类风湿关节炎脂肪酸代谢相关基因的生物信息学鉴定与验证

doi:10.12307/2024.544

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (32): 5116-5121.doi: 10.12307/2024.544

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类风湿关节炎脂肪酸代谢相关基因的生物信息学鉴定与验证

陆晓铃1，刘斌1，徐斌1，2

1School of Basic Medicine, Anhui Medical University, Hefei 230000, Anhui Province, China; 2Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230000, Anhui Province, China

收稿日期:2023-08-21 接受日期:2023-11-04 出版日期:2024-11-18 发布日期:2023-12-28
通讯作者: 徐斌，主任医师，博士生导师，安徽医科大学第一附属医院骨科，安徽省合肥市 230000
作者简介:陆晓铃，女，1999年生，安徽医科大学在读硕士，主要从事骨关节炎方面的研究。
基金资助:
安徽省自然基金课题(1808085MH243)，项目负责人：徐斌

Bioinformatics identification and validation of genes related to fatty acid metabolism in rheumatoid arthritis

Lu Xiaoling1, Liu Bin1, Xu Bin1, 2

1安徽医科大学基础医学院，安徽省合肥市 230000；2安徽医科大学第一附属医院骨科，安徽省合肥市 230000

Received:2023-08-21 Accepted:2023-11-04 Online:2024-11-18 Published:2023-12-28
Contact: Xu Bin, Chief physician, Doctoral supervisor, School of Basic Medicine, Anhui Medical University, Hefei 230000, Anhui Province, China; Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230000, Anhui Province, China
About author:Lu Xiaoling, Master candidate, School of Basic Medicine, Anhui Medical University, Hefei 230000, Anhui Province, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Anhui Province, No. 1808085MH243 (to XB)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

类风湿关节炎：一种病因尚未明确的自身免疫性疾病，主要表现为滑膜慢性炎症、手及足小关节对称性肿胀、软骨破坏，进而导致关节功能丧失。
脂肪酸代谢：能量稳态所必需的合成代谢和分解代谢过程，维持细胞膜结构和功能、能量储存和细胞信号传递所需代谢中间体的形成，脂肪酸代谢对于细胞能量产生、储存、细胞膜组成、信号分子的产生具有重要意义。

背景：研究表明，脂肪酸代谢基因与类风湿关节炎发展紧密相关，因此基于脂肪酸代谢基因探索类风湿关节炎发病进展具有重要的临床意义。

目的：探究脂肪酸代谢基因是否可以作为预测类风湿关节炎进展的可靠生物标志物。
方法：从基因表达综合数据库(GEO)下载与滑膜组织相关的基因数据，应用STRING构建蛋白质-蛋白质相互作用网络分析，对其使用Cytoscape进行生物学注释(GO基因本体论)和信号通路富集分析(KEGG京都基因与基因组百科全书)。从分子特征数据库(MSigDB)筛选脂肪酸代谢相关基因，使用套索算法和支持向量机的递归特征消除算法筛选潜在生物标志物。通过CIBERSORT算法评估正常人和类风湿关节炎患者的免疫细胞浸润水平。最后，在GSE77298使用受试者工作特征曲线验证脂肪酸代谢相关基因的表达水平。

结果与结论：①确定了361个类风湿关节炎差异表达基因，其中13个与报告的脂肪酸代谢相关基因重叠；②基于机器学习算法筛选出5个基因，受试者工作特征曲线显示有5个基因(PCK1、PDK1、PTGS2、PLA2G2D、DPEP2)可以预测类风湿关节炎的发展；③CIBERSORT算法结果表明上述5个基因和活化肥大细胞、中性粒细胞、静息肥大细胞、记忆性静息CD4+ T细胞浸润水平密切相关；④受试者工作特征曲线显示，PLA2G2D和PCK1具有较高的诊断价值；⑤提示脂肪酸代谢相关基因表达特征可作为预测类风湿关节炎临床结果的潜在生物标志物，可进一步提高类风湿关节炎预测的准确性。

https://orcid.org/0000-0002-3498-3733(陆晓铃)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 类风湿关节炎, 脂肪酸代谢相关基因, 差异表达基因, 生物标志物, 生物信息学分析

Abstract: BACKGROUND: Research has shown that fatty acid metabolism genes are closely related to the development of rheumatoid arthritis. Therefore, exploring the progression of rheumatoid arthritis based on fatty acid metabolism genes is of clinical significance.
OBJECTIVE: To investigate whether fatty acid metabolism genes can serve as reliable biomarkers for predicting the progression of rheumatoid arthritis.
METHODS: Gene data related to synovial tissue were downloaded from the Gene Expression Comprehensive Database (GEO). STRING was used to construct the protein-protein interaction network analysis. Cytoscape was utilized for biological annotation (gene ontology) and signaling pathway enrichment analysis (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes). Fatty acid metabolism related genes were screened from the molecular feature database (MSigDB). Least absolute shrinkage and selection operator and support vector machine recursive feature elimination feature were used to screen for potential biomarkers. Immune cell infiltration levels in normal individuals and rheumatoid arthritis patients were assessed using the CIBERSORT algorithm. Finally, the expression levels of fatty acid metabolism related genes were verified using the receiver operating characteristic curve in GSE77298.
RESULTS AND CONCLUSION: 361 differentially expressed genes in rheumatoid arthritis were identified, of which 13 overlapped with the reported fatty acid metabolism related genes. Based on machine learning algorithms, five genes were selected, and the receiver operating characteristic curve showed that five genes (PCK1, PDK1, PTGS2, PLA2G2D, and DPEP2) could predict the development of rheumatoid arthritis. The CIBERSORT algorithm results showed that five genes were associated with activated mast cells, neutrophils, resting mast cells, and memory resting CD4+ T cells. The receiver operating characteristic curve showed that PLA2G2D and PCK1 have high diagnostic value. To conclude, the expression characteristics of fatty acid metabolism related genes can serve as potential biomarkers for predicting clinical outcomes, which can further improve the accuracy of prediction in RA patients.

Key words: rheumatoid arthritis, fatty acid metabolism related genes, differentially expressed gene, biomarker, bioinformatics analysis

中图分类号:

陆晓铃, 刘斌, 徐斌. 类风湿关节炎脂肪酸代谢相关基因的生物信息学鉴定与验证[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(32): 5116-5121.

Lu Xiaoling, Liu Bin, Xu Bin. Bioinformatics identification and validation of genes related to fatty acid metabolism in rheumatoid arthritis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(32): 5116-5121.

图/表（结果） 6

2.1 内部数据集中差异表达基因的鉴定将来自数据集GSE55235和GSE55457的微阵列数据组合作为内部数据集，包括20个正常样本和23个类风湿关节炎样本，检测到361个差异表达基因，其中249个上调，112个下调(图1A)。用STRING数据库构建一个由已识别的差异表达基因组成的蛋白质-蛋白质相互作用网络，使用Cytoscape软件中的MCC模式，筛选得分前75的基因(图1B)，颜色越深代表联系越密切，由图可知CD8A和PTPRC这2个基因联系最为紧密。使用GO和KEGG富集分析差异表达基因功能，采用生物过程、细胞成分和分子功能3种方法来描述GO分析。生物过程结果显示差异表达基因主要富集与免疫反应相关的生物活性(图2A)，细胞成分结果显示差异表达基因主要是质膜和免疫突触(图2B)，分子功能结果显示差异表达基因与蛋白质结合和趋化因子受体结合密切相关(图2C)。KEGG结果表明，差异表达基因富含细胞因子-细胞因子受体相互作用和趋化因子信号通路(图2D)。

2.2 选择特征基因从MSigDB数据库中收集464个脂肪酸代谢相关基因。韦恩图显示MsigDB的脂肪酸代谢相关基因与类风湿关节炎差异表达基因的交叉点共有13个(图3A)。通过LASSO算法筛选出13个对类风湿关节炎有很大影响的脂肪酸代谢基因中鉴定了9个特征基因(图3B，C)。使用SVM-RFE算法鉴定5个基因为类风湿关节炎的诊断标志物(图3D)。交叉后，最终鉴定出5个共同的特征基因，即PCK1、PDK1、PTGS2、PLA2G2D、DPEP2(图3E)。结果发现与正常组样本相比，类风湿关节炎患者PDK1、PLA2G2D和DPEP2表达升高，PCK1和PTGS2表达降低(图3F)。进一步研究5个基因特征的ROC，以预测5个特征基因诊断类风湿关节炎疾病的准确性。特征基因ROC曲线的曲线下面积值DPEP2为0.736(图4A)，PCK1为0.813(图4B)，PDK1为0.766(图4C)，PLA2G2D为0.838(图4D)，PTGS2为0.812(图4E)。结果显示，5个基因特征具有相当好的预测效果。

2.3 脂肪酸代谢相关基因与免疫的关系 CIBERSORT算法用于确定两组样本之间不同免疫细胞浸润水平的差异，通过堆叠直方图显示每个样本中22种免疫细胞类型的丰度分布(图5A)，不同的颜色代表不同类型的免疫细胞，每种颜色的高度表示样品中细胞的百分比，百分比之和为1。箱式图中红色代表正常样本，蓝色代表类风湿关节炎样本(图5B)，结果显示类风湿关节炎滑膜通常含有更高比例的静息肥大细胞(P < 0.01)和中性粒细胞(P < 0.05)，而正常滑膜含有更高比率的记忆性静息CD4+ T细胞(P < 0.05)和活化肥大细胞(P < 0.01)。同时计算免疫细胞含量与脂肪酸代谢相关基因之间的相关性，结果表明DPEP2(r=-0.55，P=0.000 12)、PDK1(r=-0.41，P=0.006 5)、PLA2G2D(r=-0.52，P=0.000 038)与活化的肥大细胞呈负相关；PTGS2与活化肥大细胞呈正相关(r=0.62，P=7.5×10-6)；DPEP2与静息肥大细胞正相关(r=0.4，P=0.007 9)，与记忆性静息CD4+ T细胞(r=0.51，P=0.000 55)呈负相关；PDK1与记忆性静息CD4+ T细胞呈负相关(r=-0.46，P=0.002 2)，见图5C-K。这些结果表明特征基因与类风湿关节炎患者的免疫细胞浸润水平密切相关。

2.4 外部数据集中FAMRG的验证为了验证FAMRG是否具有预测意义，对收集GSE77298的数据进行独立验证。GSE77298包括7个正常样本和16个类风湿关节炎样本，结果表明几乎所有的脂肪酸代谢基因都在体内表达(图6A)，同时，不同基因之间存在一定程度的相关性(图6B)。最后，使用ROC曲线来预测PLA2G2D和PCK1，结果显示PLA2G2D基因ROC曲线的曲线下面积值为0.926，DPEP2基因ROC曲线的曲线下面积值为0.715，因此PLA2G2D和PCK1基因信号具有良好的预测效果(图6C，D)。

参考文献

[1] SCHERER HU, HÄUPL T, BURMESTER GR. The etiology of rheumatoid arthritis. J Autoimmun. 2020;110:102400.
[2] 汤纪丰,俞子晴,林锦骠. 致病性Th17细胞在类风湿关节炎中的研究进展[J].中国免疫学杂志,2023,39(4):865-870.
[3] SPARKS JA. Rheumatoid Arthritis. Ann Intern Med. 2019;170(1):ITC1-ITC16.
[4] ZHAO J, GUO S, SCHRODI SJ, et al. Molecular and Cellular Heterogeneity in Rheumatoid Arthritis: Mechanisms and Clinical Implications. Front Immunol. 2021;12:790122.
[5] AKIYAMA M, KANEKO Y. Pathogenesis, clinical features, and treatment strategy for rheumatoid arthritis-associated interstitial lung disease. Autoimmun Rev. 2022;21(5):103056.
[6] RODGERS LC, COLE J, RATTIGAN KM, et al. The rheumatoid synovial environment alters fatty acid metabolism in human monocytes and enhances CCL20 secretion. Rheumatology(Oxford). 2020;59(4):869-878.
[7] YAO Y, CAI X, ZHENG Y, et al. Short-chain fatty acids regulate B cells differentiation via the FFA2 receptor to alleviate rheumatoid arthritis. Br J Pharmacol. 2022;179(17):4315-4329.
[8] TAKALA R, RAMJI DP, ANDREWS R, et al. Anti-inflammatory and immunoregulatory effects of pinolenic acid in rheumatoid arthritis. Rheumatology (Oxford). 2022;61(3):992-1004.
[9] HUANG Z, LUO R, YANG L, et al. CPT1A-Mediated Fatty Acid Oxidation Promotes Precursor Osteoclast Fusion in Rheumatoid Arthritis. Front Immunol. 2022;13:838664.
[10] SIGAUX J, BELLICHA A, BUSCAIL C, et al. Serum Fatty Acid Profiles Are Associated with Disease Activity in Early Rheumatoid Arthritis: Results from the ESPOIR Cohort. Nutrients. 2022;14(14):2947.
[11] SCHÖNENBERGER KA, SCHÜPFER AC, GLOY VL, et al. Effect of Anti-Inflammatory Diets on Pain in Rheumatoid Arthritis: A Systematic Review and Meta-Analysis. Nutrients. 2021;13(12):4221.
[12] IMAS JJ, RUIZ ZAMARREÑO C, ZUBIATE P, et al. Optical Biosensors for the Detection of Rheumatoid Arthritis (RA) Biomarkers: A Comprehensive Review. Sensors (Basel). 2020;20(21):6289.
[13] KONDO N, KURODA T, KOBAYASHI D. Cytokine Networks in the Pathogenesis of Rheumatoid Arthritis. Int J Mol Sci. 2021;22(20):10922.
[14] FINCKH A, GILBERT B, HODKINSON B, et al. Global epidemiology of rheumatoid arthritis. Nat Rev Rheumatol. 2022;18(10):591-602.
[15] DEANE KD, HOLERS VM. Rheumatoid arthritis pathogenesis, prediction, and prevention: An emerging paradigm shift. Arthritis Rheumatol. 2021;73: 181-193.
[16] ZHOU S, LU H, XIONG M. Identifying Immune Cell Infiltration and Effective Diagnostic Biomarkers in Rheumatoid Arthritis by Bioinformatics Analysis. Front Immunol. 2021;12:726747.
[17] ZHAO Z, REN J, XIE S, et al. Identification of biomarkers associated with CD8+ T cells in rheumatoid arthritis and their pan-cancer analysis. Front Immunol. 2022;13:1044909.
[18] NIU D, CHEN Y, MI H, et al. The epiphany derived from T-cell-inflamed profiles: Pan-cancer characterization of CD8A as a biomarker spanning clinical relevance, cancer prognosis, immunosuppressive environment, and treatment responses. Front Genet. 2022;13:974416.
[19] AL BARASHDI MA, ALI A, MCMULLIN MF, et al. Protein tyrosine phosphatase receptor type C (PTPRC or CD45). J Clin Pathol. 2021;74(9):548-552.
[20] WU X, LIU Y, JIN S, et al. Single-cell sequencing of immune cells from anticitrullinated peptide antibody positive and negative rheumatoid arthritis.Nat Commun. 2021;12(1):4977.
[21] SATO H, TAKETOMI Y, MIKI Y, et al. Secreted Phospholipase PLA2G2D Contributes to Metabolic Health by Mobilizing ω3 Polyunsaturated Fatty Acids in WAT. Cell Rep. 2020;31(5):107579.
[22] XIA W, XIE L, CAO B, et al. Genes involved in leukotriene synthesis pathway are dynamically regulated during lung development in Rhesus monkeys. Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids. 2017;122:1-6.
[23] BICKFORD JS, MUELLER C, NEWSOM KJ, et al. Effect of allergy and inflammation on eicosanoid gene expression in CFTR deficiency. J Cyst Fibros. 2013;12(3):258-265.
[24] LI R, PENG X, WU Y, et al. Exposure to PM during pregnancy causes lung inflammation in the offspring: Mechanism of action of mogrosides. Ecotoxicol Environ Saf. 2021;228:112955.
[25] LI C, TAO Y, CHEN Y, et al. Development of a metabolism-related signature for predicting prognosis, immune infiltration and immunotherapy response in breast cancer. Am J Cancer Res. 2022;12(12):5440-5461.
[26] DONG Y, ZHAO Z, SIMAYI M, et al. Transcriptome profiles of fatty acid metabolism-related genes and immune infiltrates identify hot tumors for immunotherapy in cutaneous melanoma. Front Genet. 2022;13:860067.
[27] YE Q, LIU Y, ZHANG G, et al. Deficiency of gluconeogenic enzyme PCK1 promotes metabolic-associated fatty liver disease through PI3K/AKT/PDGF axis activation in male mice. Nat Commun. 2023;14(1):1402.
[28] SHEN Q, ZHONG YT, LIU XX, et al. Platycodin D ameliorates hyperglycaemia and liver metabolic disturbance in HFD/STZ-induced type 2 diabetic mice. Food Funct. 2023;14(1):74-86.
[29] KO CW, COUNIHAN D, WU J, et al. Macrophages with a deletion of the phosphoenolpyruvate carboxykinase 1 (Pck1) gene have a more proinflammatory phenotype. J Biol Chem. 2018;293(9):3399-3409.
[30] LEE KH, KRONBICHLER A, PARK DD, et al. Neutrophil extracellular traps (NETs) in autoimmune diseases: A comprehensive review. Autoimmun Rev. 2017;16(11):1160-1173.
[31] VERMA ND, LAM AD, CHIU C, et al. Multiple sclerosis patients have reduced resting and increased activated CD4+CD25+FOXP3+T regulatory cells. Sci Rep. 2021;11(1):10476.

引言

类风湿关节炎是一种滑膜炎症的慢性自身免疫性疾病[1-2]，主要病理特征是滑膜炎症、关节肿胀、软骨组织破坏并进一步损害关节功能[3-4]。类风湿关节炎伴有多种并发症，包括心血管疾病、肺间质病变，目前其发病机制尚不明确且复杂，可能与遗传、环境和免疫等多种因素有关[5]。因此，探索类风湿关节炎的诊断生物标志物并揭示其免疫机制是治疗的关键。
最近，在类风湿关节炎患者中观察到脂肪酸代谢的显著变化，这表明脂肪酸代谢变化在类风湿关节炎的发病机制中起着重要作用[6]。有研究表明，短链脂肪酸通过游离脂肪酸2受体调节B细胞分化，缓解类风湿关节炎[7]，来自松子的一种ω-6多不饱和脂肪酸皮诺酸，在类风湿关节炎中起抗炎作用[8]。破骨细胞过度形成会导致关节破坏，有研究表明CpT1A介导的脂肪酸氧化可促进类风湿关节炎前体破骨细胞的融合[9]，缓解病程。另一方面，ESPOIR队列的分析发现，血清脂肪酸谱与早期类风湿性关节病的疾病活动性相关[10]。因此，靶向脂肪酸代谢是治疗类风湿关节炎的一种创新方法。抗炎饮食包括富含ω-3脂肪酸的饮食，可以有效缓解类风湿关节炎的疼痛[11]。然而，脂肪酸代谢相关基因在类风湿关节炎发病机制中的作用尚不清楚，这些基因的预后意义尚待阐明。
此次研究中旨在分析对照样品和类风湿关节炎样品之间的脂肪酸代谢相关差异表达基因，对差异表达基因进行基因本体论(gene ontology，GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Gnomes，KEGG)富集分析。使用套索算法(least absolute shrinkage and selection operator，LASSO)鉴定出9个基因，利用支持向量机的递归特征消除算法(support vector machine recursive feature elimination feature，SVM-RFE)鉴定出5个特征基因，将两个结果取交集，通过最终得到的5个脂肪酸基因，建立风险评分预后模型。受试者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲线表明，5个关键基因具有良好的诊断特性。考虑到免疫系统在类风湿关节炎中的作用，使用CIBERSORT分析类风湿关节炎中的免疫浸润，并分析脂肪酸代谢相关基因与免疫细胞之间的相关性，从而为理解类风湿关节炎发病的分子基础提供新的见解，为类风湿关节炎的靶向治疗提供一种新的方法，并促进类风湿关节炎患者个性化治疗的发展。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1.1 设计生物信息学实验。
1.2 时间及地点实验于2023年3-7月在安徽医科大学基础医学院完成。
1.3 方法
1.3.1 类风湿关节炎与脂肪酸代谢相关基因相关数据筛选从GEO数据库(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)检索与类风湿关节炎相关的数据集，下载GSE55235、GSE55457和GSE77298。GSE55235和GSE55457基因表达在GPL96平台上进行，GSE82107的基因表达在GPL570平台上进行，一共包含20个正常人的滑膜样本和23个类风湿关节炎患者的滑膜样本。从分子表征数据库(MSigDB，https://www.gsea-msigdb.org/gsea/msigdb)下载12个FAMRG相关基因集，删除重叠基因后，纳入464个脂肪酸代谢相关基因进行分析。
1.3.2 蛋白质相互作用及富集分析差异表达基因的功能交互使用STRING在线数据库(https://cn.string-db.org/)进行注释，筛选阈值大于0.4，剔除孤立点。Cytoscape软件用于可视化蛋白质-蛋白质相互作用网络。基于Cytoscape中的分子复合物检测算法选择前75个枢纽基因，对相关基因采用GO功能和KEGG通路富集分析。GO功能分析包括细胞组分、分子功能和生物过程；通过KEGG富集相关基因之间的通路信息。
1.3.3 类风湿关节炎相关脂肪酸代谢差异表达基因的鉴定使用R包“limma”进行差异基因分析，以确定整合数据集中患病样本和对照样本之间的差异基因，通过交叉差异表达基因和脂肪酸代谢基因鉴定差异表达的脂肪酸代谢相关基因。
1.3.4 特征生物标志物筛选使用R软件包glmnet进行LASSO回归分析和SVM-RFE 算法进行验证，以预测类风湿关节炎的可能性，获得与类风湿关节炎相关的特征基因。风险评分=[(基因1×β1的表达值)+(基因2×β2的表达值)]。使用校准曲线将预期值与标准值进行比较；使用决策曲线分析确定基于模型的决策是否对患者有益，并绘制临床影响曲线。
1.3.5 两个危险组的免疫细胞浸润和免疫相关功能分析采用CIBERSORT对2个危险组的22种免疫细胞进行检测。CIBERSORT是一种反卷积方法，通过基因表达profifile评估组织的免疫细胞组成，应用线性支持向量回归反卷积基因表达的混合物。
1.4 主要观察指标差异表达基因的生物学信息分析。
1.5 统计学分析 Shapiro-Wilk检验用于验证数据的正态性，Levene检验用于评估方差的同质性；Student t检验用于评估具有方差同质性的正态分布数据的差异；当方差的正态性或同质性不满足时，使用Wilcoxon秩和检验。使用SPSS版本21.0(IBM Corp.，Armonk，NY，USA)进行统计分析，统计学意义为P < 0.05。该文统计学方法已经安徽医科大学生物学统计学专家审核。

讨论

类风湿关节炎是一种主要影响关节的系统性自身免疫性疾病，以滑膜炎、关节疼痛为特征，并最终侵蚀软骨和破坏骨骼，严重者可导致永久残疾。尽管类风湿关节炎的治疗取得一定进展，但该疾病是以复发和缓解的持续模式为临床特征。因此，迫切需要更多新的免疫相关生物标志物进行鉴定，这些生物标志物类风湿关节炎的诊断、治疗和预后至关重要[12-15]。
此次研究中，从NCBI-GEO数据库下载健康和类风湿关节炎患者滑膜组织的基因表达谱；标准化后，筛选出差异表达的基因，并在此基础上进行GO和KEGG富集分析；此外，应用机器学习算法进一步筛选类风湿关节炎中与脂肪酸代谢相关的基因，并通过验证集进行验证；最后，分析选定与脂肪酸代谢相关的基因与免疫细胞之间的相关性。通过生物信息学综合分析，鉴定出13个与脂肪酸代谢相关的差异表达基因。
通过蛋白质-蛋白质相互作用可知CD8A和PTPRC两个核心基因，CD8A主要参与免疫防御和T细胞发育[16]，在癌症早期和各种免疫反应中状态下活跃，是多种癌症和炎症的诊断和预后标志物，能够反映T细胞炎症。CD8A被视为免疫浸润指标，与肿瘤微环境密切相关，通过P13K/AKT通路调节各种癌症[17]。PTPRC是白细胞共同抗原，亦被称为CD45[18]，是蛋白酪氨酸磷酸酶受体C型。CD45是调节免疫信号的重要成分，通过调节淋巴细胞存活、细胞因子反应和T细胞受体传导来控制免疫功能，CD45改变可能导致严重的免疫缺陷，主要是通过细胞之间相互接触调节T细胞活化[19]。在类风湿关节炎患者中，T细胞参与发病早期阶段[20]，分泌肿瘤坏死因子促进滑膜关节中的巨噬细胞活化，释放各种促炎因子，导致细胞外基质破坏。CD8A与PTPRC都参与T细胞调节，因此这两个靶点很有可能参与类风湿关节炎脂肪酸代谢调节活动。
在此次研究中，比较正常人和类风湿关节炎患者的差异表达基因，并进行GO和KEGG分析，生物过程富集与免疫反应相关的生物活性；细胞组分主要是质膜和免疫突触；分子功能主要是蛋白质结合和趋化因子受体结合密切相关。KEGG结果表明，差异表达基因富含细胞因子-细胞因子受体相互作用和趋化因子信号通路。有研究表明，细胞因子和趋化因子参与全身性炎症疾病，类风湿关节炎患者血浆中趋化因子升高，释放大量炎症因子，从而导致关节疼痛肿胀等临床症状。在此次研究中，类风湿关节炎样本的免疫应答强于正常样本，同时差异表达基因主要富集在免疫系统中，表明类风湿关节炎滑膜具有较强的免疫激活表现和信号传导。
机器学习算法(LASSO和SVM-RFE)筛选出5个中枢基因，即PCK1、PDK1、PTGS2、PLA2G2D和DPEP2。将两组样本进行免疫浸润比较，结果表明类风湿关节炎滑膜通常含有更高比例的静息肥大细胞和中性粒细胞，而正常滑膜含有更高比率的记忆性静息CD4+ T细胞和活化肥大细胞，同时比较单个基因与免疫细胞的相关性，发现DPEP2、PDK1、PLA2G2D与活化的肥大细胞呈负相关，PTGS2与活化肥大细胞呈正相关；DPEP2与静息肥大细胞正相关，与记忆性静息CD4+ T细胞呈负相关；PDK1与记忆性静息CD4+ T细胞呈负相关。结果表明特征基因与类风湿关节炎患者的免疫细胞浸润水平密切相关。
为了寻找在临床应用中具有较高诊断价值的标志物，在滑膜组织(GSE77298)中进行验证，最终，只有PLA2G2D和PCK1通过验证。PLA2G2D编码磷脂酶A2家族的一个分泌成员，在染色体1上的一簇相关家族成员中发现，磷脂酶A2家族成员水解甘油磷脂的sn-2脂肪酸酯键产生溶血磷脂和游离脂肪酸[21]，该基因可能参与炎症和免疫反应，以及与慢性阻塞性肺病相关的体质量减轻[22]。一项研究表明，在烟曲霉提取物诱导的炎症反应中，PLA2G2D的水平增加[23]，PLA2G2D mRNA水平在肺部炎症中显著增加[24]。同时，PLA2G2D近年来已被广泛用作癌症的预后标志物，有研究指出PLA2G2D可以预测癌症的预后[25]，其他研究结果显示PLA2G2D可以预测黑色素瘤的预后[26]。PCK1是糖异生调节的主要控制点，该基因编码的胞浆酶与GTP一起催化草酰乙酸盐形成磷酸烯醇丙酮酸盐，并释放二氧化碳和GDP[27]。对PCK1的研究主要集中在其对肝脏糖异生和脂肪生成的影响上，PCK1蛋白的缺失通过PI3K/AKT/PDGF轴促进代谢相关的脂肪肝疾病，在桔梗素D诱导的肝脏代谢紊乱中，PCK1调节肝脏糖原生成[28]。PCK1的缺失导致巨噬细胞转化为促炎表型，这表明Pck1在炎症反应中也起着重要作用[29]。此次研究结果表明，PLA2G2D和PCK1在类风湿关节炎的诊断和治疗中具有重要的研究价值，预计这2个基因将在研究中发挥新的作用。
随着疾病模型的建立和分子生物学技术的发展，感染、环境因素和免疫异常已被证明与类风湿关节炎发病机制密切相关。近年来对免疫因子的研究较多，不同的免疫细胞相互调节，形成复杂的网络，参与类风湿关节炎的发生和发展。此次研究结果表明，各种免疫细胞类型在不同组之间表现出不同的分布，确定类风湿关节炎的有效诊断生物标志物。类风湿关节炎滑膜通常含有更高比例的静息肥大细胞和中性粒细胞，而正常滑膜含有更高比例静息的CD4+ T记忆细胞和活化肥大细胞。中性粒细胞异常活化，会导致炎症和组织损伤，类风湿关节炎作为一种自身免疫性疾病其特征是中性粒细胞异常活化[30]。有研究表明，正常患者相较于多发性硬化患者CD4静息细胞增多[31]，但类风湿关节炎与静息的CD4+ T记忆细胞之间关系还需进一步研究。因而，此次研究可能为类风湿关节炎的诊断和免疫细胞分子机制提供一个新的视角。然而，此次研究还具有一定的局限性，首先，缺乏临床相关信息，包括疾病的活动性和治疗该疾病的药物使用情况；其次，该研究仅从基因转录组的角度进行，缺乏多组试验；最后，仅使用生物信息学方法进行数据分析，还需要随后的体内外验证实验，完善类风湿关节炎与脂肪酸代谢基因的相关性。
综上所述，脂肪酸代谢相关基因PLA2G2D和PCK1表达特征可作为预测类风湿关节炎进展的潜在生物标志物，可进一步提高类风湿关节炎预测的准确性。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

类风湿关节炎脂肪酸代谢相关基因的生物信息学鉴定与验证

Bioinformatics identification and validation of genes related to fatty acid metabolism in rheumatoid arthritis

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[1]	宋佳婷, 陈建敏, 王柯文, 黄蓝莹, 徐森明, 桂裕昌, 许建文. 创伤性脊髓损伤患者血清和尿液的代谢组学分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(在线): 1-6.
[2]	宋佳婷, 陈建敏, 王柯文, 黄蓝莹, 徐森明, 桂裕昌, 许建文. 创伤性脊髓损伤患者血清和尿液的代谢组学分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(32): 5085-5090.
[3]	李树栋, 梁学振, 骆帝, 李嘉程, 阎博昭, 李刚. 绝经后骨质疏松症潜在铁死亡及细胞焦亡相关诊断生物标志物[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(28): 4511-4515.
[4]	刘婧, 梁芳园, 李佳, 王华. 针刺治疗腹泻型肠易激综合征模型大鼠结肠黏膜差异蛋白质组学分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(26): 4129-4136.
[5]	徐铖菡, 禚汉杰, 柴旭斌, 黄勇, 张博文, 陈勤, 郝宇鹏, 栗林, 周英杰. 类风湿关节炎患者颈椎失稳发生率及相关因素的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(24): 3922-3929.
[6]	徐文飞, 明春玉, 梅其杰, 袁长深, 郭锦荣, 曾超, 段戡. 机器学习鉴定KDELR3作为骨关节炎缺氧特征基因的实验验证[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(21): 3431-3437.
[7]	高玉广, 钟洁, 黄德庆, 马玉娟, 廖煜雄, 刘琦琦. 急性脑出血模型大鼠脑组织中差异表达基因测序的验证及功能分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(20): 3182-3189.
[8]	刘宝方, 徐斌, 陈雷. 葛根汤治疗骨关节炎的网络药理学分析及动物实验验证[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(2): 193-199.
[9]	冉磊, 韩海慧, 徐博, 王建业, 沈军, 肖涟波, 施杞. 补骨脂-淫羊藿对类风湿关节炎抗炎机制的分子对接分析：动物实验验证[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(2): 208-215.
[10]	夏天, 李炳霖, 肖发源, 郑恩泽, 陈跃平. 类风湿关节炎铁死亡特征基因CeRNA网络构建及免疫表现[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(16): 2561-2567.
[11]	胡梦凡, 颜秋慧, 邓梦然, 梁美美, 梁亮, 易思思, 邓家刚, 运晨霞. 芒果苷抑制类风湿关节炎成纤维样滑膜细胞增殖、迁移及炎性因子的表达[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(11): 1690-1695.
[12]	梁学振, 骆帝, 李嘉程, 温明韬, 张建, 许波, 李刚. 激素性股骨头坏死中的PTGS2和STAT3：潜在铁死亡相关诊断生物标志物[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(36): 5898-5904.
[13]	齐雪, 李家慧, 朱远峰, 禹璐, 王鹏. α-突触核蛋白在帕金森病患者血清中的磷酸化修饰[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(35): 5577-5582.
[14]	李玉彤, 刘静淑, 李振. ChAT/α7nAChR/核因子κB信号途径在类风湿关节炎发病中的免疫调控[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(35): 5596-5602.
[15]	龙调玉, 包伦敏, 万秀方, 李红红, 张云东, 蒋红梅. 耐受性树突状细胞可抑制胶原诱导性关节炎大鼠脾脏细胞的焦亡[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(33): 5363-5369.