整合转录组学和机器学习分析发现sPLA2家族基因是早产儿脑损伤的关键调控因子和生物标志物

《Journal of Chromatography B》：Integrative transcriptomic and machine learning analysis identifies sPLA2-family genes as key regulators and biomarkers in preterm brain injury

　　

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  整合的转录组学和生物信息学分析发现了与早产儿脑损伤相关的sPLA2家族基因。共发现了13个差异表达的sPLA2相关基因，这些基因参与脂质代谢、神经炎症、血管信号传导以及其他可能促进PBI（早产儿脑损伤）发病机制的生物过程。
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  机器学习方法确定了一个用于诊断早产儿脑损伤的稳健四基因特征签名。通过整合LASSO、SVM-RFE和随机森林算法，选出了PLA2G3、PLA2G4A、ADCY7和ADCY8作为关键特征基因，其组合模型的诊断性能优异，AUC为0.979。
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  多层次验证显示，在PBI中微胶质细胞相关的sPLA2相关生物标志物存在失调。单细胞RNA测序、新生小鼠模型和临床样本证实了这些基因的表达模式发生了改变，这突显了它们在神经炎症中的作用以及作为早期PBI检测生物标志物的价值。

引言

早产儿脑损伤（PBI）是导致早产儿长期神经发育障碍的主要原因，包括认知缺陷、运动功能障碍和患神经精神疾病的风险增加[1]，[2]。尽管新生儿护理取得了进展，但PBI的分子机制仍不明确，这阻碍了早期诊断和治疗策略的发展[3]，[4]。最新证据表明，神经炎症、氧化应激和脂质代谢失调在PBI的发病机制中起关键作用，因此需要识别将这些过程联系起来的关键分子调控因子[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。

分泌型磷脂酶A2（sPLA2）家族是一组参与磷脂水解的细胞外酶，它们产生生物活性脂质介质并参与炎症信号传导[12]，[13]，[14]，[15]，[16]。sPLA2基因的失调与多种神经系统疾病有关，包括阿尔茨海默病、缺血性脑损伤和多发性硬化症，在这些疾病中它们会导致神经炎症、突触功能障碍和神经元死亡[17]，[18]，[19]。然而，它们在PBI中的具体作用仍大部分未经探索。鉴于脂质代谢和炎症途径在早产儿脑损伤中的核心作用[20]，[21]，sPLA2家族基因成为理解疾病机制和发现潜在生物标志物的有希望的候选基因[22]，[23]，[24]，[25]，[26]，[27]。

高通量转录组分析和先进的计算分析为系统识别与疾病相关的基因和途径提供了强大工具[28]。将差异表达分析与蛋白质-蛋白质相互作用网络、功能富集和基于机器学习的特征选择相结合，可以优先考虑具有机制相关性和诊断潜力的基因[29]。此外，单细胞转录组学方法可以将基因表达模式映射到特定细胞类型，从而提供可能驱动疾病进展的细胞背景信息[30]。

在这项研究中，我们整合了转录组分析、生物信息学方法、机器学习算法、单细胞RNA测序和实验验证，系统研究了sPLA2家族基因在PBI中的作用。首先，我们确定了与PBI相关的差异表达的sPLA2家族基因，并通过蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）分析和通路富集分析探讨了它们的潜在生物学功能和调控网络。随后，应用了三种机器学习算法来识别关键的特征基因，并构建了一个潜在的PBI诊断签名。进一步使用单细胞转录组数据表征了这些候选基因的细胞分布，并在PBI患者的外周血样本和新生缺氧-缺血性脑损伤小鼠模型中进行了验证。这种综合策略为了解PBI的分子机制提供了新的见解，并确定了潜在的早期诊断和未来治疗的生物标志物。

章节摘录

数据来源和表达数据预处理

与PBI相关的基因表达数据从公共基因表达组库（GEO）数据库中获取。下载了转录组数据集GSE112137以供后续分析。该数据集包括24名被诊断为PBI的早产儿和24名健康对照对象。原始表达矩阵与相应的临床注释文件整合，以分配样本组标签（PBI vs. Control）（补充表S1）。数据预处理和标准化已完成

差异表达基因的鉴定

对24名PBI患者和24名对照对象中的52,343个基因进行了差异表达分析，识别出8423个DEGs（P < 0.05），包括4056个上调基因和4367个下调基因。火山图清晰地展示了基因表达变化的情况，上调基因用红色标记，下调基因用蓝色标记，而变化不显著的基因用灰色显示（图1A）。前100个显著改变的基因的热图（50个上调基因和50个下调基因）

讨论

在这项研究中，我们通过结合转录组分析、生物信息学、机器学习、单细胞转录组学和实验验证的綜合策略，系统研究了sPLA2家族在PBI中的作用。差异表达分析确定了8423个在PBI中失调的基因，其中13个基因与sPLA2家族成员重叠，表明sPLA2相关的分子变化可能促进PBI的发病机制。功能富集和PPI分析进一步证实了这一点

结论

本研究发现PLA2G3、PLA2G4A、ADCY7和ADCY8是与早产儿脑损伤相关的关键sPLA2家族基因。这些基因与脂质代谢、神经炎症和血管信号传导途径相关，它们的组合表达谱显示出很高的诊断潜力。这些发现还在PBI患者的外周血样本和PBI的缺氧-缺血小鼠模型中得到了进一步验证，在这些模型中，受损的脑白质表现出较强的信号

CRediT作者贡献声明

陈少峰：概念构建、正式分析、方法学、初稿撰写、审稿与编辑。程妹莱：数据管理、软件应用。李敏：数据管理、软件应用。周玲：数据管理、软件应用。郭宁：资源提供、指导。杨静：资源提供、指导。

伦理批准

本研究遵循《赫尔辛基宣言》及其后续修订案中规定的伦理原则进行。涉及人类受试者的临床样本收集和实验方案得到了银川市第一人民医院伦理委员会的批准。在所有参与者入组前，已从法定监护人处获得了书面知情同意，并且所有监护人都充分了解了研究目的。

资助

宁夏自然科学基金：通过调节BDNF/TrkB/CREB通路探讨sPLA2在早产儿认知障碍中的作用：一项机制研究。（资助编号：2025AAC031015）银川市科技计划项目：分泌型磷脂酶A2在早产儿脑损伤发病机制中的特征和机制。（资助编号：2025SF22）

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

无。

陈少峰|程妹莱|李敏|周玲|郭宁|杨静