糖酵解相关基因在急性心肌梗死中的差异表达及其免疫机制研究

《Journal of Cardiothoracic Surgery》：Differential expression of glycolysis-related genes and their potential immune mechanisms in acute myocardial infarction

本研究针对急性心肌梗死(AMI)早期诊断困难、治疗靶点缺乏的临床难题，通过整合生物信息学分析发现PYGL、HK3、PGAM2、PFKFB3和PRKACB等11个糖酵解相关差异表达基因(GRDEGs)，实验验证显示这些基因在AMI患者外周血单核细胞(PBMCs)中显著高表达。研究首次系统揭示糖酵解基因与中性粒细胞、巨噬细胞等免疫细胞浸润的显著相关性，为AMI的分子机制研究和新型生物标志物开发提供了重要理论依据。

　　

当心脏的血液供应突然中断，心肌细胞在缺氧环境下开始挣扎求生——这就是急性心肌梗死(AMI)发生的致命瞬间。尽管现代医学已经开发出心电图和肌钙蛋白等诊断手段，但这些方法在疾病早期往往不够灵敏，而现有的再灌注治疗也并非对所有患者都有效。正是在这样的临床困境下，研究人员将目光投向了糖酵解这一古老而基本的能量代谢途径。

发表在《Journal of Cardiothoracic Surgery》的这项研究创新性地探索了糖酵解相关基因在AMI中的表达变化及其免疫调控机制。研究人员整合GSE48060和GSE29532两个基因表达数据集，包含80例AMI和27例对照样本，通过生物信息学分析识别差异表达基因，并结合GeneCards和MSigDB数据库中的425个糖酵解相关基因(GRGs)进行深入探索。

关键技术方法包括：基因表达数据整合与批次效应校正、差异表达分析(|logFC|>0.25且p<0.05)、功能富集分析(GO和KEGG)、蛋白质相互作用(PPI)网络构建、免疫细胞浸润分析(ssGSEA算法)，以及使用8例AMI患者和8例健康对照者的PBMCs进行实时定量PCR验证。

糖酵解相关差异表达基因(GRDEGs)在AMI中的鉴定

研究团队通过差异表达分析鉴定出306个差异表达基因(DEGs)，其中151个上调，155个下调。通过与糖酵解相关基因取交集，最终确定了11个GRDEGs，包括PYGL、DSC2、CHST12等。

染色体定位分析显示，这些GRDEGs主要集中在5号和7号染色体上。功能富集分析表明，这些基因主要参与肌肉收缩、己糖代谢过程、单糖代谢过程等生物过程，以及果糖和甘露糖代谢等通路。

基因集富集分析(GSEA)

GSEA分析揭示了AMI中基因表达的全局变化模式，发现在中性粒细胞脱颗粒、IRF3和IRF7激活等通路上存在显著富集，提示这些生物学过程在AMI发病机制中发挥重要作用。

GRDEGs的ROC曲线分析

接收者操作特征(ROC)曲线分析评估了这些GRDEGs的诊断价值。PYGL、CHST12、RRAGD等7个基因显示出中等诊断准确度(AUC 0.7-0.9)，而DSC2、PPBP等4个基因诊断准确度相对较低。

蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络和枢纽基因筛选

通过PPI网络分析，研究人员确定了PYGL、HK3、PGAM2、PFKFB3和PRKACB这5个基因作为枢纽基因，它们之间存在密切的相互作用关系。功能相似性分析显示HK3可能对AMI的贡献最为显著。

mRNA-miRNA和mRNA-TF相互作用网络

研究人员进一步构建了基因调控网络，发现5个枢纽基因与59个miRNAs和43个转录因子(TFs)存在相互作用，表明这些糖酵解相关基因的表达受到复杂的转录后和转录水平调控。

免疫浸润分析

通过ssGSEA算法分析发现，AMI组与对照组在9种免疫细胞类型上存在显著差异，包括效应记忆CD4⁺T细胞、调节性T细胞(Treg)、巨噬细胞等。

相关性分析显示，PYGL表达与中性粒细胞浸润呈显著正相关(r=0.81)，而PRKACB表达与巨噬细胞浸润呈负相关(r=-0.72)，提示糖酵解基因可能通过调节免疫细胞浸润参与AMI的病理过程。

枢纽基因的实验验证

为验证生物信息学分析结果，研究团队检测了8例AMI患者和8例健康对照者PBMCs中5个枢纽基因的表达水平。实时定量PCR结果证实，PYGL、HK3、PGAM2、PFKFB3和PRKACB在AMI患者中均显著高表达，与生物信息学分析结果一致。

这项研究的结论部分强调了糖酵解相关基因在AMI中的重要作用。PYGL作为糖原分解的关键酶，在缺血心脏的快速葡萄糖动员中扮演重要角色。研究发现的11个GRDEGs不仅影响能量代谢，还可能通过调节心肌收缩性在AMI中发挥作用。特别是糖酵解基因与免疫细胞浸润的显著相关性，揭示了代谢重编程与免疫反应在AMI中的复杂相互作用。

研究的创新性在于首次系统分析了糖酵解相关基因在AMI中的表达谱，并深入探讨了其与免疫细胞浸润的关系。这些发现不仅增进了对AMI分子机制的理解，更重要的是为开发新的诊断生物标志物和治疗靶点提供了重要线索。特别是PYGL、HK3和PGAM等基因显示出的诊断潜力，为AMI的早期诊断提供了新的可能性。

然而，研究也存在一些局限性，如主要依赖生物信息学分析，需要进一步的实验验证来确立因果关系。此外，研究的临床转化价值需要在更大规模、更多样化的患者群体中进行验证。未来的研究应该着重探索这些糖酵解相关基因在AMI中的具体功能机制，以及它们与其他代谢通路的相互作用，为开发新的治疗策略奠定基础。

总的来说，这项研究为理解糖酵解在急性心肌梗死中的作用提供了新的视角，将代谢改变与免疫反应联系起来，为这一重要心血管疾病的诊断和治疗开辟了新的研究方向。