CTHRC1棕榈酰化调控乳腺癌进展：基于多组学与机器学习模型的生物标志物发现与功能验证

《BMC Cancer》：CTHRC1-driven breast cancer progression: insights from palmitoylation networks and spatial heterogeneity

本研究针对乳腺癌棕榈酰化相关生物标志物筛选不足的问题，通过整合多中心转录组数据，结合机器学习算法（LASSO、SVM-RFE、随机森林）筛选出5个核心基因（HBB、BGN、CTHRC1、FABP4、CD34）。SHAP可解释性分析显示CTHRC1为关键预测因子，空间转录组学证实其表达与肿瘤微环境异质性相关。功能实验表明CTHRC1敲低可显著抑制乳腺癌细胞增殖和克隆形成能力。该研究为乳腺癌精准诊断提供了新靶点，为基于CTHRC1的液体活检和靶向治疗奠定基础。

　　

乳腺癌作为全球女性发病率最高的恶性肿瘤，其分子机制的深入解析和精准诊疗策略的开发一直是肿瘤学研究的重点。尽管人工智能辅助诊断等技术取得了显著进展，但乳腺癌的异质性和复杂性仍给临床治疗带来巨大挑战。近年来，蛋白质翻译后修饰研究为肿瘤机制探索提供了新视角，其中棕榈酰化（S-palmitoylation）作为一种可逆的脂质修饰方式，通过将16碳棕榈酸共价连接到蛋白质上，在癌症增殖、转移和化疗耐药中发挥着关键作用。与磷酸化、泛素化等其他修饰不同，棕榈酰化能够独特地介导蛋白质膜锚定，直接调控乳腺癌关键信号通路（如PI3K-Akt、Wnt）中膜定位蛋白的活性。

然而，现有乳腺癌棕榈酰化研究存在明显局限：多数聚焦于个别酶（如ZDHHC7）对特定蛋白（如雌激素受体α）的调控，缺乏全基因组范围的棕榈酰化相关生物标志物筛选；同时，罕见整合多组学数据与可解释模型或空间转录组学技术。传统机器学习模型因其"黑箱"特性，难以精准识别影响预测结果的关键特征，这限制了高性能算法在临床决策支持中的应用。为突破这一瓶颈，本研究创新性地将前沿机器学习算法与SHapley Additive exPlanations（SHAP）可解释性框架相结合，显著提升模型透明度，加速科研成果向临床实践转化。

本研究整合GEO和TCGA数据库的转录组数据，通过ComBat算法校正批次效应，系统筛选乳腺癌特异性棕榈酰化相关基因。采用三种机器学习方法（LASSO回归、支持向量机递归特征消除SVM-RFE、随机森林）筛选关键基因，通过SHAP分析评估基因贡献度，利用空间转录组技术解析基因表达与组织学特征关联，并通过体外实验验证核心基因功能。

数据预处理与差异表达分析显示，批次效应校正后PCA样本聚集紧密，共识别1782个差异表达基因（DEGs），其中727个上调、1055个下调。

功能富集分析表明DEGs显著富集于细胞外基质组织等生物过程，以及PI3K-Akt信号通路等癌症相关通路，提示这些基因在调控细胞微环境和信号网络激活中发挥重要作用。

特征基因筛选与模型性能通过三种机器学习方法交叉验证，最终确定5个核心基因（HBB、BGN、CTHRC1、FABP4、CD34）。

SHAP可解释性分析显示CTHRC1对预测模型具有重要贡献，其表达水平与SHAP值呈非线性正相关。十种机器学习模型比较中，AUC值达0.881-0.994，验证了模型的优异性能。

基因表达与基因组分布特征显示，5个核心基因在染色体上分布各异，其中BGN和CTHRC1在实验组显著上调。

0).EThe low-expression group is primarily enriched in metabolic regu-lation pathways(NES<0).(P<0.001,*P<0.01,and P<0.05)'>免疫浸润分析发现核心基因与乳腺癌微环境中多数免疫细胞显著相关，提示其参与免疫调节。

通路调控与免疫细胞分布分析表明，CTHRC1高表达组中TGF-β和Wnt信号通路显著激活，而低表达组富集于脂肪酸代谢和氧化磷酸化通路，揭示CTHRC1在信号通路和代谢重编程中的双重调控作用。

空间异质性分析通过空间转录组技术显示CTHRC1表达存在明显空间异质性，其高表达区域与特定组织学结构对应。

这种焦点性高表达模式与肿瘤微环境异质性增强相关，为理解CTHRC1的生物学功能提供了空间语境。

基因表达谱与功能验证显示，CTHRC1在SUM149细胞中表达最高，因此选为核心研究对象。

功能实验表明，CTHRC1敲低可显著降低蛋白表达、抑制细胞增殖和克隆形成能力，证实其促癌功能。

本研究通过系统筛选棕榈酰化相关生物标志物，结合多组学数据和机器学习算法，发现CTHRC1是驱动乳腺癌进展的关键基因。空间转录组学揭示其表达与肿瘤微环境异质性相关，功能实验验证其促进肿瘤细胞增殖的作用。这些发现为乳腺癌分子分型提供了新视角，为开发基于CTHRC1的精准诊疗策略奠定基础。未来研究需通过独立队列验证模型性能，利用多组学技术深入探索CTHRC1的棕榈酰化修饰机制，并在体内模型中评估靶向干预效果。该研究发表于《BMC Cancer》杂志，为乳腺癌精准医疗提供了重要的理论依据和实验证据。