hTB 的重要大型动物模型。然而，牛对 M. bovis 感染的易感性及 bTB 疾病性状的遗传基础尚不清楚。虽然全基因组关联研究（GWAS）已表明 bTB 易感性和抗病性状具有高度多基因性，但相关数量性状位点（QTL）的功能仍难以确定。此外，外周血（PB）转录组在 bTB 疾病中发生变化，但其基因组结构基础不明。因此，深入研究 bTB 的免疫遗传学机制，对于理解宿主对分枝杆菌感染的反应、开发防治策略具有重要意义。
都柏林大学学院（University College Dublin）等机构的研究人员开展了一项综合多组学研究。该研究整合基因组学、牛 PB 转录组学和 bTB 易感性 GWAS 数据集，以探究遗传因素如何影响牛对 M. bovis 感染的群体内变异性，以及更广泛的分枝杆菌感染。研究成果发表在《Communications Biology》上，为理解宿主对分枝杆菌感染的免疫反应提供了重要的组学数据，有望推动 bTB 及相关疾病的防治研究。
研究方法
研究人员招募了 60 头 M. bovis 感染的牛（bTB+）和 63 头非感染对照牛（bTB-）。采集外周血样本，进行 RNA 测序（RNA-seq）以获取转录组数据，同时对基因组 DNA 进行基因分型，并将单核苷酸多态性（SNP）数据进行全基因组序列（WGS）规模的推算。通过主成分分析（PCA）和 ADMIXTURE 分析评估群体遗传结构。利用 DESeq2 进行差异表达分析（DEA），TensorQTL 进行顺式表达数量性状位点（cis-eQTL）映射，MOSTWAS 进行转录组范围关联研究（TWAS）。此外，还进行了基因集富集分析和功能富集分析，以确定差异表达基因（DEGs）参与的生物学过程和信号通路。
研究结果
- 动物疾病表型分析：通过单一皮内比较结核菌素试验（SICTT）和干扰素 -γ（IFN-γ）释放试验对动物进行疾病表型分析，结果显示试验敏感性和特异性分别为 96.67% 和 98.41%。
- RNA-seq 映射统计和全基因组 SNP 推算：RNA-seq 数据显示，平均每个样本文库有 35,129,315 ± 3,430,729 条读数，94.96 ± 0.76% 的读数可唯一映射到 ARS-UCD1.2 牛基因组。经过质量控制和推算，分别在 bTB+、bTB - 和所有动物组合（AAG）队列中保留了 3,711,843、3,776,115 和 3,866,506 个常染色体 SNP 用于 eQTL 分析。
- 群体基因组学、差异基因表达和功能富集分析：遗传结构分析表明，研究群体的遗传结构是转录组数据集的混杂因素。DEA 鉴定出 2592 个差异表达基因（FDR Padj. < 0.05），功能富集分析显示这些基因富集在先天免疫反应、病原体内化和宿主 - 病原体相互作用等生物学过程和信号通路中。
- 映射顺式表达数量性状位点和估计非加性效应的贡献：在 bTB+、bTB - 和 AAG 队列中分别鉴定出 2219、3366 和 6676 个 cis-eGenes。通过与外部数据集的比较，验证了 cis-eQTL 的可重复性。此外，发现加性模型能较好地支持 cis-eQTL 的定位，非加性效应的贡献较小。
- 外周血顺式变异在 M. bovis 感染和 bTB 疾病中的特异性效应：通过交互分析和比较 bTB + 和 bTB - 组中常见基因和 SNP 的顺式 eQTL 效应，鉴定出 5 个与 bTB 状态显著交互的 cis-eQTL 和多种类型的顺式变异，这些变异与免疫相关基因有关，可能影响宿主对 M. bovis 感染的免疫反应。
- 转录组范围关联分析突出与 bTB 易感性相关的基因：利用 MOSTWAS 进行 TWAS 分析，在四个 GWAS 队列中鉴定出 115 个与 bTB 易感性相关的基因，这些基因涉及免疫生物学相关过程，如信号淋巴细胞激活分子家族 1 基因（SLAMF1）、调节 G 蛋白信号 10 基因（RGS10）等。
研究结论与讨论
本研究通过综合多组学分析，深入探讨了牛 bTB 的免疫遗传学机制。研究发现，M. bovis 感染显著扰动牛 PB 转录组，鉴定出大量差异表达基因和 cis-eQTL，为理解宿主对分枝杆菌感染的免疫反应提供了重要信息。
研究还揭示了某些 cis - 变异在 bTB + 和 bTB - 牛中具有特异性效应，影响关键免疫基因的表达，如 IFI16 和 IFITM3。这些发现为进一步研究宿主免疫反应机制提供了线索，未来可通过实验验证这些变异的功能。
此外，TWAS 分析鉴定出的与 bTB 易感性相关的基因，为后续功能研究和基因组辅助育种提供了重要靶点。然而，TWAS 方法存在一些局限性，如统计框架的 1 型错误率较高、难以评估因果关系等，未来需要结合更大的参考面板和其他技术进行改进。
总之，本研究为牛 bTB 的防治提供了新的理论依据和潜在靶点，有望推动牛结核病防治和精准育种的发展，同时也为人类结核病研究提供了重要参考，在 “同一健康”（One Health）框架下具有重要意义。
