组氨酸代谢的多组学分析揭示心力衰竭中FRZB-CRYM相关的细胞交互作用

《Frontiers in Cardiovascular Medicine》：Multi-omics analysis of histidine metabolism reveals FRZB-CRYM-associated cellular crosstalk in heart failure

　　

背景：组氨酸代谢在心力衰竭（HF）中的作用，特别是其在心脏细胞类型中的异质性调控，仍不清楚。本研究旨在明确其机制基础并识别关键调控基因。方法：研究人员整合了多个转录组数据集，包括来自GEO数据库的四个常规和三个单细胞RNA测序（scRNA-seq）队列。采用多步骤计算生物学流程，包括基因集富集分析（如AUCell、ssGSEA）、多维机器学习（14种算法，如LASSO、随机森林）、差异表达分析以及细胞间通讯推断（CellChat、MultiNicheNet），以识别和验证核心靶点。结果：研究人员在心力衰竭（HF）微环境中发现了组氨酸代谢通路的显著激活，尤其是在成纤维细胞和髓系细胞中。一个高组氨酸代谢的巨噬细胞亚群（GPNMB+）表现出能量代谢富集和MHC-II信号上调，而相应的成纤维细胞亚群（Fib_THY1）显示出增强的免疫通讯。从23个候选基因中，严格的机器学习策略确定了FRZB和CRYM为核心靶点。这些基因在HF中显著上调，表现出可靠的诊断价值（AUC：0.87–0.98），并与组氨酸代谢强相关。关键的是，scRNA-seq揭示了不同的细胞定位：CRYM在心肌细胞中，FRZB在间充质基质细胞中。细胞通讯分析提示了一个假定的病理正反馈环路，其中FRZB+基质细胞被预测影响心肌细胞的代谢重编程。本研究提出了一种新的“基质-心肌”反馈环路模型。结论：本研究系统地表征了组氨酸代谢功能障碍在HF中的潜在作用，并支持一个与FRZB（在基质细胞中）和CRYM（在心肌细胞中）相关的假定的“基质-心肌”正反馈环路模型。这些计算推断将FRZB和CRYM定位为候选生物标志物，同时它们的调控轴为HF的潜在治疗靶点提供了新的理论框架。

**论文解读：组氨酸代谢的多组学分析揭示心力衰竭中FRZB-CRYM相关的细胞交互作用**

**研究背景与问题**
心力衰竭（HF）是全球范围内发病率和死亡率持续上升的严峻健康负担，其病理生理涉及心肌重塑、慢性炎症、细胞外基质（ECM）过度沉积导致纤维化，以及能量代谢的深刻紊乱。心脏微环境（CME）的动态重塑是HF起始和进展的关键驱动因素，由多种驻留细胞（如心肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞）和浸润免疫细胞（如巨噬细胞、淋巴细胞）组成。然而，启动这些不同细胞亚群活化并介导其病理相互作用的分子机制仍不清楚。同时，代谢重编程已成为HF的另一个基本特征；尽管葡萄糖和脂质代谢改变已被广泛研究，但特定氨基酸代谢途径（尤其是组氨酸代谢）在心脏重塑中的细胞类型特异性作用尚不明确。组氨酸代谢处于能量产生、炎症信号和氧化应激反应的交叉点，但在衰竭心脏微环境中的角色尚未被深入探讨。单细胞RNA测序（scRNA-seq）结合日益强大的计算工具和机器学习（ML）方法，为高分辨率解析HF微环境中的细胞多样性、代谢状态和细胞间通讯网络提供了独特机会。因此，本研究旨在应用整合多组学方法，结合scRNA-seq与批量转录组数据，系统探索组氨酸代谢如何影响HF中的心脏微环境重塑，并识别和验证关键基因及调控机制。该论文发表在《Frontiers in Cardiovascular Medicine》。

**主要关键技术方法**
研究人员从GEO数据库获取了四个批量RNA-seq数据集（GSE57338、GSE5406、GSE141910、GSE116250、GSE79962）和三个scRNA-seq数据集（GSE145154、GSE183852、GSE121893）。采用多步骤计算生物学流程：使用sva包去除批量效应；通过Seurat包（v5.30）进行scRNA-seq质量控制、归一化（SCTransform）、主成分分析（PCA）和聚类，并用Harmony算法整合多数据集；利用AUCell、ssGSEA等六种基因集富集算法评估单细胞通路活性；采用15种机器学习算法（如LASSO、随机森林）构建117个模型变体进行诊断模型构建；通过CellChat和MultiNicheNet推断细胞间通讯；使用IOBR包（MCPcounter和ESTIMATE算法）评估免疫浸润和基质成分。

**研究结果**

**通过scRNA-seq分析HF与对照组心脏微环境的细胞复杂性**
分析GSE145154数据集，经质量控制后鉴定出19个细胞簇和10种主要细胞类型。HF样本中免疫细胞（T细胞、B细胞）显著积累，而对照组中基质细胞（成纤维细胞、内皮细胞）更丰富。MiloR分析显示T细胞、NK细胞、周细胞等在HF中富集；Augur分析指出成纤维细胞和髓系细胞具有最大的转录组状态变化；RO/E分析进一步表明成纤维细胞和髓系细胞在对照组中更特征性，而淋巴细胞亚群在HF中更偏好。这些互补方法一致确认成纤维细胞和髓系细胞为衰竭心脏微环境中最多样化和差异分布的细胞群体。

**多组学整合分析揭示HF心脏微环境中组氨酸代谢的异质性**
通过六种基因集富集算法评估，心肌细胞、成纤维细胞、肥大细胞和髓系细胞显示较高的组氨酸代谢评分。将细胞分为高、低活性组后，发现高活性细胞富集区域与成纤维细胞和髓系细胞分布区域重叠。在四个独立批量转录组数据集中，HF患者心脏组织显示组氨酸代谢的复杂失调表达谱，且此激活模式在扩张型心肌病（DCM）和缺血性心肌病（ICM）中均存在，表明增强的组氨酸代谢是HF的常见生物学标志。关键基因如ALDH2、HNMT、HDC在HF中显著升高，而MAOA、CNDP1则下调。

**髓系细胞亚群中组氨酸代谢异质性分析**
对髓系细胞独立重聚类，分为单核-巨噬细胞（Mφ）、中性粒细胞和树突状细胞（DC），其中Mφ显示最高组氨酸代谢活性。进一步亚聚类鉴定出七个功能亚型（如CCL3L3+、GPNMB+等）。CellChat分析显示，在高组氨酸代谢的巨噬细胞簇中，相互作用网络增强，CCL3L3+和RNASE1+亚型为中央信号枢纽；MHC-II和LAIR1信号通路上调，尤其在CCL3L3+和经典巨噬细胞作为信号发送者时。

**成纤维细胞亚群的功能异质性及其与组氨酸代谢的关联**
在稳定分辨率0.1下，鉴定出五个成纤维细胞亚群（Fib_ACTA2、Fib_FGF7、Fib_THBS4、Fib_THY1、Fib_GPM6B），ROGUE指数显示高纯度。GO富集揭示各亚型功能特化，如Fib_ACTA2参与ECM组织，Fib_THY1与骨发育相关。高组氨酸代谢的成纤维细胞亚群（尤其是Fib_THY1）表现出更强的细胞相互作用，作为主要信号发送者，通过NCAM、TWEAK、SLIT、ANNEXIN等信号通路增强。Fib_THY1与髓系细胞之间的COL1A2-CD44和COL1A1-CD44配体-受体对在高组氨酸微环境中信号概率显著增加。

**单细胞与常规转录组共分析筛选核心组氨酸代谢相关基因**
基于单细胞组氨酸代谢通路活性评分，将细胞分为高活性组（>90百分位）、低活性组（0）和中间组。Spearman相关分析显示高可变基因表达与代谢活性呈S形非线性关系。通过顺序过滤策略：单细胞相关性分析（1,671个基因）、单细胞差异表达分析（1,969个基因）、批量转录组GSE141910验证（1,993个基因）和GSE57338验证（150个基因），取交集得到23个核心候选基因，这些基因在单细胞和批量水平均与HF中组氨酸代谢激活相关。

**多维机器学习筛选核心靶基因**
基于23个候选基因，经批量效应校正后，以GSE141910为训练集，其他三个数据集为外部验证集。使用15种机器学习算法构建117个模型变体，全23基因模型表现出强诊断能力（高AUC），而LASSO衍生的9基因子集未超越全基因集，表明23个基因形成信息丰富的协同特征。Boruta分析确认所有23个基因均为“重要”特征。通过转录组水平相关性排序和模型变量重要性排序，取前五名交集，最终确定两个核心靶基因：FRZB和CRYM。

**多队列验证核心靶基因FRZB和CRYM的诊断效能与表达**
在GSE57338和GSE141910数据集中，FRZB和CRYM在HF样本中均显著上调，ROC分析显示高诊断价值（AUC：FRZB 0.917–0.983，CRYM 0.871–0.928）。两基因间呈强正相关（R=0.54–0.59），且与组氨酸代谢评分一致正相关，支持其作为HF中组氨酸代谢激活的核心驱动因子。但当前研究为组织水平转录组分析，需进一步结合外周血循环系统（如血浆或外周血单核细胞）进行临床验证以评估其作为非侵入性生物标志物的潜力。

**核心靶基因FRZB和CRYM的单细胞表达定位**
在三个独立scRNA-seq数据集中，CRYM特异性地在心肌细胞中高表达，与心肌细胞标志物（MYH6、MYH7、TNNT2）强正相关。FRZB则主要富集于间充质基质细胞系（周细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞），与成纤维细胞评分（MCPcounter）和基质评分（ESTIMATE）呈强正相关（cor=0.42–0.51）。因此，两个核心靶基因在衰竭心脏中呈现清晰的细胞谱系分离：CRYM主要表达于心肌细胞，FRZB主要来源于间充质基质细胞。

**HF心脏微环境中FRZB+基质细胞与CRYM+心肌细胞之间的双向通讯**
根据FRZB和CRYM表达将间充质细胞（MSCs）和心肌细胞分为四个亚群。组织偏好分析显示FRZB+ MSCs和CRYM+心肌细胞在HF微环境中富集，而FRZB? MSCs在对照组中更丰富。MultiNicheNet分析揭示HF条件下双向信号网络显著增强：在基质-心肌方向（FRZB+ MSCs → CRYM+心肌细胞），FN1-ITGB1、FN1-SDC2、TNFSF12-TNFRSF12A等配体-受体相互作用显著上调，下游靶点分析表明这些信号主要调控CRYM+心肌细胞的代谢重编程（如核苷酸代谢、乙醛酸/二羧酸代谢）。在心肌-基质方向（CRYM+心肌细胞 → FRZB+ MSCs），LAMP4-ITGB1、FGF7-NRP1等轴增强，下游富集提示心肌细胞信号主要诱导FRZB+ MSCs的结构和促纤维化表型转变（如肌细胞生长和肌动蛋白丝相关过程）。这些观察支持一个自我维持的病理循环计算模型：基质细胞导向心肌细胞代谢适应，而心肌细胞反馈基质细胞表型转化（如向肌成纤维细胞转化），共同促进疾病进展。

**讨论与结论**
本研究通过整合多组学框架，系统表征了组氨酸代谢功能障碍作为HF的关键病理特征。研究表明组氨酸代谢失调在HF微环境中表现出显著的细胞异质性，最终形成由FRZB+间充质基质细胞（MSCs）和CRYM+心肌细胞（CMs）驱动的病理正反馈环路。主要发现包括：成纤维细胞和髓系细胞是HF中最异质和转录动态的群体；高组氨酸代谢的Fib_THY1亚型通过COL1A-CD44轴与髓系细胞增强相互作用；通过严格筛选策略和多维机器学习确定FRZB和CRYM为与组氨酸代谢强相关的核心基因；FRZB主要定位于基质细胞，CRYM特异表达于心肌细胞；FRZB+基质细胞与CRYM+心肌细胞之间的双向通讯预测了代谢重编程和纤维化重塑的病理环路。FRZB和CRYM不仅是可靠的组氨酸代谢失调组织标志物（AUC 0.87–0.98），也是可靶向轴的核心组分，为治疗HF提供了新理论框架。研究结论指出：这项全面的多组学研究将组氨酸代谢确立为HF中一个先前被忽视的病理成分。超越传统通路分析，研究人员证明这种代谢失调是一个高度异质的过程，由不同但相互作用的细胞群体协调。核心发现——FRZB+间充质基质细胞与CRYM+心肌细胞之间的病理反馈环路——揭示了一个自我维持的计算模型，其中基质细胞与心肌细胞代谢重编程相关，而心肌细胞则促进病理性的基质重塑。这些发现将FRZB和CRYM定位为组氨酸代谢失调的可靠组织水平标志物，同时作为可靶向轴的核心组件，提示了专注于破坏这种有害循环的新治疗策略。