《Bioorganic Chemistry》：Machine learning, WGCNA and molecular docking identify SLC transporter genes as biomarkers and drug targets in
Helicobacter pylori-associated carcinogenesis
编辑推荐：
摘要溶质载体（SLC）家族基因负责跨膜运输及细胞代谢，但其在从幽门螺杆菌感染到胃癌的发展过程中的具体作用尚未明确。通过整合多个GEO数据集，并运用加权基因共表达网络分析、差异表达分析以及机器学习算法，我们确定了7个与幽门螺杆菌感染相关的核心SLC基因（SLC9A9、SLC43A2
摘要
溶质载体（SLC）家族基因负责跨膜运输及细胞代谢，但其在从幽门螺杆菌感染到胃癌的发展过程中的具体作用尚未明确。通过整合多个GEO数据集，并运用加权基因共表达网络分析、差异表达分析以及机器学习算法，我们确定了7个与幽门螺杆菌感染相关的核心SLC基因（SLC9A9、SLC43A2、SLC16A6、SLC7A14、SLC28A3、SLC4A11、SLC5A2），以及9个与胃癌相关的核心基因（SLC1A3、SLC2A3、SLC15A3、SLC19A3、SLC2A12、SLC16A4、SLC25A4、SLC9A7、SLC28A3）。逻辑回归模型显示出较高的诊断准确性（AUC分别为0.976和0.874）。免疫浸润分析揭示出不同的关联模式：在感染状态下，SLC4A11和SLC5A2与活化的肥大细胞、中性粒细胞以及M2型巨噬细胞相关；而在胃癌中，SLC1A3和SLC2A3则与M1/M2型巨噬细胞以及活化的CD4+ T细胞存在关联。富集分析进一步证实这些基因参与了跨膜运输、免疫相关通路以及癌症信号传导过程。转录因子预测结果显示CEBPB、RELB和STAT5A是这些基因的关键上游调控因子。分子对接实验表明SLC蛋白与多种可重新利用的化合物（3′-叠氮-3′-脱氧胸苷、CHEMBL1182312、奎宁）之间存在较强的结合亲和力。本研究首次系统地分析了从幽门螺杆菌感染到胃癌发展过程中SLC家族基因的表达情况，为寻找潜在的诊断生物标志物和治疗靶点提供了依据，这些候选靶点还需进一步实验验证。
引言
幽门螺杆菌是一种革兰氏阴性、微需氧的螺旋形细菌，它定植于胃黏膜，全球约有半数人口受到其感染[1]、[2]、[3]。作为慢性胃炎、消化性溃疡、胃癌以及胃黏膜相关淋巴组织淋巴瘤的主要致病因子，该细菌于1994年被世界卫生组织列为第一类致癌物，至今仍是导致胃癌发生的最重要风险因素[1]、[4]、[5]。胃癌是全球第五大常见恶性肿瘤，也是第四大癌症相关死亡原因，近年来其发病率和死亡率持续上升[6]。幽门螺杆菌的致癌机制极为复杂，涉及细菌毒力因子、宿主遗传背景、免疫微环境以及环境因素之间的多重相互作用[3]、[7]。诸如细胞毒素相关基因A（CagA）和空泡化细胞毒素A（VacA）等关键毒力因子会促使宿主基因（如TRAF1、TNFAIP3、ONECUT2、LRP8）的表达，进而激活促炎和致癌信号通路，推动慢性胃炎向胃癌的恶性转化[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。然而，日益严重的抗生素耐药性问题正在严重削弱现有根除疗法的效果，其耐药机制包括染色体突变、药物外排功能紊乱以及生物膜形成等[14]。在我们之前的研究中，我们发现幽门螺杆菌感染会激活胃上皮细胞中的多种信号通路，上调多种宿主基因（如TNF、CXCL8、NFKBIA、TRAF1、ICAM1、TNFAIP3）及其对应的转录因子，这一现象在体外和体内实验中均有体现[15]。这些基因主要参与免疫和炎症反应。不过，负责调控营养物质和离子转运等基本细胞过程的溶质载体（SLC）家族在幽门螺杆菌引发的胃部疾病中的作用至今仍未被充分研究。因此，探索幽门螺杆菌诱导的胃部恶性转化的分子标志物具有非常重要的意义。
SLC膜转运蛋白根据序列相似性可被分为多个亚家族，共计52个家族，包含近400种成员，其中四分之一的成员与人类疾病相关。它们负责执行多种重要的生理功能，包括营养物质吸收、离子转运以及废物排出，同时还能转运多种分子，涵盖核苷酸、糖类、脂质以及氨基酸和多肽等[16]、[17]、[18]。SLC转运蛋白在胃肠道中广泛表达，其功能异常会显著影响肿瘤的生长。它们与多种胃肠道炎症和肿瘤有关，同时还与胃肠道的代谢重编程、肠道肿瘤微环境、免疫调节以及药物耐药性等因素存在关联[19]、[20]。在幽门螺杆菌感染的情况下，该细菌会通过TGFβ介导的P38 MAPK信号通路，降低十二指肠上皮细胞中CFTR和SLC26A6的表达水平[21]。有研究显示，SLC30A5–7和SLC30A9–10与胃癌患者的幽门螺杆菌感染状况存在显著相关性[22]。在胃癌中，参与胃癌代谢重编程的SLC转运蛋白包括钠-葡萄糖共转运蛋白GLUT3（SLC2A3）[23]以及SLC25A42[24]。SLC25A42、SLC39A5和SLC1A5则与胃癌细胞的增殖有关[24]、[25]、[26]。此外，GLUT3（SLC2A3）[23]和SLC7A11也与胃癌中的药物耐药性存在关联[27]、[28]、[29]。尽管已有这些零散的研究结果表明SLC家族在幽门螺杆菌感染和胃癌发展中可能发挥作用，但目前仍缺乏对其在从感染到癌症的整个疾病进程中的表达模式、诊断价值以及治疗潜力的系统全面分析。正是这一知识空白促使我们开展了这项研究。
为了筛选出在幽门螺杆菌感染到胃癌发展过程中起关键作用的SLC家族基因，本研究首先整合了多个公共转录组数据集。在筛选差异表达基因之前，我们采用了ComBat算法来消除样本间的批次效应。随后，通过加权基因共表达网络分析、机器学习算法以及SHAP分析等方法，系统地筛选出了与幽门螺杆菌感染及胃癌进展密切相关的核心差异表达SLC基因（DE-SLC基因，见图1）。在此基础上，我们还运用了功能富集分析、转录因子预测、免疫浸润分析、药物预测以及分子对接等多种生物信息学方法，深入分析了这些核心DE-SLC基因的潜在调控机制以及它们作为药物靶点的可行性（见图1）。这种系统性的研究策略为阐明从幽门螺杆菌感染到胃癌恶性转化的分子机制提供了重要的理论基础。
章节节选
获取并预处理幽门螺杆菌感染及胃癌相关的GEO转录组数据集
我们从GEO数据库中下载了与幽门螺杆菌感染相关的数据集（GSE233973、GSE5081、GSE60427、GSE60662、GSE27411），以及与胃癌相关的数据集（GSE13195、GSE15459、GSE54129、GSE62254、GSE65801、GSE26899）。此外，我们还使用了本研究小组之前构建的体外幽门螺杆菌感染的胃上皮细胞模型数据集GSE295523[15]，用于后续的体外验证工作。具体而言，针对幽门螺杆菌感染相关的数据集，包括GSE233973、GSE5081、GSE60427和GSE60662。
整合差异表达基因与加权基因共表达网络分析，筛选幽门螺杆菌感染及胃癌中的差异表达SLC家族基因
为减少样本间的差异性，我们对数据进行了合并、批次效应校正以及标准化处理。经批次效应校正后，幽门螺杆菌感染组织及胃癌组织的PCA分析结果如图2A所示。进一步的差异表达分析显示，幽门螺杆菌感染组共有1848个差异表达基因，其中包括1249个上调基因和599个下调基因（见图2B及补充表S4）。在胃癌组中，则共有913个差异表达基因，其中441个基因表达上调，472个基因表达下调（见图2B及补充表）。
讨论
SLC家族是膜转运蛋白中规模最大的家族之一，负责调控营养物质、离子、代谢物以及药物在细胞膜间的转运[16]、[18]、[52]。近年来，人们越来越认识到这类基因的功能紊乱与肿瘤进展、代谢重编程、免疫逃逸以及治疗耐药性等现象密切相关[19]、[20]、[53]、[54]、[55]。然而，目前对于它们在从幽门螺杆菌感染到胃癌发展过程中的具体作用，仍缺乏系统的了解。
结论
总之，本研究首次对从幽门螺杆菌感染发展到胃癌的过程中SLC转运蛋白家族基因的表达情况进行了全面分析。通过整合多组学转录组数据、加权基因共表达网络分析、多种机器学习算法以及SHAP分析，我们找到了可用于诊断幽门螺杆菌感染（7基因特征组合）和胃癌（9基因特征组合）的候选生物标志物。通过富集分析和免疫浸润分析的结果来看，这些基因并非仅仅发挥简单的功能。
CRediT作者贡献说明
吕诺楠：撰写——初稿撰写、方法学设计、实验实施、数据分析、数据整理、概念构思。 何雪：撰写——审阅与编辑、实验实施、数据整理。 蔡婷：撰写——审阅与编辑、方法学设计、实验实施、数据整理。 徐莹莹：撰写——审阅与编辑、方法学设计、实验实施、数据整理。 谢杰：撰写——审阅与编辑、方法学设计。 赵雪琳：撰写——审阅与编辑、方法学设计。 杨斌芳：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
所有作者均声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
感谢基因表达组学数据库（GEO）提供了大量研究数据。同时，我们也感谢湖南省“十四五”规划应用特色学科——临床医学项目（项目编号：湘教通[2022]351），以及中国湖南省高等学校科技创新团队扶持计划的支持。此外，还要感谢湖南省自然科学基金的支持（项目编号：2025JJ50739）。
Nuonan Lv|Xue He|Ting Cai|Yingting Xu|Jie Xie|Xuelin Zhao|Binfang Yang|Xuemei Liu|Minglin Zhang
中南大学湘雅三医院健康管理医学中心，中国湖南长沙410013
