综合计算与体内实验证据表明，MYH6是PFOS相关的心肌肥厚样心脏重塑中的潜在关键基因

《Environmental Pollution》：Integrated Computational and In Vivo Evidence Prioritizes MYH6 as a Candidate Node in PFOS-Associated HCM-like Cardiac Remodeling

　　

摘要

全氟和多氟烷基物质（PFAS），尤其是全氟辛烷磺酸（PFOS），会在人体内持续存在，并与心血管疾病相关，但与其相关的心脏特异性分子反应尚未被完全阐明。我们结合了转录组筛选、集成机器学习、分子对接与100纳秒级分子动力学模拟、跨物种心脏单细胞图谱及虚拟基因敲除实验，还有分阶段的小鼠暴露研究（剂量约为5微克/千克/天，持续4至8周），以此确定与PFOS相关的心脏重构相关的候选分子节点。稳定性分析表明机器学习得出的候选节点具有可靠性，在人类和小鼠的心肌细胞图谱中，MYH6基因均被反复识别并富集。分子对接和模拟结果也显示PFOS与MYH6之间可能存在合理的结构相互作用。在暴露于PFOS的小鼠中，随着时间推移Myh6基因表达下降，同时心室间隔不对称性和间质纤维化加剧。批量分子对接分析显示，在26种PFAS中，有11种的得分与PFOS相当，这说明不同PFAS在与MYH6的相互作用上存在差异。综合这些数据，我们可以将MYH6视为与PFOS相关的心室肥厚样心脏重构相关的候选分子节点，并将这些多尺度观测结果整合为一个可验证的、类似有害作用途径的假说。

引言

全氟辛烷磺酸（PFOS）是全氟和多氟烷基物质家族中环境持久性最强、生物累积性最高的成员之一[1]、[2]、[3]。普通人群的血清PFOS浓度在5到30纳克/毫升之间，而职业暴露人群的浓度则更高^[1]。此外，PFOS在人体血清中的半衰期也很长[4]、[5]。对美国NHANES队列的横断面分析表明，血清PFOS浓度较高与心血管疾病患病率相关[6]、[7]，而且血液中的PFAS浓度也与颈动脉粥样硬化有关^[8]。在美国和欧盟，饮用水中的PFOS含量也受到严格监管[9]、[10]。综合这些研究结果，心脏很可能是PFOS影响的目标器官，但PFOS引发的心脏病变及其相关的分子反应仍需进一步明确[11]、[12]。

实验研究也为PFOS导致的心脏损伤提供了佐证。大鼠在高剂量PFOS暴露下会出现心脏肥大、纤维化、细胞凋亡以及炎症反应^[13]。另有研究指出，PFOS会损伤心肌细胞中的线粒体，同时血清中的PFAS浓度还会影响与心脏肥大相关的基因网络的甲基化状态[14]、[15]。通过人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞进行的实验则进一步发现了PFAS所导致的与心脏毒性相关的功能及蛋白质水平变化[16]、[17]。在其他组织中的PFAS相关实验也观察到了转录组和表观遗传组的改变[18]、[19]。心室肥厚的特征为心肌肥大以及肌节功能障碍^[20]。基于这些发现，有必要研究PFOS相关心脏重构中的肌节相关分子特征。然而，目前很少有研究同时评估持续低剂量暴露、心脏结构变化以及潜在的分子反应。这一不足限制了对相关生物学现象的解释，也难以形成可验证的、针对心脏的特定假说。

因此，需要一种综合性的策略来识别不同生物学尺度上的候选分子事件。由于物种间的差异，很难直接从动物模型推导出结论^[21]。新方法学可以通过结合计算模型和其他化学评估手段，弥补动物实验的局限性[22]、[23]、[24]。跨物种的转录组分析已经发现了在不同组织和物种中都存在的、对PFAS有响应的基因和通路^[25]。有害作用途径框架可以整理来自不同生物学层面的证据，但其其中的关键事件关系仍需通过实验来验证^[26]。为此，我们采用了转录组筛选、可控泄漏的机器学习方法、结构模拟、跨物种心脏单细胞分析，以及分阶段的小鼠暴露研究。该研究的目的是确定与PFOS相关心脏重构相关的候选分子节点，并将这些多层面的观测结果整合为一个类似有害作用途径的假说。

章节要点

识别PFOS与心室肥厚的关联基因及功能富集分析

我们从比较毒理学数据库（CTD；http://ctdbase.org）中筛选出了与PFOS相关的基因（推断得分≥10），又从GeneCards（v5.12）中找到了与心室肥厚相关的基因（相关性得分≥5）。我们从GEO下载了心室肥厚的临床转录组数据集GSE36961（Affymetrix HGU133 Plus 2.0版本，包含106例心室肥厚病例和39例对照组样本），使用affy软件包（v1.78.0）通过RMA方法对数据进行标准化处理，再利用ComBat软件包（sva版本，v3.48.0）进行批次校正。最终确定了差异表达基因。

转录组数据整合后确定了39个PFOS与心室肥厚相关的基因

通过整合CTD中与PFOS相关的基因（共8,871个）、GeneCards中与心室肥厚相关的基因（共6,091个），以及GSE36961中的差异表达基因（共157个），我们找到了39个同时与两者相关的候选基因（见图1A）。GO分析显示，这些基因在炎症反应、外源物质应答过程以及细胞外基质相关成分方面存在显著富集（见图1B）。KEGG分析则揭示了JAK–STAT信号通路、脂质代谢与动脉粥样硬化通路，以及IL-17信号通路在这些基因中的作用（见图1C）。这些富集结果有助于我们了解

CRediT作者贡献说明

Xulei Zuo：可视化、软件应用。Shiyi Tan：软件应用、方法设计。Linlin Zhang：软件应用。Wei Wang：软件应用、方法设计。Rongli Sun：文章撰写与修改、研究指导。Qin Ding：软件应用、方法设计。Juan Zhang：文章撰写与修改、研究指导、数据整理。Yuepu Pu：文章撰写与修改、研究指导。Hao Gao：文章初稿撰写、软件应用、资源获取、方法设计。Li Ma：文章初稿撰写、软件应用。

备注：

所有作者均声明没有竞争性财务利益。

数据可用性

本研究中分析的转录组数据可从基因表达组学数据库（GEO）获取，对应的登录号为GSE36961和GSE180313。单细胞数据则来自TEDD平台（编号为Tedd.10和Tedd.29）。支持本研究结果的所有其他数据均包含在论文正文及补充信息中。

利益冲突声明

? 所有作者声明不存在可能被视为竞争性利益的财务利益或个人关系：Juan Zhang表示自己与东南大学公共卫生学院存在某种关系，具体为担任该学院的董事会成员。其他作者则声明自己没有可能影响本文研究结果的任何竞争性财务利益或个人关系。

Hao Gao|Li Ma|Shiyi Tan|Xulei Zuo|Wei Wang|Linlin Zhang|Qin Ding|Rongli Sun|Yuepu Pu|Juan Zhang

中国南京东南大学数字医学工程国家重点实验室，邮编211189