细胞能量代谢关键标志物PLA2G1B在慢性阻塞性肺疾病上皮细胞中的作用机制研究

《Frontiers in Immunology》：Integrating bioinformatics and molecular experiments to reveal the critical role of the cellular energy metabolism-related marker PLA2G1B in COPD epithelial cells

本研究通过整合生物信息学与分子实验，揭示了细胞能量代谢（CEM）相关标志物PLA2G1B在慢性阻塞性肺疾病（COPD）上皮细胞中的关键作用。研究筛选出六个CEM相关差异表达基因（CYP1B1、CA3、AHRR、MGAM、PNMT、PLA2G1B），构建了预测模型（AUC=0.814），并通过体内外实验验证了PLA2G1B下调可诱发上皮细胞炎症、氧化应激和凋亡，为COPD的发病机制研究和治疗靶点开发提供了新视角。

　　

背景

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种以持续性气流受限为特征的慢性呼吸道疾病，其发病机制复杂，近年来细胞能量代谢（CEM）异常在COPD中的作用备受关注。然而，CEM紊乱在肺细胞中的具体分子机制尚不完全清楚。本研究旨在通过整合生物信息学分析与分子生物学实验，揭示CEM相关生物标志物在COPD进展中的关键作用。

材料与方法

研究首先从GEO数据库获取了两个最大的COPD肺组织转录组数据集（GSE47460和GSE57148），经过批次校正后合并形成包含517个样本的综合矩阵。利用limma包识别差异表达基因（DEGs），并与KEGG、MSigDB、Reactome数据库中的CEM相关基因集取交集，最终筛选出20个CEM相关差异表达基因（CEM-DEGs）。随后，应用五种机器学习算法（Boruta、Xgboost、GBM、SVM-RFE、LASSO）进一步筛选关键变量，并通过基因集富集分析（GSEA）和免疫浸润分析探讨其功能。此外，利用单细胞RNA测序数据（GSE173896）验证关键基因的表达分布，并通过体外细胞实验（BEAS-2B细胞系）和体内动物模型（CSE诱导的COPD小鼠）验证PLA2G1B的功能。

结果

CEM-DEGs的筛选与富集分析

共鉴定出20个CEM-DEGs（13个上调，7个下调）。蛋白质互作网络（PPI）显示PLA2G2A和PLA2G7相互作用最强。GO/KEGG富集分析表明这些基因主要参与脂质代谢、氨基酸代谢等过程。

机器学习识别关键CEM-DEGs与预测模型构建

五种机器学习算法交集筛选出六个关键CEM-DEGs：CYP1B1、CA3、AHRR、MGAM、PNMT和PLA2G1B。表达分析显示，CYP1B1和CA3的表达随COPD严重程度（GOLD分级）增加而上升；PLA2G1B和PNMT在所有阶段均显著下调；MGAM仅在GOLD IV期显著上调。基于这六个基因构建的列线图预测模型AUC值为0.814，校准曲线和决策曲线分析（DCA）显示模型具有良好的预测能力和临床实用性。此外，在气道刷片、诱导痰和外周血样本中构建的模型也表现出良好的诊断效能（AUC分别为0.793、1.0和0.789）。

关键CEM-DEGs的潜在功能与免疫细胞关联

GSEA分析显示，除AHRR外，其余五个基因均参与TNFA信号通路调控，CYP1B1和MGAM还涉及IL6-JAK-STAT3通路。AHRR主要富集于脂肪酸代谢等通路。免疫浸润分析表明，巨噬细胞是肺组织中最丰富的免疫细胞，MGAM与中性粒细胞浸润呈正相关（R=0.72）。

单细胞数据中关键CEM-DEGs的表达分析

单细胞测序数据注释出8种细胞类型（上皮细胞、内皮细胞、髓系细胞、T细胞、NK细胞、成纤维细胞、B细胞和肥大细胞）。关键CEM-DEGs在不同细胞类型中分布各异：CYP1B1与髓系细胞相关性最高，CA3与成纤维细胞相关，PLA2G1B主要在上皮细胞中表达。基于六个基因构建的细胞能量评分（UCell score）显示，COPD组上皮细胞能量评分显著降低，而髓系细胞中单核细胞评分升高。上皮细胞亚群分析发现，肺泡II型上皮细胞（ATII）是能量评分变化最显著的群体。

PLA2G1B表达水平对上皮细胞功能及细胞通讯的影响

单细胞差异表达分析证实PLA2G1B在COPD组上皮细胞中特异性下调。将上皮细胞按PLA2G1B表达量分为高表达组和低表达组后，功能富集分析显示低表达组基因主要参与脂质代谢、炎症反应、凋亡、氧化应激等通路。细胞通讯分析表明，PLA2G1B低表达上皮细胞与髓系细胞、T细胞的通讯增强，且信号通路（如SEMA4、CD6、TWEAK）发生改变。

PLA2G1B在COPD模型中下调并参与炎症、氧化应激和细胞死亡调控

在CSE诱导的COPD小鼠模型和BEAS-2B细胞模型中，PLA2G1B的蛋白和mRNA水平均显著下调。免疫组化显示PLA2G1B在小鼠气道上皮细胞中特异性降低。通过siRNA敲低PLA2G1B表达后，上皮细胞中炎症因子（IL-1β、IL-6）转录水平升高，细胞增殖能力下降，细胞内活性氧（ROS）水平增加，凋亡通路（BCL2/BAX比值降低，Cleaved-caspase3/caspase3比值升高）被激活。

讨论

本研究通过多组学整合分析揭示了CEM紊乱在COPD中的关键作用，筛选出的六个生物标志物为COPD的早期诊断提供了新策略。其中，PLA2G1B在上皮细胞中的下调通过调控炎症、氧化应激和凋亡参与COPD进展，其机制可能与脂质代谢紊乱和细胞通讯异常有关。未来研究可进一步探索PLA2G1B相关代谢物变化及其激动剂的治疗潜力。

结论

本研究筛选出六个CEM相关关键基因（CYP1B1、CA3、AHRR、MGAM、PNMT、PLA2G1B），构建了COPD预测模型，并验证了PLA2G1B下调通过诱发上皮细胞炎症、氧化应激和凋亡促进COPD进展的机制，为COPD的精准诊疗提供了新靶点。