基于生物信息学与免疫浸润分析揭示自噬相关基因PEA15作为溃疡性结肠炎新型诊断标志物

《Scientific Reports》：Autophagy related biomarkers in ulcerative colitis revealed by bioinformatics analysis and immune correlation

本研究针对溃疡性结肠炎(UC)早期诊断困难、个体化治疗靶点缺乏的临床难题，通过整合GEO数据库转录组数据，结合LASSO、随机森林和SVM-RFE三种机器学习算法，筛选出PEA15、SERPINA1、CASP4、CASP1四个自噬相关关键基因，并在DSS诱导的小鼠模型和外部数据集中验证其诊断价值。研究发现PEA15为首次报道的UC潜在诊断标志物，其与免疫细胞浸润水平显著相关，为UC的机制研究和精准诊疗提供新方向。

　　

在消化系统疾病领域，溃疡性结肠炎(Ulcerative Colitis, UC)如同一场难以扑灭的"肠道火灾"，患者常年承受腹痛、腹泻和便血的折磨。这种慢性炎症性肠病的全球发病率持续攀升，但现有诊断依赖侵入性的肠镜活检，且传统药物如柳氮磺吡啶易引发严重副作用。更棘手的是，UC患者肠道黏膜的长期炎症会显著增加结直肠癌风险。在这场攻防战中，细胞自噬(Autophagy)——一种细胞自我清洁机制——扮演着双重角色：既可能清除受损蛋白质维持肠道稳态，又可能在炎症环境下失控加重组织损伤。这种矛盾性使得自噬相关基因(Autophagy-Related Genes, ARGs)成为破解UC谜题的关键线索。

南京中医药大学附属医院陈欣怡雪团队在《Scientific Reports》发表的研究，通过多组学数据挖掘与实验验证，首次揭示磷酸蛋白PEA15作为UC新型诊断标志物的潜力。研究团队整合GEO公共数据库中GSE87466（87例UC/21例正常）和GSE92415（162例UC/21例正常）黏膜活检样本的转录组数据，识别出1607个上调基因和1262个下调基因。通过与人类自噬数据库HADb中的222个ARGs取交集，获得37个差异表达的自噬相关基因(Differentially Expressed Autophagy-Related Genes, DE-ARGs)。

研究采用三大机器学习算法进行特征筛选：LASSO回归通过10折交叉验证确定最优λ值筛选14个基因；随机森林(Random Forest, RF)构建500棵决策树识别19个关键基因；支持向量机-递归特征消除(Support Vector Machine-Recursive Feature Elimination, SVM-RFE)通过5折交叉验证评估基因重要性。三种方法共同锁定11个核心基因，最终根据特征重要性评分选定PEA15、SERPINA1、CASP4、CASP1作为候选标志物。

关键技术方法

研究整合GEO数据库4个数据集（训练集GSE87466/GSE92415，验证集GSE38713/GSE75214），采用limma包进行数据标准化和批次效应校正。通过基因ontology(GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG)富集分析解析基因功能，利用基因集变异分析(Gene Set Variation Analysis, GSVA)评估通路活性。建立葡聚糖硫酸钠(Dextran Sulfate Sodium, DSS)诱导的小鼠UC模型，通过qPCR、H&E染色和免疫荧光验证基因表达。

数据预处理与差异基因筛选

合并后的训练集包含249例UC和42例正常样本，筛选阈值设定为P<0.05且|logFC|>0.5。火山图显示2869个差异表达基因，热图展示前20个显著差异基因的聚类情况。自噬相关差异基因中28个上调、9个下调，提示自噬过程在UC中呈现复杂调控模式。

功能富集分析

GO分析显示上调基因富集于细胞死亡、蛋白质折叠等过程，下调基因主要参与自噬体组装等通路。KEGG分析发现上调基因与PD-1/PD-L1癌症通路、NOD样受体信号通路相关，而下调基因显著富集于自噬-动物通路。GSVA揭示UC样本中TNFA信号通过NFKB、上皮间质转化(Epithelial Mesenchymal Transition)通路激活，而胆汁酸代谢通路受到抑制。

靶基因诊断性能验证

在训练集中，四个标志物区分UC与正常组织的AUC值均超过0.9。外部验证集GSE38713和GSE75214中，基因表达趋势一致且AUC值均大于0.8。DSS诱导的UC小鼠模型显示，结肠组织中Serpine1、Pea15a、Casp4、Casp1的mRNA表达显著上调，H&E染色可见典型隐窝丢失和炎症细胞浸润，MUC2黏膜屏障蛋白表达下降。

蛋白互作与免疫浸润分析

STRING数据库构建的蛋白互作网络显示HSPA5与SERPINA1、CASP4、CASP1存在相互作用。免疫浸润分析发现UC样本中27种免疫细胞浸润水平升高，仅CD56^dim自然杀伤(NK)细胞降低。相关性热图显示四个靶基因与CD56^dimNK细胞呈负相关，提示其可能通过抑制NK细胞免疫监视功能促进疾病进展。

研究结论与意义

该研究通过多组学整合分析首次确立PEA15作为UC潜在诊断标志物，同时验证SERPINA1、CASP4、CASP1的诊断价值。机制上，SERPINA1可能通过增强STAT3信号通路加剧炎症，CASP1/CASP4通过切割GSDMD触发细胞焦亡(Pyroptosis)，而PEA15可能通过调控ERK1/2通路影响黏膜炎症。这些基因与免疫细胞浸润的密切关联，为理解UC免疫微环境提供新视角。研究的局限性包括未纳入临床参数验证、样本量有限以及缺乏蛋白水平验证，未来需通过多中心临床试验和功能实验进一步确认标志物的临床应用价值。该发现为UC的早期诊断和靶向治疗开辟了新途径，特别是PEA15作为新型分子靶点的发现，对推进UC的精准医疗具有重要意义。