整合转录组学揭示骨关节炎氧化应激关键基因FOS的作用机制及熊果酸治疗潜力

本文通过整合骨关节炎(OA)的bulk RNA-seq和单细胞转录组(scRNA-seq)数据，系统揭示了氧化应激相关基因在OA中的诊断价值及分子机制。研究发现58个差异表达氧化应激基因，并通过LASSO回归筛选出STC2、LSP1、COL6A1、FOS、SELENON、TP53、HSPA8等7个诊断标志物。单细胞分析显示稳态软骨细胞(HomCs)具有最高氧化应激活性，其中FOS作为枢纽基因通过调控IL-1β诱导的氧化应激、细胞凋亡和炎症因子(IL-6/TNF-α)释放参与OA病理进程。分子对接和动力学模拟证实熊果酸(UA)可稳定结合FOS，体外实验表明其具有与FOS沉默相当的抗氧化和抗炎效果，为OA治疗提供了新策略。

　　

氧化应激信号通路在骨关节炎中的激活模式

研究通过基因集富集分析(GSEA)发现OA软骨组织中氧化应激信号通路显著激活。差异表达分析鉴定出58个氧化应激相关差异表达基因(DEGs)，包括25个下调和33个上调基因。GO功能注释显示这些基因主要富集在氧化应激反应、抗氧化活性和过氧化物酶活性等生物过程。KEGG通路分析提示长寿调节通路、TNF信号通路、PI3K-Akt信号通路和IL-17信号通路等炎症相关通路显著富集。

单细胞水平氧化应激信号分布特征

利用单细胞RNA测序数据对68,073个高质量细胞进行分析，通过Harmony算法整合校正后识别出9个细胞簇，包括增殖性软骨细胞(ProCs)、肥大软骨细胞(HTCs)、前肥大软骨细胞(preHTCs)、效应软骨细胞(ECs)、纤维软骨细胞(FCs)、调节性软骨细胞(RegCs)、稳态软骨细胞(HomCs)和红细胞(RBCs)。模块评分显示HomCs具有最高氧化应激通路评分，且OA样本中HTC、EC、RegC、HomC和RBC群体的氧化应激评分均显著升高。

氧化应激相关诊断基因的筛选与验证

LASSO回归分析筛选出7个诊断基因：STC2、LSP1、COL6A1、FOS、SELENON、TP53和HSPA8。除STC2下调外，其余基因在OA组织中均上调。受试者工作特征曲线(ROC)分析显示这些基因在训练集和验证集中均表现出良好诊断性能，曲线下面积(AUC)值均高于0.63。构建的列线图模型为OA临床预测提供了实用工具。

关键基因的潜在通路机制

单基因GSEA揭示各基因参与的特异性通路。COL6A1、FOS、LSP1、SELENON和TP53均富集于心肌收缩通路；FOS与IL-17和TNF炎症通路密切相关；HSPA8参与三羧酸循环(TCA)和氨基糖代谢。相关性分析显示FOS和TP53与细胞凋亡和炎症反应通路呈强正相关，而STC2与NOTCH信号通路呈负相关。

氧化应激与免疫细胞浸润的关联

CIBERSORT算法分析显示OA组织中CD8⁺ T细胞和调节性T细胞(Tregs)显著减少，而活化NK细胞、M1巨噬细胞、静息肥大细胞和中性粒细胞增加。氧化应激评分与M2巨噬细胞和活化NK细胞呈正相关，与静息肥大细胞和Tregs呈负相关。基因-免疫相关性分析表明COL6A1与CD8⁺ T细胞负相关，FOS与活化肥大细胞强正相关，TP53与Tregs负相关而与γδ T细胞正相关。

FOS在稳态软骨细胞中的生物学意义

GOSemSim分析显示FOS与其他关键基因具有最高功能相似性。单细胞表达谱证实FOS在OA样本HomCs中显著上调，且FOS高表达细胞比例从对照组的49%增至OA组的74%。差异表达基因分析发现EGR1、FOS、GADD45B、JUN和RASD1在FOS高表达组中显著上调。GO富集显示这些基因主要参与核糖体结构、细胞外基质(ECM)结构和泛素蛋白连接酶结合等功能。KEGG分析提示剪接体和破骨细胞分化通路富集。irGSEA算法显示FOS低表达HomCs中炎症反应通路激活，而FOS高表达细胞中TNFA信号通过NF-κB、TGF-β信号、P53通路和G2M检查点通路显著富集。

潜在靶向药物的筛选与验证

通过BATMAN数据库筛选出18个与FOS蛋白相互作用的小分子化合物。分子对接显示18α-甘草次酸、去氧皮质酮、灵芝酸DM、光甘草定和熊果酸(UA)具有最高结合亲和力(结合能分别为-7.364、-6.412、-6.674、-6.674和-7.369 kcal/mol)。UA主要通过与传统氢键(HIS200)和疏水相互作用(LEU197、CYS204、ARG201)结合FOS。分子动力学模拟表明UA-FOS复合物在100 ns模拟时间内保持结构稳定，RMSD在3.9 ?左右波动，平均维持约4个氢键，RMSF值低于3 ?，证实结合稳定性。

FOS敲低和UA处理对软骨细胞的保护作用

在IL-1β诱导的SW1353细胞模型中，qRT-PCR验证了7个氧化应激相关基因的表达变化。FOS siRNA转染显著降低FOS mRNA表达。流式细胞术显示IL-1β刺激使细胞凋亡率从7.84%升至20.44%，FOS敲低(10.41%)、SR11302处理(10.44%)和UA干预(10.73%)均能显著抑制凋亡。DCFH-DA检测表明UA能有效降低IL-1β诱导的ROS水平升高。ELISA检测显示UA处理使IL-1β诱导的IL-6(26.03 pg/mL降至8.55 pg/mL)和TNF-α(202.7 pg/mL降至124.0 pg/mL)分泌显著减少，效果与FOS沉默相当。

该研究通过多组学整合分析系统阐明了氧化应激相关基因在OA发病中的作用，确立了FOS作为关键调控因子，并验证了UA通过靶向FOS发挥软骨保护作用的潜力，为OA的精准诊断和靶向治疗提供了新思路。