基于多组学整合分析探索嘌呤代谢相关基因PDPK1与FOXO3在骨质疏松发生发展中的作用及机制研究

《European Journal of Medical Research》：Exploration of purine metabolism-related genes in the development of osteoporosis by integrated analyses and experiments

本研究针对骨质疏松（OP）中嘌呤代谢紊乱的机制尚未明确的问题，通过生物信息学整合分析与实验验证，系统探讨了嘌呤代谢相关基因（PMRGs）的作用。研究发现PDPK1和FOXO3可作为OP的潜在生物标志物，并构建了具有良好预测性能的列线图。动物实验证实这两个基因的表达上调与嘌呤代谢异常密切相关。该研究为OP的早期诊断和靶向治疗提供了新思路，具有重要的临床转化价值。

　　

随着人口老龄化加剧，骨质疏松已成为严重影响中老年人生活质量的公共健康问题。这种以骨量减少、骨微结构破坏为特征的代谢性骨病，显著增加骨折风险，其中绝经后骨质疏松尤为常见。令人困惑的是，尽管已知雌激素缺乏会导致骨吸收与骨形成失衡，但背后的分子机制网络仍存在大量空白。近年来，代谢组学研究发现嘌呤代谢异常与骨质疏松的发展密切相关，特别是尿酸的双重作用——生理浓度时具有保护效应，超标时反而加速骨丢失，这种"尿酸-活性氧(ROS)-炎症"轴成为理解骨质疏松发病机制的新视角。

为了深入探索嘌呤代谢相关基因在骨质疏松中的作用，曾玉清等人开展了这项整合生物信息学分析与实验验证的研究，成果发表在《European Journal of Medical Research》。研究人员首先从GEO数据库获取三个骨质疏松微阵列数据集（GSE7158、GSE56815和GSE13850），通过GSVA量化样本的嘌呤代谢活性评分，发现骨质疏松患者嘌呤代谢活性显著异常。接着采用加权基因共表达网络分析(WGCNA)和差异表达分析筛选出122个与嘌呤代谢活性相关的差异表达基因，这些基因主要富集在免疫炎症相关功能。

研究团队运用三种机器学习算法（LASSO、SVM-RFE和XGBoost）进一步筛选特征基因，最终确定PDPK1和FOXO3为关键候选生物标志物。在外部验证集GSE13850中，这两个基因的表达趋势与训练集一致，且显示出良好的诊断价值（AUC分别为0.698和0.682）。基于这两个基因构建的临床预测列线图表现出优异的预测性能（C-index=0.859），其临床净收益高于单独使用任一个基因。

基因集富集分析(GSEA)显示，FOXO3主要参与氧化磷酸化、Notch信号通路等，而PDPK1则与自然杀伤细胞介导的细胞毒性、TGF-β信号通路等相关。两个基因均与核糖体通路相关。药物预测分析发现，已获批药物塞来昔布(celecoxib)和白藜芦醇(resveratrol)分别可能靶向PDPK1和FOXO3，分子对接验证了它们的结合亲和力。

关键实验技术方法

研究采用生物信息学整合分析（包括GEO数据集处理、GSVA、WGCNA、差异表达分析）结合机器学习算法筛选特征基因。实验验证部分建立卵巢切除(OVX)大鼠骨质疏松模型，通过micro-CT、H&E染色评估骨微结构，采用qRT-PCR、Western blot检测基因表达，LC-MS检测血清嘌呤代谢物水平。

主要研究结果

嘌呤代谢在骨质疏松中失调

通过ssGSEA分析发现，骨质疏松样本的嘌呤代谢活性评分显著高于对照组，表明嘌呤代谢在骨质疏松中存在明显紊乱。

筛选与嘌呤代谢相关的候选基因

WGCNA识别出三个与嘌呤代谢活性显著相关的基因模块（棕色、黄色和蓝绿色模块），包含7941个基因。差异表达分析获得275个差异表达基因(DEGs)。维恩分析筛选出122个重叠基因，这些基因主要富集于免疫炎症相关功能。

通过机器学习算法筛选特征基因

LASSO回归筛选出23个特征基因，SVM-RFE确定12个特征基因，XGBoost筛选出前20个重要特征基因。三种算法共同识别出5个重叠基因：ACTC1、CPNE1、FOXO3、PDPK1和TFPI。

FOXO3和PDPK1被确定为骨质疏松的生物标志物

在训练集和验证集中，FOXO3和PDPK1的表达在骨质疏松样本中均显著上调。ROC曲线分析显示这两个基因对骨质疏松具有良好的预测能力。

FOXO3和PDPK1影响骨质疏松中的通路

GSEA分析表明FOXO3与氧化磷酸化、Notch信号通路等相关，PDPK1与自然杀伤细胞介导的细胞毒性、TGF-β信号通路等相关。GeneMANIA预测这两个基因及其相互作用基因主要参与TGF-β相关通路。

FOXO3和PDPK1的亚细胞定位和药物预测

FOXO3主要定位于细胞核，PDPK1主要存在于细胞质。药物预测发现塞来昔布可能靶向PDPK1，白藜芦醇可能靶向FOXO3，分子对接验证了结合可行性。

体内验证FOXO3和PDPK1表达及嘌呤代谢

成功建立OVX大鼠骨质疏松模型，micro-CT和H&E染色显示模型组骨微结构明显恶化，成骨标志物RUNX2、OPN和COL1A1表达降低。qRT-PCR和Western blot证实FOXO3和PDPK1在OVX大鼠股骨中表达上调。LC-MS分析显示模型组血清黄嘌呤、次黄嘌呤和尿酸水平显著升高。

研究结论与意义

本研究首次系统探讨了嘌呤代谢相关基因在骨质疏松中的作用，发现嘌呤代谢紊乱主要通过"尿酸-ROS-炎症"轴破坏骨稳态。研究鉴定出的PDPK1和FOXO3不仅是骨质疏松的潜在生物标志物，还可能成为治疗靶点。已有研究表明，PDPK1作为PI3K/AKT通路的关键基因，通过调节AKT磷酸化影响破骨细胞分化；FOXO3作为转录因子，在调控氧化应激和骨细胞功能中发挥重要作用。预测的靶向药物塞来昔布和白藜芦醇在既往研究中已显示出抗骨质疏松潜力，这为药物重定位提供了理论依据。

该研究的创新点在于将嘌呤代谢异常与特定基因表达变化相联系，构建了从代谢紊乱到基因调控的完整证据链。建立的预测模型具有较好的临床应用前景，为骨质疏松的早期诊断和个体化治疗提供了新策略。未来需要更大规模的临床样本验证这些生物标志物的可靠性，并深入探索PDPK1和FOXO3在骨代谢中的具体分子机制。