铁死亡主控开关GPX4作为泛癌精准免疫治疗通用生物标志物的发现与验证研究

本综述通过整合多组学数据与体外实验验证，系统揭示了谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）作为铁死亡（ferroptosis）关键调控因子在33种癌症类型中的表达模式、预后价值及免疫微环境调控作用。研究表明GPX4具有显著的诊断价值（AUC>0.8），其表达与肿瘤突变负荷（TMB）、微卫星不稳定性（MSI）及免疫检查点分子显著相关，为开发靶向GPX4的泛癌种免疫治疗策略提供了重要理论依据。

　　

引言

铁死亡是一种铁依赖性的程序性细胞死亡形式，由脂质过氧化、活性氧（ROS）累积和膜损伤触发。其调控异常与多种病理状态相关，包括组织缺血/再灌注损伤、神经退行性变和肿瘤发生。近年研究表明铁死亡可抑制多种癌症进展，化疗药物与铁死亡诱导剂联用能增强头颈癌、胰腺癌和胶质母细胞瘤的治疗效果。谷胱甘肽过氧化物酶（GPXs）家族通过还原脂质氢过氧化物和过氧化氢来保护机体免受氧化损伤，其中GPX4是唯一能还原磷脂氢过氧化物的同工酶，在抑制铁死亡中起核心作用。尽管GPX4在癌症中呈现双重作用（抑癌和促癌），但其在癌症生物学中的具体角色尚未完全阐明。

材料与方法

研究整合了TCGA、GTEx、cBioPortal、HPA、UALCAN和仙桃平台等多组学数据，采用系统生物信息学方法评估GPX4在33种癌症类型中的表达、预后意义、突变谱、DNA甲基化和肿瘤免疫微环境（TIME）浸润特征。通过Western blot、MTS法和EdU实验在AGS胃癌细胞系和SW480结直肠癌细胞系中进行功能验证。单细胞水平分析使用CancerSEA数据库，免疫浸润评估采用TIMER2.0和ESTIMATE算法，功能富集分析通过BioGRID和GEPIA2完成。

结果

GPX4在泛癌中的差异表达与诊断能力

TCGA数据分析显示GPX4在COAD、ESCA、HNSC等13种癌症中上调，在BRCA中下调。联合TCGA和GTEx数据证实GPX4在27种癌症中存在显著差异表达，其中ACC、COAD、GBM等24种癌症中表达上调，在BRCA、LAML和TGCT中下调。CPTAC蛋白质组数据验证了GPX4在肺癌中高表达、乳腺癌中低表达的转录水平趋势。免疫组化结果支持GPX4在结肠癌和肝癌组织中显著高表达。ROC曲线分析显示GPX4区分癌与正常组织的AUC值在THCA、KIRP等多癌种中超过0.8，结合GTEx数据后PAAD、LAML等癌种的AUC突破0.9。GPX4表达与ESCA、HNSC等癌种的疾病分期及HNSC、KIRC等癌种的肿瘤分级显著相关。

GPX4促进癌细胞增殖

功能实验证实GPX4过表达显著促进AGS和SW480细胞增殖（MTS法）及S期细胞比例增加（EdU实验），表明其在胃肠癌中发挥促癌作用。

GPX4的预后价值

Cox回归和KM生存曲线显示GPX4表达与BRCA、COAD等6种癌症的总生存期（OS）显著相关：高表达预示COAD、LAML和UVM预后不良，但预示BRCA、THCA和UCEC预后良好。在疾病特异性生存（DSS）分析中，GPX4高表达与STAD不良预后相关，与UCEC良好预后相关。无进展间隔期（PFI）分析显示GPX4高表达与ACC、STAD和UVM的不良预后相关。

GPX4遗传变异分析

cBioPortal数据显示SARC中GPX4突变率最高（约8%），以扩增为主；ACC、胶质瘤等以扩增为主导变异；OV和CESC则以深度缺失为主。共发现27种突变类型，错义突变最常见（18例），截短突变G174A/D可能是驱动突变。GPX4遗传改变与GBM患者总生存期改善相关，与HNSC患者DSS较差相关。

GPX4甲基化水平

UALCAN数据库分析显示LIHC、TGCT等11种癌症中GPX4启动子甲基化水平降低，PRAD、BRCA和PCPG中升高。TIDE数据库分析表明GPX4高甲基化与胶质瘤、PAAD和SKCM的OS改善相关，与HNSC和KIRC的OS较差相关。

单细胞水平表达特征

CancerSEA分析显示在NSCLC中GPX4表达与DNA损伤、细胞周期负相关，与转移、血管生成、炎症、上皮间质转化（EMT）和静息状态正相关；在UM中与静息、DNA损伤、凋亡等过程负相关。

GPX4与免疫浸润的关联

TIMER2.0算法显示GPX4表达与COAD、DLBCL等癌种的巨噬细胞浸润显著相关，在ESCA、HNSC-HPV^-和SARC中与M2型巨噬细胞浸润正相关。GPX4表达还与ESCA、HNSC等癌种的癌症相关成纤维细胞（CAFs）、CESC和HNSC的中性粒细胞、HNSC-HPV⁺和TGCT的B细胞、HNSC-HPV⁺的CD8⁺ T细胞及HNSC的调节性T细胞（Treg）浸润相关。ESTIMATE算法显示GPX4表达与GBMLGG、SARC的免疫评分和基质评分显著正相关，与KIPAN的ESTIMATE评分负相关。

GPX4与免疫调节通路及检查点基因的相关性

GPX4表达与多数癌种的趋化因子（CXCL16、CCL28等）、MHC分子、免疫激活基因（HLA-A、HLA-B等）和免疫抑制基因（CD276等）显著相关，与VEGFB、TGFB1等关键免疫检查点分子密切关联。

GPX4与TMB和MSI的关联

GPX4表达与UCEC、LUAD的TMB正相关，与LAML、HNSC的TMB负相关；与UCEC、PRAD的MSI正相关，与GBMLGG的MSI负相关。

GPX4在免疫治疗队列中的价值

21个免疫治疗队列分析显示GPX4在10个队列中对免疫检查点抑制剂反应具有预测能力（AUC>0.5），在Gide 2019黑色素瘤队列中AUC达0.83，优于MSI评分、TIDE等指标。高GPX4表达与黑色素瘤免疫检查点抑制剂治疗患者的良好临床结局相关。

GPX4的蛋白互作网络与富集分析

BioGRID分析揭示了GPX4的相互作用网络。GO富集分析显示GPX4相关基因主要参与线粒体呼吸链复合物组装、电子传递链等生物过程，位于线粒体蛋白复合物、呼吸链等细胞组分，具有电子转移活性等分子功能。KEGG通路分析显著富集于亨廷顿病、肌萎缩侧索硬化、热生成、朊病毒病和氧化磷酸化通路，这些通路均与脂质过氧化过程相关，凸显GPX4在铁死亡中的核心地位。

讨论

癌症的高发病率和高死亡率使其成为全球健康重大威胁。铁死亡在清除肿瘤细胞和抑制肿瘤生长中起关键作用，GPX4作为铁死亡调控核心分子，其抑制或 destabilization 可触发铁死亡。本研究通过泛癌分析揭示了GPX4表达与预后、DNA甲基化、TMB、MSI、免疫调节基因和免疫细胞浸润的多维度关联。GPX4在多数癌组织中高表达，功能实验证实其促进胃肠癌细胞增殖，且表达与肿瘤分级和分期相关，表明其作为诊断生物标志物的潜力。GPX4在不同癌种中呈现相反预后价值（保护因素或风险因素），提示其癌症风险评估价值。GPX4表达异常部分源于启动子甲基化失调和基因突变，表观遗传调控机制（如HMGA2增强启动子区H3K4甲基化和H3K27乙酰化）可能参与其过表达过程。单细胞分析表明GPX4与DNA损伤、转移、血管生成等多种肿瘤功能状态相关。免疫微环境分析显示GPX4与M2巨噬细胞、CAFs等免疫细胞浸润显著相关，提示其可能通过调控免疫抑制性微环境促进肿瘤发生。GPX4与免疫检查点分子和TMB/MSI的关联进一步支持其作为免疫治疗生物标志物的潜力。研究局限性主要依赖于生物信息学分析，需更多癌种和大样本队列验证。综上所述，GPX4作为铁死亡主控开关，在泛癌层面展现重要临床意义和免疫调控价值，为其作为泛癌种治疗靶点和免疫治疗预测标志物提供了理论基础。