铁死亡与自噬相关基因在肥厚型心肌病进程中的作用机制及靶点研究

《Scientific Reports》：Ferroptosis and autophagy-related genes contribute to hypertrophic cardiomyopathy progression

本研究针对肥厚型心肌病(HCM)诊断与治疗靶点缺乏的问题，通过生物信息学分析筛选GSE89714数据集中的铁死亡与自噬相关差异表达基因(DEGs)，鉴定出BCL2L1、CD44、IGF1等10个核心基因。实验验证表明这些基因在HCM小鼠模型和巨噬细胞缺氧模型中显著调控，单细胞测序证实其在心脏巨噬细胞高表达。该研究为HCM的早期诊断和靶向治疗提供了新思路。

　　

肥厚型心肌病（Hypertrophic Cardiomyopathy, HCM）是一种常见的心肌遗传性疾病，其发病率在普通人群中接近0.5%。患者常面临心房颤动、脑卒中甚至心源性猝死等严重不良事件的风险。尽管心肌肥厚也可见于高血压、主动脉瓣狭窄等其他疾病，但HCM的准确诊断仍存在挑战。近年来，细胞死亡的新形式——铁死亡（ferroptosis）被发现在炎症和代谢性疾病中扮演关键角色。铁死亡是由细胞内磷脂过氧化触发的一种调节性细胞死亡方式，与脂肪酸代谢、线粒体呼吸等多种代谢通路密切相关。同时，自噬（autophagy）尤其是铁蛋白自噬（ferritinophagy）在铁代谢和细胞存活中的作用也日益受到关注。然而，铁死亡与自噬相关基因在HCM发生发展中的具体作用尚不清楚。

为了揭示HCM的分子机制并寻找潜在的治疗靶点，张爱爱、刘伟等研究人员在《Scientific Reports》上发表了题为“Ferroptosis and autophagy-related genes contribute to hypertrophic cardiomyopathy progression”的研究论文。该研究通过整合生物信息学分析、实验验证和单细胞测序技术，系统探讨了铁死亡与自噬相关基因在HCM进程中的作用。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：从GEO数据库获取HCM相关数据集GSE89714（包含5例HCM和4例健康对照样本），利用limma包进行差异表达基因（DEGs）筛选；从FerrDb和HAMdb数据库获取铁死亡与自噬相关基因集，通过Venn图分析获得交集基因；使用clusterProfiler进行GO/KEGG富集分析和GSEA分析；通过STRING数据库和Cytoscape软件构建蛋白-蛋白相互作用（PPI）网络，并利用MCC、DMNC等算法筛选核心基因；建立异丙肾上腺素（Isoproterenol Sulfate）诱导的HCM小鼠模型和过氧化氢（H₂O₂）处理的巨噬细胞缺氧模型，采用qPCR和Western blotting验证基因表达；从Single Cell Portal获取单细胞测序数据（SCP498和SCP1303）分析基因的细胞类型特异性表达。

DEGs和功能富集分析

通过对GSE89714数据集的分析，共鉴定出1,110个DEGs。这些基因主要富集于细胞外基质-受体相互作用、IL-18信号通路、黏着斑和TGF-β信号通路等与心脏重构密切相关的通路。

铁死亡与自噬相关DEGs

研究筛选出25个铁死亡相关和47个自噬相关的DEGs。功能富集分析显示这些基因显著参与自噬、铁死亡、神经退行性病变等通路，以及抗氧化活性等分子功能。

PPI网络分析

构建的PPI网络揭示了这些基因间的相互作用关系。通过Cytoscape插件的MCC和DMNC算法筛选出前15个关键基因，MCODE算法识别出两个功能模块。进一步取交集获得10个核心基因：BCL2L1、CD44、IGF1、CDKN1B、APP、CTNNB1、HMGB1、LAMP1、TFRC和CXCR4。这些基因主要参与宿主相互作用、运输囊泡、HIF-1信号通路和自噬-动物通路等。

核心基因验证

在巨噬细胞缺氧模型中，H₂O₂处理4小时后，IGF1、CDKN1B、CTNNB1、HMGB1、LAMP1和CXCR4表达升高，BCL2L1和CD44表达降低；处理8小时后，BCL2L1表达转为升高，CD44仍低表达，而APP和TFRC未见表达。Western blotting结果进一步证实LAMP1、CXCR4和CDKN1B蛋白水平在H₂O₂处理后显著增加。在HCM小鼠模型中，异丙肾上腺素处理1周和2周后，这些核心基因的表达变化与巨噬细胞模型基本一致。相关性分析显示，BCL2L1、IGF1等基因的mRNA水平与左心室射血分数（LVEF）呈负相关，而CD44与LVEF呈正相关。

单细胞测序分析

通过单细胞测序数据发现，这10个核心基因在人类正常心脏和HCM心脏的巨噬细胞中均高表达，提示巨噬细胞可能是这些基因发挥作用的关键细胞类型。

研究结论与讨论部分指出，HCM的治疗需要综合策略，包括家族筛查、药物管理和猝死风险评估。虽然心脏超声和磁共振成像（MRI）是主要诊断手段，但分子标志物的缺乏限制了早期诊断和靶向治疗的发展。本研究首次系统鉴定了HCM中铁死亡与自噬相关的核心基因，并验证了它们在巨噬细胞和动物模型中的表达变化。这些基因中，IGF1在HCM患者中水平升高已有报道；HMGB1通过调节STAT3/NF-κB信号通路参与心肌缺血-再灌注损伤；CXCR4通过miR-190a-3p/CXCR4/CXCL12轴影响心肌细胞功能。此外，BCL2L1作为抗凋亡因子在缺氧过程中先降后升的表达模式也值得深入探讨。

研究的局限性包括富集方法和PPI网络分析可能遗漏部分基因，样本量有限，缺乏人类样本验证以及基因功能干预实验。未来需要进一步研究这些核心基因在HCM中的具体功能机制，为临床诊断和治疗提供新靶点。

总之，该研究通过多组学分析结合实验验证，揭示了铁死亡与自噬相关基因在HCM进程中的重要作用，为理解HCM的分子机制和开发新的治疗策略提供了重要依据。