基于生物信息学分析的肺腺癌硒代谢相关预后基因鉴定与验证

《Frontiers in Genetics》：Identification and validation of selenium metabolism-related genes in lung adenocarcinoma prognosis using bioinformatics analysis

本研究通过生物信息学方法系统鉴定肺腺癌（LUAD）中硒代谢相关基因（SMRGs），构建并验证了由F2、GPX3、KMO和KYNU组成的预后风险模型。该模型能有效预测患者生存，并揭示其与肿瘤免疫微环境（如CD8+ T细胞浸润）、DNA复制通路、体细胞突变（如KEAP1、TTN）及化疗敏感性（如顺铂）的关联，为LUAD的分层治疗和靶向干预提供了新视角。

　　

背景

肺腺癌（LUAD）作为非小细胞肺癌的主要亚型，其高异质性和治疗耐药性导致患者预后较差。硒作为关键微量元素，通过抗氧化防御系统和免疫调节参与肿瘤进展，但硒代谢相关基因（SMRGs）在LUAD中的预后价值和分子机制尚不明确。本研究旨在利用生物信息学方法筛选与硒代谢相关的LUAD预后基因，并构建风险模型以指导临床治疗。

材料与方法

研究基于TCGA-LUAD和GEO（GSE26939）数据库的转录组数据，整合86个SMRGs，通过差异表达分析、单因素/多因素Cox回归筛选预后基因。采用功能富集分析（GO/KEGG）、蛋白互作网络（PPI）、肿瘤免疫微环境评估（CIBERSORT）、体细胞突变分析（Maftools）及药物敏感性预测（pRRophetic）等方法系统解析风险模型的生物学意义。最后通过RT-qPCR验证基因表达。

结果

1. 1.
   差异表达与候选基因鉴定
   比较LUAD与正常组织共鉴定14,694个差异表达基因（DEGs），其中11,390个上调，3,304个下调。与SMRGs取交集后获得40个候选基因（如GPX3、KMO等）。GO/KEGG分析显示这些基因显著富集于抗氧化活性（GO:0016209）、补体凝血级联（hsa04610）等通路。PPI网络提示ALB、GPX3等蛋白为核心互作节点。
2. 2.
   预后模型构建与验证
   多因素Cox回归确定F2、GPX3、KMO和KYNU为关键预后基因，构建风险评分模型。根据最佳截断值（1.705）将患者分为高风险组（HRG）和低风险组（LRG）。PCA与Kaplan-Meier曲线显示HRG生存率显著降低（p<0.001）。ROC曲线验证模型在1、3、5年生存预测中AUC均>0.6。外部数据集GSE26939进一步证实模型稳健性。
3. 3.
   临床特征与诺莫图应用
   风险评分与病理T分期、N分期独立相关（p<0.05）。诺莫图整合风险评分与临床分期，校准曲线显示1、3、5年预测准确率高（斜率近1）。决策曲线分析（DCA）表明诺莫图的临床净收益优于单一指标。
4. 4.
   功能机制解析
   GSEA显示HRG显著富集DNA复制、细胞周期等增殖相关通路（如MCM7、CDK1），而LRG富集于免疫调节通路（如自身免疫甲状腺疾病）。GSVA进一步验证HRG中细胞周期通路激活。免疫浸润分析发现HRG中M2巨噬细胞、静息CD4⁺记忆T细胞比例升高，CD8⁺ T细胞和静息树突状细胞减少。TIDE评分提示HRG免疫逃逸潜力更高。免疫检查点基因（如CD276、TNFSF4）在HRG中表达上调。
5. 5.
   突变景观与药物敏感性
   HRG突变频率（98.21%）高于LRG（92.94%），KEAP1、TTN突变在HRG中达48%。药物敏感性分析显示HRG对顺铂、吉西他滨等化疗药IC₅₀更低，其中KYNU与多西他赛敏感性显著相关（p<0.01）。
6. 6.
   实验验证
   RT-qPCR证实LUAD组织中GPX3、KMO、KYNU表达下调（p<0.0001），F2上调（p<0.0001），与生物信息学结果一致。

讨论

本研究首次系统揭示硒代谢基因在LUAD预后中的核心作用。GPX3通过调节氧化应激抑制铁死亡，其低表达与KEAP1突变、高TMB相关；KMO/KYNU参与犬尿氨酸代谢，影响免疫微环境；F2可能促进肿瘤血管生成。HRG特有的增殖通路激活和免疫抑制微环境为其化疗敏感性（如顺铂）提供依据。局限性在于样本量较小且缺乏功能实验，未来需通过前瞻性研究验证模型的临床转化价值。

结论

硒代谢相关基因标志（F2、GPX3、KMO、KYNU）可有效预测LUAD预后，并关联免疫微环境与药物反应，为精准治疗提供新策略。