丙烯酰胺通过多维度生物信息学调控网络促进结直肠癌发生的分子机制研究

本研究针对丙烯酰胺(acrylamide)在结直肠癌(CRC)中的致癌机制这一关键科学问题，通过整合GEO/TCGA数据库分析、孟德尔随机化(MR)建模、单细胞RNA测序(scRNA-seq)和分子对接等技术，首次鉴定出SF3B3、CSE1L、CD52和TMEM158四个关键驱动基因(PAA-CDG)，揭示其通过PI3K-AKT信号通路和免疫微环境调控促进肿瘤发生的多组学机制，为膳食致癌物风险评估提供了重要理论依据。

　　

在全球癌症负担日益加重的背景下，结直肠癌(CRC)已成为威胁人类健康的重大疾病。2022年统计数据显示，CRC新增病例数位列全球第三，死亡病例数高居第二。令人警惕的是，高温加工食品中普遍存在的丙烯酰胺(acrylamide)被流行病学研究认为与CRC风险正相关，这种物质在油炸薯条、烘焙面包等日常食品中广泛存在。然而，关于丙烯酰胺具体的致癌分子机制，特别是其如何通过多维度生物学网络驱动CRC发展，科学界仍缺乏系统认知。

传统研究多局限于单组学分析，难以全面揭示环境致癌物与宿主免疫、微生物组等复杂互作关系。针对这一知识空白，研究人员开展了一项创新性的多维度生物信息学研究。通过整合转录组学、因果推断模型和结构生物学方法，首次构建了丙烯酰胺致CRC的多层次调控网络。

研究团队运用了以下关键技术：1)基于GSE41657和TCGA-COAD/READ数据集筛选差异表达基因(DEGs)；2)采用双向双样本孟德尔随机化(MR)验证基因与CRC的因果关系；3)通过GO/KEGG富集分析阐明基因功能；4)利用单样本基因集富集分析(ssGSEA)评估免疫浸润特征；5)结合scRNA-seq解析细胞类型特异性表达；6)采用MR中介分析探索肠道菌群和免疫细胞的介导效应；7)运用AutoDockTools进行分子对接模拟。

【3.1 丙烯酰胺潜在致癌靶点】
通过GSE41657数据集鉴定出510个CRC相关DEGs，与CTDbase中8158个丙烯酰胺关联基因取交集，获得175个重叠基因，提示这些基因可能介导丙烯酰胺的致癌作用。

【3.2 孟德尔随机化分析】
MR分析发现SF3B3(OR=1.394)和CSE1L(OR=1.188)显著增加CRC风险，而CD52(OR=0.85)具有保护作用，最终确定这四个基因作为初始筛选的CRC关联基因(ISCAG)。

【3.3 差异表达验证】
TCGA数据验证显示SF3B3、CSE1L和TMEM158在CRC组织中显著上调，CD52显著下调，由此确认为丙烯酰胺相关CRC驱动基因(PAA-CDG)。

【3.4 临床特征相关性】
发现CD52表达与白种人显著相关，且与体重≤90kg人群呈正相关，提示人口统计学因素可能影响丙烯酰胺的致癌效应。

【3.5 功能富集分析】
GO分析显示PAA-CDG主要参与组蛋白去泛素化和ECM^{(细胞外基质)}重塑；KEGG分析揭示其显著富集于PI3K-AKT信号通路和癌症中央碳代谢。

【3.6 诊断效能】
ROC曲线分析表明SF3B3(AUC=0.959)和CSE1L(AUC=0.969)具有优异诊断性能，CD52(AUC=0.796)和TMEM158(AUC=0.873)也显示良好判别力。

【3.7 免疫浸润特征】
发现SF3B3/CSE1L高表达与Th2/Treg细胞增加、CD8⁺T细胞减少相关，形成免疫抑制微环境；而CD52高表达则增强B细胞介导的抗肿瘤免疫。

【3.8 单细胞表达谱】
scRNA-seq揭示SF3B3在增殖性T细胞高表达，CD52富集于B细胞，CSE1L在肿瘤相关成纤维细胞中活跃，提示其细胞特异性调控机制。

【3.9 中介效应分析】
MR中介模型显示"粪便克雷伯菌丰度"介导14%的SF3B3效应，"CD4⁺T细胞亚群"介导17%的CSE1L效应，表明菌群-免疫轴在致癌中的调节作用。

【3.10 分子对接】
证实丙烯酰胺与SF3B3(ΔG=-4.54kcal/mol)和CSE1L(ΔG=-5.59kcal/mol)具有强结合亲和力，可能干扰剪接复合体组装和核转运机制。

讨论部分强调，该研究首次系统阐明了丙烯酰胺通过表观遗传调控(PI3K-AKT/mTOR)、代谢重编程和免疫微环境重塑的三维致癌网络。特别值得注意的是，SF3B3可能通过异常pre-mRNA剪接激活致癌信号，而CD52则展现出通过增强B细胞免疫发挥保护作用的双重机制。

研究的创新价值在于：1)建立丙烯酰胺致癌的多组学证据链；2)发现PAA-CDG作为诊断标志物的潜力；3)揭示菌群-免疫轴的介导效应；4)提供分子对接的结构生物学证据。这些发现不仅深化了对膳食致癌物作用机制的理解，也为CRC的精准预防提供了新靶点，支持制定更严格的丙烯酰胺膳食暴露限值。

需要指出的是，研究存在人群偏倚、残余多效性等局限，未来需要通过类器官模型和人群队列进一步验证。论文发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》，为环境健康风险评估领域提供了重要方法论范例和理论框架。