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肝脏缺血再灌注损伤中线粒体自噬相关基因的预测与肝内皮细胞异质性的揭示

作者及发表信息
本研究由遵义医科大学的Bochen Pan、Xuan Ma等团队完成，通讯作者为Jiawei Yang（yangjw@zmu.edu.cn）。研究以“Predicting mitophagy-related genes and unveiling liver endothelial cell heterogeneity in hepatic ischemia-reperfusion injury”为题，于2024年4月17日发表在*Frontiers in Immunology*（影响因子：7.3），文章编号为10.3389/fimmu.2024.1370647。

学术背景

研究领域与动机
肝脏缺血再灌注损伤（Hepatic Ischemia-Reperfusion Injury, HIRI）是肝移植和大型肝脏手术中的主要并发症，可导致术后肝功能衰竭甚至多器官功能衰竭。尽管已有研究探索了钙通道阻滞剂、腺苷受体激动剂等干预手段，但临床仍缺乏有效治疗靶点。线粒体自噬（mitophagy）作为选择性清除受损线粒体的关键机制，在HIRI中的作用尚不明确。本研究旨在通过多组学分析揭示线粒体自噬相关基因（Mitophagy-Related Genes, MRGs）在HIRI中的调控机制，并探索内皮细胞的异质性。

科学问题
HIRI的病理机制涉及氧化应激、炎症反应和线粒体功能障碍，但线粒体自噬如何参与这一过程尚未系统研究。此外，肝内皮细胞在HIRI中的异质性及其与免疫微环境的互作亦不清楚。

研究流程与方法

1. 数据整合与差异基因筛选

• 数据来源：从GEO数据库获取5个HIRI相关数据集（GSE23649、GSE112713等），整合44例HIRI样本和44例对照样本。
  
• 去批次处理：使用R包“sva”消除批次效应，通过PCA验证数据一致性（图2a-b）。
  
• 差异表达分析：利用“limma”包筛选出24个差异表达的MRGs（如MAP1LC3B上调，ULK1下调）（图2c-f）。
  

2. 关键基因鉴定与诊断模型构建

• 机器学习方法：结合随机森林（Random Forest）和支持向量机递归特征消除（SVM-RFE），筛选出8个核心MRGs（FUNDC1、VDAC1、MFN2、PINK1等）（图3a）。
  
• 模型验证：基于逻辑回归构建诊断模型，ROC曲线显示AUC达0.893（图3b），并通过1000次Bootstrap验证稳定性（图3c）。
  
• 实验验证：通过qPCR在L02肝细胞系中验证基因表达趋势（图3g），结果与生物信息学分析基本一致。
  

3. 免疫浸润与分子亚型分析

• 免疫关联：CIBERSORT和MCP-counter分析显示，8个核心MRGs与单核细胞系正相关，与B/T细胞负相关（图6a-b）。
  
• 患者分型：基于MRGs表达谱将HIRI患者分为3个亚型（Cluster 1-3），其中Cluster 3炎症因子（CSF1、TGFB3）显著上调（图4c-e）。
  
• 共表达网络：WGCNA分析发现棕色模块与Cluster 3显著相关，富集于“细胞死亡调控”等通路（图5e）。
  

4. 单细胞RNA测序与内皮细胞异质性

• 数据来源：分析GSE171539单细胞数据集，鉴定出7种细胞类型（图7a-b）。
  
• 内皮细胞异质性：HIRI组内皮细胞线粒体自噬评分显著高于对照组（图7c），进一步亚群分析揭示两类内皮细胞（图7d）。
  
• 细胞通讯：CellChat分析显示高线粒体自噬内皮细胞通过MIF通路与单核细胞互作（图8e）。
  

5. 转录调控机制

• SCENIC分析：鉴定出低自噬内皮细胞富集转录因子FOS/JUNB，而高自噬组偏好ELF1/XBP1（图9a-c）。
  

主要结果

1. MRGs的诊断价值：8个核心MRGs构成的模型可准确预测HIRI（AUC=0.893），实验验证支持其可靠性。
   
2. 免疫微环境调控：MRGs通过调节单核细胞和T细胞浸润影响HIRI进程。
   
3. 内皮细胞异质性：单细胞水平揭示内皮细胞存在功能亚群，高自噬亚群通过MIF和cGAS-STING通路加剧炎症。
   

结论与意义

科学价值
- 首次系统阐明了MRGs在HIRI中的调控网络，提出PINK1/MFN2等基因可能作为治疗靶点。
- 揭示了内皮细胞异质性在HIRI中的关键作用，为靶向干预提供了新视角。

应用前景
- 诊断模型可辅助临床早期识别高危患者。
- MIF和cGAS-STING通路的发现为开发抗HIRI药物提供了理论依据。

研究亮点

1. 多组学整合：结合bulk RNA-seq、单细胞测序和机器学习，全面解析MRGs的功能。
   
2. 技术创新：开发了基于UCell算法的线粒体自噬评分系统，适用于单细胞数据。
   
3. 临床转化潜力：诊断模型和通路发现可直接指导精准医疗。
   

局限性
- 样本量较小，需扩大队列验证。
- 未进行动物模型验证MRGs的体内功能。

此研究为HIRI的机制研究和治疗策略开发提供了重要参考。