《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Integrated toxicogenomic and single-nucleus transcriptomic analyses prioritize SDHB and NDUFAB1 in mitochondrial respiration-associated remodeling during cisplatin-induced acute kidney injury
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背景： 顺铂诱导的急性肾损伤（Cis-AKI）是一种多因素导致的肾毒性综合征，涉及近端小管损伤、氧化与炎症应激、线粒体功能障碍、代谢紊乱以及调节性细胞死亡。然而，将顺铂相关的毒理基因组学改变与AKI联系起来的分子靶点仍未得到充分阐明。
方法： 研究人员整合了网
背景： 顺铂诱导的急性肾损伤（Cis-AKI）是一种多因素导致的肾毒性综合征，涉及近端小管损伤、氧化与炎症应激、线粒体功能障碍、代谢紊乱以及调节性细胞死亡。然而，将顺铂相关的毒理基因组学改变与AKI联系起来的分子靶点仍未得到充分阐明。
方法： 研究人员整合了网络毒理学、转录组学分析、单核RNA测序（snRNA-seq）以及体外实验，以探究Cis-AKI中的候选分子靶点。将顺铂相关的毒理基因组学基因与AKI相关基因取交集，并对共享候选基因进行功能富集分析、蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析、CytoHubba和MCODE分析。进一步在顺铂诱导的小鼠AKI转录组数据集、人类AKI肾脏单核数据集、近端小管拟时间分析以及顺铂处理的BUMPT近端小管细胞中对优先筛选出的基因进行验证。此外还进行了NicheNet分析、基因敲除表型注释、miRNA预测、候选化合物筛选和分子对接。
结果： 在顺铂相关基因集与AKI相关基因集之间共鉴定出214个共享基因。这些基因主要富集于细胞呼吸、电子传递、氧化还原酶活性、呼吸链复合物和氧化磷酸化等通路。网络分析在呼吸相关基因网络中优先筛选出SDHB和NDUFAB1。在顺铂诱导的小鼠AKI数据集中，Aco2、Aco1、Sdhb和Aldh2在严格阈值下显著上调，而包括Ndufab1在内的其他呼吸和代谢相关基因达到次要差异表达阈值。人类单核分析揭示了SDHB和NDUFAB1在不同细胞类型中的特异性表达模式，其中近端小管细胞中SDHB表达升高而NDUFAB1表达降低。拟时间分析显示SDHB在晚期阶段呈现更明显的升高，而NDUFAB1的动态变化较弱。在顺铂处理的BUMPT细胞中，Havcr1和Lcn2升高，Bcl2降低，Casp3升高。在选定的候选基因中，Sdhb、Aco2、Aldh2、Ndufs2和Uqcrc1上调，而Ndufab1呈轻度降低。NicheNet分析进一步提示TGFB1相关信号可能参与近端小管转录重塑。
结论： 本研究在Cis-AKI的呼吸相关基因网络中优先筛选出SDHB和NDUFAB1，并证明二者在近端小管损伤过程中呈现不同的表达模式。这些发现突出了顺铂诱导肾损伤中呼吸相关重塑和近端小管状态转变的重要性。
论文解读文章
一、研究背景与问题
急性肾损伤（AKI）是住院及危重症患者中常见的临床综合征，以肾功能急剧下降和水、电解质及代谢稳态紊乱为特征。根据改善全球肾脏病预后组织（KDIGO）标准，AKI通过短期内血清肌酐急性升高或尿量减少来诊断。AKI不仅与短期死亡率和住院时间延长相关，还可能导致恢复不完全和适应不良修复，促进AKI向慢性肾脏病（CKD）转变，增加远期慢性肾病、心血管并发症和终末期肾病风险。目前AKI的治疗仍以支持性管理为主，包括血流动力学优化、避免肾毒性药物、液体和电解质管理以及严重情况下的肾脏替代治疗，机制导向的治疗策略仍然有限。
顺铂广泛用于肺癌、头颈癌、卵巢癌、膀胱癌和睾丸癌等实体瘤的治疗，但肾毒性是其主要的剂量限制性不良反应。顺铂通过有机阳离子和铜转运系统优先蓄积于肾小管上皮细胞，尤其是近端小管细胞。进入细胞后，顺铂可诱导核DNA和线粒体DNA损伤、呼吸链受损、ATP耗竭、活性氧（ROS）过度产生、内质网应激、炎症信号激活、凋亡、坏死性凋亡及其他形式的调节性细胞死亡。这些重叠过程表明顺铂诱导的急性肾损伤（Cis-AKI）是一种多靶点多通路的损伤状态，而非单一分子病变的结果。
尽管线粒体功能障碍是顺铂肾毒性公认的特征，但将顺铂相关毒理基因组学扰动与AKI联系起来的具体分子组分仍未完全阐明。特别是，哪些呼吸和代谢相关基因在不同生物学背景下呈现可重复的损伤相关变化，以及这些变化能否定位到特定的肾细胞群体和近端小管损伤状态，仍是未解之题。传统转录组研究虽能识别疾病相关表达变化，但结果可能受数据集背景、采样时间、组织组成和分析阈值的影响。网络毒理学提供了一种以疾病为锚点、以暴露为特异性的策略，可将化学物、基因、生物学通路和疾病表型联系起来。然而，基于数据库的靶点优先筛选本身无法确定候选基因的细胞分布和损伤相关表达模式。因此，本研究旨在整合网络毒理学、转录组学分析、人类AKI肾脏单核图谱、近端小管轨迹分析和体外实验，以更全面地解析Cis-AKI相关的呼吸和代谢重塑。
二、研究内容与结论
本研究通过整合网络毒理学、转录组学分析、人类AKI单核测序和体外qRT-PCR分析，系统探究了Cis-AKI的候选分子靶点。研究首先将顺铂相关毒理基因组学基因与AKI相关基因取交集，获得214个共享候选基因，随后进行功能富集、PPI网络分析、CytoHubba排序和MCODE模块分析，优先筛选出SDHB和NDUFAB1作为枢纽基因。进一步通过顺铂诱导小鼠AKI转录组数据集、人类AKI肾脏单核数据、近端小管拟时间分析和顺铂处理的BUMPT细胞qRT-PCR验证，确认了这两个基因在近端小管损伤中的差异表达模式。研究还进行了NicheNet配体-受体-靶基因分析、小鼠基因敲除表型注释、miRNA预测、候选化合物筛选和分子对接等补充分析。
这项研究的重要意义在于：首次在Cis-AKI中通过多层级整合策略优先筛选出SDHB和NDUFAB1两个呼吸相关枢纽基因，揭示了二者在近端小管损伤中相反的转录变化方向——SDHB上调而NDUFAB1下调，提示顺铂诱导的线粒体损伤涉及不同呼吸链组分的差异化重塑，而非简单的整体性抑制。该发现为理解Cis-AKI的线粒体病理机制和开发靶向干预策略提供了新的分子线索。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：从比较毒理基因组学数据库（CTD）获取顺铂相关化学-基因互作记录，从OMIM、MalaCards和GWAS Catalog整合AKI相关基因；利用STRING数据库构建PPI网络并在Cytoscape中可视化，使用clusterProfiler包进行GO和KEGG富集分析；采用CytoHubba八种拓扑算法和MCODE模块分析进行枢纽基因优先筛选；使用limma包分析顺铂诱导小鼠AKI转录组数据集（来自Deng等报道，含4个顺铂处理组和3个对照组肾脏样本）；利用Seurat和Harmony分析人类AKI肾脏单核转录组数据（来自Legouis等报道）；使用Slingshot进行近端小管拟时间分析；使用NicheNet进行配体-受体-靶基因分析；使用miRDB预测miRNA-靶基因调控网络；使用AutoDock Vina进行分子对接；在BUMPT小鼠近端小管上皮细胞中进行顺铂处理（20μM，16小时）和qRT-PCR验证。
四、研究结果
候选靶点鉴定： 将CTD中顺铂相关毒理基因组学基因与OMIM、MalaCards和GWAS Catalog来源的AKI相关基因取交集，鉴定出214个共享基因作为Cis-AKI候选靶点。
富集分析与PPI网络： 214个候选基因主要富集于细胞呼吸、电子传递链、电子转移活性、氧化还原酶活性、线粒体呼吸体、呼吸链复合物和氧化磷酸化等通路，表明候选靶点主要参与线粒体呼吸、电子传递和氧化还原相关过程。
枢纽基因优先筛选： 通过八种CytoHubba拓扑算法和MCODE模块分析，SDHB和NDUFAB1在所有八种算法中均排名前列，且均位于最高评分MCODE模块中，被选定为枢纽基因。其他呼吸或代谢相关基因如SDHA、SDHC、NDUFS2、UQCRC1、UQCRC2、ATP5F1A、ATP5F1C、ATP5PD、CYC1、MDH2、GAPDH和IDH1等也被保留为网络优先基因。
小鼠AKI转录组验证： 在独立顺铂诱导小鼠AKI转录组数据集中，严格阈值（FDR<0.05且log2FC>1）下Aco2、Aco1、Sdhb和Aldh2显著上调；放宽效应量阈值（FDR<0.05且|log2FC|>0.5）后，另有Ndufab1、Sdhc、Uqcrc1、Sdha、Atp5f1c、Ndufv1、Uqcrc2、Atp5f1a、Park7和Ndufs2等共14个网络优先基因被标记，涉及三羧酸循环、呼吸链复合物I-V、氧化还原调节和线粒体代谢。
单核转录组分析： 人类AKI肾脏单核数据分析保留20,538个高质量核，注释为十种肾细胞群体。SDHB和NDUFAB1呈现不同的细胞类型特异性表达模式：近端小管细胞中SDHB表达升高而NDUFAB1表达降低；NDUFAB1在集合管主细胞和远曲小管细胞中升高，在免疫细胞、近端小管细胞和髓袢细胞中降低；SDHB在集合管主细胞、近端小管细胞、内皮细胞、肾祖细胞和足细胞中升高，在髓袢细胞、远曲小管细胞和免疫细胞中降低。
近端小管拟时间分析： Slingshot轨迹分析显示对照近端小管细胞主要分布于早期拟时间区域，而AKI近端小管细胞富集于晚期拟时间状态。SDHB表达沿拟时间逐渐升高，尤其在轨迹末端阶段明显；NDUFAB1则呈现较弱的动态变化，早期至中期轻度下降后晚期略有回升。
体外qRT-PCR验证： 顺铂处理的BUMPT细胞中，损伤标志物Havcr1/Kim-1和Lcn2/Ngal显著升高，Bcl2降低而Casp3升高，证实小管损伤和凋亡相关转录反应。候选基因中Sdhb、Aco2、Aldh2、Ndufs2和Uqcrc1显著上调，而Ndufab1轻度降低，与人类近端小管细胞中的表达方向一致。
基因敲除表型证据： MGI数据库注释显示Sdhb缺失与肾脏形态异常相关，Aldh2缺失与排尿异常和全身代谢表型相关，Park7缺失与细胞呼吸和三羧酸循环异常相关，其他呼吸相关基因敲除主要涉及发育、存活和代谢表型。
NicheNet分析： 配体活性分析优先筛选出TSPAN3、ACE2、PATJ、TGFB1、GPC6等候选上游配体。TGFB1对SDHB、GAPDH、IDH1、UQCRC1和ALDH2具有可检测的调控潜力，代表性配体-受体轴包括TGFB1-TGFBR1/TGFBR2/TGFBR3、EGF-EGFR/ERBB、FGF7-FGFR和C5-C5AR1。
miRNA调控网络： miRDB预测8个miRNA靶向NDUFAB1，44个miRNA靶向SDHB。hsa-miR-7-2-3p预测靶向IDH1、SDHA和SDHC；hsa-miR-378j预测靶向GAPDH、SDHA和SDHC；hsa-miR-1290预测靶向SDHB、SDHA和SDHC。
候选化合物与分子对接： DrugBank注释获得NDUFAB1相关化合物二甲双胍和NADH，SDHB相关化合物辅酶Q1和DB04141。分子对接显示多个对接对的预测结合能低于-5 kcal/mol，提示结构兼容性。
五、讨论与结论
讨论部分指出，呼吸和氧化还原相关过程的富集与近端小管上皮细胞的生物学特征一致——这些细胞能量需求高，高度依赖线粒体氧化代谢维持溶质转运和上皮稳态。SDHB和NDUFAB1代表线粒体稳态的不同组分：SDHB编码琥珀酸脱氢酶的铁硫亚基，连接三羧酸循环与电子传递链复合物II；NDUFAB1编码线粒体酰基载体蛋白，参与铁硫簇生物发生和呼吸链复合物及超复合物的组装。二者相反的转录变化方向提示顺铂诱导的线粒体损伤涉及不同呼吸链组分的差异化重塑。SDHB升高可能反映复合物II相关代谢的应激相关重塑或代偿性转录反应，而NDUFAB1降低可能与呼吸链复合物组织维持受损或线粒体稳态状态丧失一致。
研究结论为：本研究在Cis-AKI的呼吸相关基因网络中优先筛选出SDHB和NDUFAB1，并证明二者在近端小管损伤过程中呈现不同的表达模式。这些发现突出了顺铂诱导肾损伤中呼吸相关重塑和近端小管状态转变的重要性，为深入理解Cis-AKI的线粒体病理机制和开发靶向干预策略提供了新的分子基础。
