机器学习驱动的髓核衰老基因鉴定：揭示椎间盘退变新生物标志物TAF13

本研究针对椎间盘退变（IVDD）机制不明的临床难题，通过机器学习算法筛选髓核细胞衰老相关关键基因。研究人员整合GEO数据库转录组数据与细胞衰老数据库，运用WGCNA联合随机森林（RF）和支持向量机递归特征消除（SVM-RFE）算法，发现TAF13基因在IVDD中显著高表达，并经qPCR、Western blot和临床样本验证。该研究为IVDD早期诊断提供了新型分子标志物，为靶向干预策略开辟了新方向。

随着现代生活节奏加快和工作压力增大，椎间盘退变（Intervertebral Disc Degeneration, IVDD）已逐渐演变为全球性健康难题。这个看似普通的生理性老化过程，实则隐藏着复杂的病理机制——从纤维环破裂到椎体骨赘形成，从髓核组织坏死到整个脊柱力学平衡失调，每一步都可能引发剧烈疼痛和功能障碍。在椎间盘的核心部位，髓核（Nucleus Pulposus, NP）扮演着至关重要的角色，它如同天然的减震器，通过其弹性凝胶状特性缓冲压力、维持脊柱稳定性。然而，当髓核细胞（NPCs）开始衰老时，这一切平衡都将被打破。

科学家们早已注意到髓核细胞衰老与IVDD之间存在密切联系。衰老的NPCs不仅增殖分化能力下降，还会分泌大量炎症因子如前列腺素E2（PGE2）、白细胞介素（IL-1、IL-6）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α），引发慢性炎症反应，同时导致细胞外基质（ECM）合成与降解失衡。更棘手的是，这种衰老过程具有不可逆性，使得早期干预变得尤为重要。但究竟哪些基因主导了这一过程？能否找到关键靶点进行早期诊断？这些问题一直困扰着研究人员。

近期发表在《European Journal of Medical Research》的一项研究给出了突破性答案。该研究团队创新性地采用机器学习算法，成功挖掘出与IVDD密切相关的髓核衰老关键基因TAF13，为临床诊断提供了新型分子标志物。

研究团队首先从GEO数据库获取了IVDD基因表达数据集（GSE70362），涵盖16个退变样本和8个正常对照。通过Limma包筛选出470个差异表达基因（DEGs），其中227个上调、243个下调。借助DAVID数据库进行GO和KEGG富集分析，发现这些基因主要富集于RNA聚合酶II启动子转录正调控、经典Wnt信号通路、有丝分裂纺锤体组装等生物学过程，以及MAPK信号通路、细胞周期等关键通路。

研究采用加权基因共表达网络分析（WGCNA）构建基因模块，确定与IVDD最相关的浅绿色模块。进一步结合随机森林（RF）和支持向量机递归特征消除（SVM-RFE）两种机器学习算法，从衰老相关基因中筛选出核心候选基因。最终通过体外细胞模型（TBHP诱导的NPCs衰老模型）和临床样本（13例人髓核组织，按Pfirrmann分级分组）进行qPCR和Western blot验证。

差异表达基因鉴定与功能富集分析

通过GSE70362数据集分析发现470个DEGs，其中227个上调基因和243个下调基因。GO分析显示这些基因主要参与RNA聚合酶II启动子转录正调控、经典Wnt信号通路等生物学过程；KEGG分析提示MAPK信号通路、细胞周期等通路显著激活。

WGCNA共表达网络构建

采用软阈值10构建符合无尺度分布的共表达网络，确定与IVDD最相关的浅绿色模块，该模块与表型特征相关性最高（相关系数0.8）。模块内基因与差异表达基因取交集后获得25个候选基因。

机器学习筛选核心基因

通过SVM-RFE算法（八折交叉验证）和随机森林算法联合筛选，最终确定TAF13为唯一共有的Hub IVDD-SRDEGs（衰老相关差异表达基因），显示其作为生物标志物的高度特异性。

体外验证mRNA与蛋白表达水平

采用TBHP（60μM）诱导NPCs衰老模型，qPCR和Western blot结果均显示TAF13在退变组中表达显著上调（P<0.01），证实其在细胞衰老过程中的关键作用。

临床样本验证

对13例临床髓核组织（5例对照组Pfirrmann I-II级，8例退变组III级以上）进行qPCR检测，发现TAF13在退变组中表达显著升高（P<0.05），与体外实验结果一致。

该研究首次系统性地揭示TAF13作为IVDD新型诊断标志物的价值。TAF13是转录因子IID（TFIID）复合物的核心组分，参与RNA聚合酶II介导的转录起始过程。研究表明，TAF13通过调控细胞周期和DNA修复等过程影响髓核细胞衰老，其异常高表达可能导致TFIID复合物稳定性改变，进而引发基因转录紊乱。尽管研究尚未阐明TAF13在机械负荷响应中的具体作用机制，但其为IVDD的早期诊断提供了重要靶点。

这项研究的突破性在于将机器学习与多组学验证相结合，成功跨越了生物信息学预测与实验验证之间的鸿沟。TAF13的发现不仅为IVDD早期诊断提供了血浆标志物开发方向，更重要的是为针对细胞衰老的靶向治疗提供了新思路——未来或许可以通过调控TAF13表达来延缓椎间盘退变进程。随着深入研究，这一发现可能推动IVDD诊疗从传统的影像学诊断向分子诊断转型升级，最终改善数百万患者的生存质量。