糖基化相关基因在椎间盘退变中的生物信息学分析：免疫浸润机制与诊断模型构建

《Scientific Reports》：Bioinformatic analysis of glycosylation-related genes in intervertebral disc degeneration and their roles in immune infiltration and diagnostic models

本研究针对椎间盘退变(IDD)分子机制不清的问题，通过整合多组学数据系统分析了糖基化相关基因(GRGs)在IDD中的表达特征。研究人员筛选出25个糖基化相关差异表达基因(GRDEGs)，构建了基于7个关键基因(MAN2B2、IGFBP3、MAN1A1、CHI3L1、PLOD2、RAPGEF5、GLA)的IDD诊断模型，并揭示了其与免疫细胞浸润的关联。研究发现关键基因通过调控嗜酸性粒细胞、M0巨噬细胞等免疫细胞参与IDD进程，同时构建了包含49个转录因子、32个miRNA的调控网络。该研究为IDD提供了新的诊断标志物和潜在治疗靶点，对理解退行性疾病发病机制具有重要意义。

　　

当你弯腰捡起地上的钥匙时，是否曾感受到腰部传来的阵阵酸痛？这可能是椎间盘退变(IDD)在作祟。作为导致腰背痛的主要原因之一，IDD影响着全球50%-90%的人群，严重降低患者生活质量。尽管已知遗传、创伤、炎症等多种因素参与IDD发生发展，但其具体分子机制仍不清楚，犹如一个未解之谜等待科学家们揭开。

在《Scientific Reports》最新发表的一项研究中，南方医科大学刘高锋团队将目光投向了糖基化这一重要的蛋白质修饰过程。糖基化不仅在细胞粘附、信号传导中发挥关键作用，更与多种退行性疾病密切相关。然而，糖基化相关基因(GRGs)在IDD中的具体作用机制尚不明确，这成为研究人员决心攻克的科学难题。

为了解开这个谜团，研究人员开展了一项系统的生物信息学分析。他们整合了来自GEO数据库的三个独立数据集(GSE34095、GSE70362、GSE147383)，共包含21个IDD样本和13个对照样本的人椎间盘髓核组织基因表达数据。通过先进的生物信息学方法，团队深入探索了GRGs在IDD中的表达模式、免疫功能及其临床诊断价值。

主要技术方法包括：差异表达分析筛选GRDEGs；GO(基因本体论)和KEGG(京都基因与基因组百科全书)富集分析探索基因功能；WGCNA(加权基因共表达网络分析)识别核心基因模块；LASSO(最小绝对收缩和选择算子)回归构建诊断模型；CIBERSORT和ssGSEA(单样本基因集富集分析)评估免疫细胞浸润；多种数据库预测转录因子、miRNA等调控网络。

研究结果：

3.1 IDD相关糖基化差异表达基因的鉴定

研究人员通过差异表达分析，从625个GRGs中鉴定出25个GRDEGs，包括16个上调基因和9个下调基因。这些基因分布在人类1、2、3、4、6、7、9、11、12、14、15、17、20和X染色体上，显示出广泛的基因组分布特征。

3.2 GO和KEGG富集分析

功能富集分析显示，GRDEGs主要参与蛋白质糖基化等生物过程，富集于溶酶体腔等细胞组分，具有水解酶活性等分子功能。KEGG通路分析表明，这些基因显著富集于黏蛋白型O-聚糖生物合成通路。

3.3 基因集富集分析

GSEA结果显示，IDD样本中基因显著富集于缺氧适应、血清剥夺诱导的细胞凋亡、TGF-β(转化生长因子-β)介导的上皮间质转化(EMT)等通路，提示这些生物学过程在IDD发病机制中发挥重要作用。

3.4 加权基因共表达网络分析

通过WGCNA分析，研究人员将基因聚合为12个模块，其中MEpink和MEgreen模块与IDD相关性最强(|r|>0.40)。进一步筛选获得9个核心基因：IGFBP3、MAN2B2、PTGDS、MAN1A1、SERPINA1、RAPGEF5、GLA、PLOD2和CHI3L1。

3.5 IDD诊断模型的构建

基于支持向量机(SVM)和LASSO回归分析，研究团队最终确定了7个关键基因(MAN2B2、IGFBP3、MAN1A1、CHI3L1、PLOD2、RAPGEF5、GLA)构建诊断模型。该模型在训练集和验证集中均表现出良好的诊断性能，曲线下面积(AUC)>0.9，显示出较高的诊断准确性。

3.7 IDD与对照组间的免疫浸润分析

免疫细胞浸润分析显示，IDD样本中存在17种免疫细胞类型的浸润。关键基因与免疫细胞相关性分析发现，GLA与嗜酸性粒细胞呈显著正相关，PLOD2与M0巨噬细胞呈正相关，而RAPGEF5与调节性T细胞(Treg)呈负相关。

3.8 高、低糖基化评分组间的免疫浸润分析

根据糖基化评分(Gs)将IDD样本分为高评分组和低评分组后，发现CHI3L1、MAN1A1和PLOD2在低评分组中高表达。免疫相关性分析显示，PLOD2与M0巨噬细胞呈强正相关，而MAN2B2与嗜酸性粒细胞呈负相关。

3.9 基于免疫特征的IDD样本聚类分析

通过共识聚类将IDD样本分为两个免疫亚型，主成分分析(PCA)显示两个亚型间存在明显界限。差异表达分析发现，MAN1A1和IGFBP3在亚型2中高表达，12种免疫细胞类型在两个亚型间存在显著差异。

3.10 蛋白质相互作用网络构建

STRING数据库分析显示，6个关键基因(MAN2B2、IGFBP3、MAN1A1、CHI3L1、PLOD2、GLA)之间存在密切的相互作用。GeneMANIA预测网络进一步揭示了这些基因与20个功能相似蛋白的关联。

3.11 调控网络构建

研究人员构建了包含49个转录因子、32个miRNA、116个RNA结合蛋白(RBP)和20个潜在药物的调控网络，全面揭示了关键基因的上游调控机制和潜在干预策略。

研究结论与讨论：

本研究通过系统的生物信息学分析，首次全面揭示了糖基化相关基因在IDD中的表达特征和免疫功能。研究发现的关键基因如MAN2B2、IGFBP3等不仅具有良好的诊断价值，更通过调控免疫细胞浸润参与IDD发病过程。特别值得注意的是，嗜酸性粒细胞、M0巨噬细胞等免疫细胞在IDD微环境中扮演重要角色，而不同免疫亚型的发现为理解IDD异质性提供了新视角。

从机制层面看，缺氧适应障碍、细胞外基质代谢失衡、TGF-β信号通路激活等过程共同构成了IDD的复杂病理网络。关键基因通过影响这些生物学过程，最终导致椎间盘结构和功能的破坏。研究构建的调控网络更为后续机制研究和靶向治疗提供了重要线索。

该研究的临床意义在于：首先，基于7个关键基因的诊断模型为IDD早期诊断提供了新的分子标志物；其次，免疫分型结果可能为个体化治疗策略制定提供依据；最后，预测的潜在药物为IDD药物治疗开发指明了方向。

当然，研究也存在一定局限性，如样本量有限、缺乏实验验证等。未来需要通过多中心大样本研究进一步验证当前发现，并借助动物模型和细胞实验深入探索关键基因的具体功能机制。尽管如此，本研究无疑为理解IDD分子机制开辟了新途径，为开发新型诊断和治疗策略奠定了重要基础。