《Frontiers in Genetics》：Screening of oxidative stress-related signature genes and construction of an interpretable discriminant model for preeclampsia
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背景：子痫前期（PE）是一种严重威胁母胎健康的妊娠并发症，其发生发展与胎盘氧化应激密切相关。然而，目前尚缺乏对PE中氧化应激相关基因及其在免疫调控中作用的系统性认识。目的：旨在鉴定PE中氧化应激相关的特征基因，验证其在胎盘组织中的表达和细胞定位，构建可解释的机
背景：子痫前期（PE）是一种严重威胁母胎健康的妊娠并发症，其发生发展与胎盘氧化应激密切相关。然而，目前尚缺乏对PE中氧化应激相关基因及其在免疫调控中作用的系统性认识。目的：旨在鉴定PE中氧化应激相关的特征基因，验证其在胎盘组织中的表达和细胞定位，构建可解释的机器学习判别模型，并探讨其与胎盘免疫浸润的关系。方法：将九个GEO数据集分为三组：特征基因筛选组（GSE10588、GSE75010）、人工神经网络训练组（GSE30186、GSE44711、GSE54618、GSE24129、GSE43942、GSE147776）和独立验证组（GSE25906）。利用limma识别差异表达基因（DEGs），并与氧化应激相关基因取交集获得候选差异表达氧化应激相关基因（DEOSRGs）。采用多算法递归特征消除（SVM-RFE、RF-RFE、XGB-RFE）结合五折交叉验证筛选核心特征基因。在临床标本（50例PE vs. 50例对照）中评估胎盘蛋白表达和滋养层细胞定位。基于训练组构建人工神经网络（ANN）判别模型，使用GSE25906进行独立验证并开展基于SHAP的可解释性分析。通过CIBERSORT对GSE75010进行免疫浸润分析。结果：研究人员鉴定出87个DEGs（65个上调、22个下调）和17个候选DEOSRGs。共识递归特征消除筛选得到五个核心特征基因：LEP、HK2、NDRG1、膜金属内肽酶和SERPINA3。蛋白质印迹法证实所有五种蛋白在PE胎盘组织中均显著上调（P < 0.05），免疫组化显示阳性信号主要定位于胎盘绒毛合体滋养层细胞。ANN模型五折交叉验证AUC为0.888 ± 0.010，在GSE25906中保持0.819 ± 0.010，其中LEP对分类贡献最大。免疫浸润谱显示这些基因与单核细胞、M2巨噬细胞、Tregs和中性粒细胞的变化密切相关。结论：研究人员鉴定了五种氧化应激相关特征基因（LEP、HK2、NDRG1、MME和SERPINA3），并发现它们在PE胎盘组织中显著上调。构建了可解释的神经网络判别模型并进行了独立验证。这些生物标志物反映了胎盘的病理生理改变，可能通过协同调节氧化应激和母胎免疫微环境促进PE进展。
研究背景与问题
子痫前期（PE）是全球范围内导致孕产妇和胎儿发病与死亡的主要原因之一，发病率约为2%-8%。临床上，PE表现为妊娠20周后新发高血压伴蛋白尿及多器官功能障碍，若未及时干预可进展为子痫、HELLP综合征甚至多器官衰竭。当前证据表明，PE的发病机制源于胎盘发育过程中的病理改变，主要包括滋养细胞侵袭不足和子宫螺旋动脉重铸障碍，最终导致胎盘灌注减少和缺氧缺血状态。胎盘缺血可进一步引发局部缺血再灌注损伤，导致活性氧（ROS）过量产生并建立氧化应激状态，这一过程构成PE病理生理的核心环节。同时，PE作为一种胎盘源性疾病，也与母胎界面免疫耐受失衡密切相关。尽管已有大量研究，但目前仍缺乏对PE中氧化应激相关基因的系统性理解及其在免疫调控中作用的深入认识。因此，本研究旨在整合公开转录组数据与临床胎盘样本，系统鉴定与PE氧化应激密切相关的关键基因，构建基于这些特征基因的可解释性判别模型，并探讨其与胎盘免疫微环境的潜在关系。
研究方法与技术
研究人员从Gene Expression Omnibus（GEO）数据库获取九个数据集，将其分为特征基因筛选组（GSE10588、GSE75010）、ANN训练组（GSE30186、GSE44711、GSE54618、GSE24129、GSE43942、GSE147776）和独立验证组（GSE25906）。采用limma进行差异表达分析，并通过与预定义的氧化应激相关基因集取交集获得候选DEOSRGs。应用三种递归特征消除算法（SVM-RFE、RF-RFE、XGB-RFE）结合五折交叉验证筛选核心特征基因。在来自河北医科大学第二医院的50例PE和50例正常妊娠胎盘组织中进行蛋白质印迹法和免疫组化验证。基于筛选出的特征基因构建ANN判别模型，并使用SHAP进行模型可解释性分析。利用CIBERSORT算法在GSE75010数据集中评估22种免疫细胞的相对丰度并进行相关性分析。
研究结果
3.1 差异表达基因的鉴定：合并GSE10588和GSE75010数据集并经ComBat校正批次效应后，共鉴定出87个DEGs，包括65个上调基因和22个下调基因。
3.2 DEGs的功能富集与通路分析：GO富集分析显示DEGs主要富集于内分泌过程、促性腺激素分泌调节、细胞-基质连接、黏着斑等生物学过程和细胞组分，以及单糖结合、激素活性等分子功能。
3.3 氧化应激相关基因的筛选与PPI网络构建：通过DEGs与氧化应激相关基因集取交集，获得17个DEOSRGs，包括LEP、TGM2、BCL6、MME、MMP1、ENG、ABCG2、FLT1、NTRK2、CRH、NDRG1、HK2、ERO1A、LTF、FRZB、SERPINA3和CP。STRING数据库构建的PPI网络显示这17个蛋白之间存在相互作用。
3.4 特征基因的筛选与评分：通过三种RFE算法的共识交集，最终确定五个核心特征基因：LEP、HK2、NDRG1、MME和SERPINA3。
3.5 胎盘组织中的验证与细胞定位：蛋白质印迹法证实五种蛋白在PE胎盘组织中均显著上调（P < 0.05）。免疫组化显示阳性信号主要分布于胎盘绒毛滋养细胞，尤其是合体滋养层区域，血管内皮相关细胞和绒毛间质/免疫样细胞也可能参与局部表达变化。
3.6 ANN判别模型的构建、评估与SHAP可解释性分析：基于五个特征基因构建的ANN模型在训练组中五折交叉验证平均AUC为0.888 ± 0.010，在独立验证集GSE25906中AUC为0.819 ± 0.010。SHAP分析显示LEP和MME对分类的预测影响最大，其次为HK2、SERPINA3和NDRG1。
3.7 免疫浸润分析结果：CIBERSORT分析显示PE组中静息肥大细胞显著增加，而M2巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞和浆细胞显著减少。五种特征基因与单核细胞、M2巨噬细胞、中性粒细胞和Treg细胞密切相关。
讨论与结论
本研究建立了系统的多算法机器学习框架，从转录组数据中鉴定出五个核心氧化应激相关特征基因（LEP、HK2、NDRG1、MME和SERPINA3），在临床胎盘标本中验证了它们的蛋白表达和滋养层定位，构建了具有稳健外部性能（GSE25906中AUC=0.819）的可解释ANN判别模型，并阐明了它们与胎盘免疫微环境的密切相关性。这些基因并非孤立发挥作用，而是在氧化应激条件下通过代谢重编程（HK2）、炎症放大（LEP）、细胞功能调控（NDRG1、MME）和蛋白酶平衡（SERPINA3）与免疫细胞重塑（Tregs、M2巨噬细胞、单核细胞）相关联，形成了一个整合网络，为该五基因组合的判别能力提供了生物学依据。研究结论为：研究人员鉴定了五种氧化应激相关特征基因（LEP、HK2、NDRG1、MME和SERPINA3），并发现它们在PE胎盘组织中显著上调；构建了可解释的神经网络判别模型并进行了独立验证；这些生物标志物反映了胎盘的病理生理改变，可能通过协同调节氧化应激和母胎免疫微环境促进PE进展。
