AhR信号轴核心基因PPARG、IL1B和IDO1在溃疡性结肠炎中的鉴定与功能验证：整合生物信息学与实验研究

《Human Genomics》：Identification and validation of aryl hydrocarbon receptor-associated hub genes in ulcerative colitis via integrated bioinformatics analysis

本研究针对溃疡性结肠炎(UC)诊断与治疗面临的挑战，通过整合生物信息学分析与实验验证，系统筛选了芳香烃受体(AhR)相关核心基因。研究人员利用GEO数据库(GSE75214、GSE87466)通过WGCNA、机器学习算法(SVM-RFE、随机森林)和PPI网络分析，鉴定出PPARG、IL1B和IDO1三个AhR相关枢纽基因，并在DSS诱导的小鼠结肠炎模型中通过RT-qPCR和H&E染色验证其表达与功能。结果表明这些基因通过调控免疫细胞浸润（M1巨噬细胞极化、T细胞活化）和代谢通路（色氨酸代谢）参与UC进展，为UC的诊断标志物和靶向治疗策略提供了新见解。

　　

溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）是一种慢性炎症性肠病，其特征为结肠黏膜的弥漫性炎症和上皮屏障破坏，临床表现为腹痛、血性腹泻和体重下降。随着工业化进程中环境毒物暴露增加，UC的发病率逐年上升，但其分子机制尚未完全阐明。近年来，芳香烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor, AhR）作为肠道免疫调节和炎症反应的关键调控因子受到广泛关注。AhR被配体激活后，可调控细胞色素P450酶（如CYP1A1）的表达，并通过诱导IL-22等抗炎因子抑制NF-κB信号通路，从而缓解炎症和氧化应激。然而，AhR在UC中的核心调控网络仍不明确。

为了揭示AhR相关基因在UC中的作用机制，Yuanpei Zhao等研究人员在《Human Genomics》发表了题为“Identification and validation of aryl hydrocarbon receptor-associated hub genes in ulcerative colitis via integrated bioinformatics analysis”的研究。该研究通过整合生物信息学分析与实验验证，系统筛选了AhR相关枢纽基因，并探讨了其在UC免疫微环境中的功能。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   从GEO数据库获取GSE75214（97例UC vs 11对照）和GSE87466（87例UC vs 21对照）转录组数据集进行差异表达分析；
2. 2.
   使用CIBERSORT算法量化免疫细胞浸润，并通过WGCNA构建共表达模块；
3. 3.
   结合AhR相关基因集（来自GeneCards和Reactome数据库）、蛋白互作网络（STRING）和机器学习算法（SVM-RFE、随机森林）筛选枢纽基因；
4. 4.
   通过DSS诱导的小鼠UC模型进行体内验证，采用RT-qPCR检测基因表达和H&E染色评估组织病理学变化。

差异基因表达与WGCNA模块分析

通过对GSE75214和GSE87466数据集的分析，分别鉴定出552/302和792/422个上/下调差异表达基因（DEGs）。WGCNA识别出9个基因模块，其中绿色模块（261个基因）与UC最相关（相关系数0.68）。该模块基因显著富集于免疫反应、氨基酸代谢和氧化应激通路。

AhR相关枢纽基因的筛选与功能富集

交叉分析DEGs、AhR相关基因和绿色模块基因，获得9个AhR相关共享基因。GO和KEGG分析显示这些基因参与免疫反应、细胞酮体代谢过程、炎症反应调控和激素水平调控。GSEA提示细胞因子信号通路、先天免疫系统和炎症小体通路激活，而细胞色素P450药物代谢通路抑制。Sankey气泡图突出IDO1、PPARG、IL1B、IL6和PTGS2为驱动基因。

PPI网络与机器学习鉴定枢纽基因

PPI网络（9节点19边）和MCODE/CytoHubba插件分析确定IL6、IDO1、IL1B、PPARG和PTGS2为拓扑中心基因。SVM-RFE和随机森林算法进一步筛选出PPARG、IL1B和IDO1为重叠枢纽基因。ROC曲线显示其在GSE75214（AUC: 0.984, 0.954, 0.942）和GSE87466（AUC: 0.924, 0.968, 0.953）中具有高诊断价值。

免疫浸润分析

CIBERSORT显示UC组织中记忆B细胞、活化CD4⁺ T细胞、M0/M1巨噬细胞、活化树突状细胞和中性粒细胞浸润显著增加（P<0.001），而M2巨噬细胞、调节性T细胞（Tregs）和静息树突状细胞减少。相关性分析表明PPARG与单核细胞、活化NK细胞正相关，与M1巨噬细胞负相关；IL1B和IDO1与M1巨噬细胞、中性粒细胞正相关，与Tregs负相关，提示这些基因通过调控免疫细胞极化促进炎症。

外部验证与动物实验

DSS诱导的小鼠UC模型呈现结肠缩短、体重下降和DAI升高。H&E染色显示对照组结肠结构完整，而DSS组出现上皮破坏、隐窝丢失、炎症细胞浸润和出血。RT-qPCR验证PPARG表达下调（P<0.001），IL1B和IDO1上调（P<0.01），与生物信息学预测一致。

调控网络预测

Network Analyst预测hsa-miR-25-3p、hsa-miR-34a-5p等miRNA和转录因子SMARCA4、BACH1可能调控PPARG、IL1B和IDO1的表达，介导免疫代谢紊乱。

研究结论表明，PPARG、IL1B和IDO1作为AhR信号轴的核心调控因子，通过影响巨噬细胞极化（M1型）、T细胞活化和色氨酸代谢（IDO1介导的犬尿氨酸途径），驱动UC的免疫微环境失衡和黏膜损伤。该研究不仅提供了UC诊断的潜在生物标志物（PPARG低表达、IL1B/IDO1高表达），还为靶向AhR信号通路（如使用AhR激动剂或IDO1抑制剂）的治疗策略提供了理论依据。局限性在于缺乏临床样本验证和功能性实验，未来需结合单细胞测序和多中心队列进一步探索这些基因的 translational 价值。