生信小課堂
研究背景：
骨關(guān)節(jié)炎(OA)是一種退行性相關(guān)關(guān)節(jié)炎，其特征為關(guān)節(jié)軟骨破壞、骨贅形成、滑膜炎和軟骨下骨硬化。骨性關(guān)節(jié)炎的患病率隨著人類預(yù)期壽命的延長(zhǎng)而增加。到2030年，骨性關(guān)節(jié)炎預(yù)計(jì)將成為65歲以上人群疼痛、殘疾和運(yùn)動(dòng)障礙的主要原因。滑膜炎被認(rèn)為是活動(dòng)能力受損、骨髓病變和關(guān)節(jié)疼痛的主要原因之?；ぱ装l(fā)生于OA的任何階段，其發(fā)病率隨著OA的進(jìn)展而增加。骨性關(guān)節(jié)炎患者脂代謝異常已引起越來(lái)越多的關(guān)注。此前，有報(bào)道稱健康人與OA患者滑液中脂質(zhì)代謝物存在明顯的異質(zhì)性。花生四烯酸(AA)是最關(guān)鍵的脂質(zhì)代謝產(chǎn)物之一，在OA滑液中降低?；ㄉ南┧?AA)代謝障礙導(dǎo)致OA滑膜炎。然而，滑膜AA代謝通路(AMP)相關(guān)基因?qū)A的影響尚不清楚。
流程圖：
花生四烯酸代謝相關(guān)基因在骨關(guān)節(jié)炎診斷和滑膜免疫中的綜合分析流程圖
研究結(jié)果
一、OA中AMP基因上調(diào)
1、在去除三個(gè)OA滑膜相關(guān)數(shù)據(jù)集(GSE12021, GSE29746, GSE55235)之間的批處理效應(yīng)后得到了一個(gè)包含30個(gè)OA和30個(gè)CT基因表達(dá)譜樣本的集成數(shù)據(jù)庫(kù)。OA滑膜組織中AMP相關(guān)基因表達(dá)水平明顯上調(diào)(p=0.031)(圖2A)。
2、圖2B顯示OA滑膜中7個(gè)AMP相關(guān)基因上調(diào)，6個(gè)AMP相關(guān)基因下調(diào)。
3、OA組和CT組AMP基因表達(dá)呈現(xiàn)明顯的異質(zhì)性(圖2C)。
二、AMP 5個(gè)樞紐基因的鑒定
1、為了進(jìn)一步探討AMP基因在OA滑膜中的重要性，使用隨機(jī)森林分析和SVM-RFE算法對(duì)AMP相關(guān)基因的重要性進(jìn)行排序。兩種探測(cè)方法得到的前10個(gè)基因的交集被確定為AMP的指定樞紐基因(圖3A)。
2、基于單變量logistic回歸結(jié)果，將這些指定的樞紐基因納入nomogram(圖3B)構(gòu)建和ROC(圖3C)分析，以探索其作為OA患者診斷標(biāo)志物的潛力。
3、ROC (AUC=0.979)、校準(zhǔn)(圖3D)和DCA分析(圖3E)的結(jié)果表明，nomogram模型具有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力和臨床有效性。
4、nomogram模型比單個(gè)指定基因顯示出更大的診斷價(jià)值(圖3E)。
5、使用一個(gè)外部驗(yàn)證數(shù)據(jù)集(GSE55457)來(lái)驗(yàn)證OA組和CT組之間7個(gè)樞紐基因的差異表達(dá)。
6、如圖3所示，7個(gè)被提名hub基因的表達(dá)趨勢(shì)中，有5個(gè)表達(dá)與訓(xùn)練隊(duì)列中的表達(dá)趨勢(shì)一致，ITC4、PTGS2、MAPKAPK2、CBR1、PTGS1在圖4中。
三、骨性關(guān)節(jié)炎滑膜中與IME相關(guān)的hub基因的表達(dá)
1、如圖5所示，MAPKAPK2的表達(dá)與22種免疫細(xì)胞浸潤(rùn)中的5種、24種炎癥因子中的8種顯著相關(guān)，與髓系樹(shù)突狀細(xì)胞豐度呈負(fù)相關(guān)。
四、年齡、性別、免疫特征在三組間的比較
1、基于5個(gè)樞紐基因的表達(dá)，使用共識(shí)聚類分析將OA患者分為3個(gè)聚類(圖6A)。
2、在三個(gè)聚類中觀察到5個(gè)樞紐基因表達(dá)的顯著異質(zhì)性(圖6B)。
3、與聚類1和聚類3相比，聚類2中老年OA患者更多(圖6C)。
4、5個(gè)樞紐基因在所有聚類中均表現(xiàn)出較強(qiáng)的OA預(yù)測(cè)能(圖6D)。
5、性別在三個(gè)組中沒(méi)有差異(圖6E)。
6、MAPKAPK2、PTGS2、IL-6、內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)上調(diào)，PTGS1、CRB1、TNF、CSF2、單核細(xì)胞和B細(xì)胞在聚類2中下調(diào)(圖7A-C)。
五、共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的建立
1、基于最優(yōu)動(dòng)態(tài)樹(shù)切割和層次聚類，以3個(gè)亞型為特征，篩選出所有具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的共表達(dá)模塊(圖8A, B)。
2、選取與各聚類相關(guān)度最高的WGCNA模塊進(jìn)行GO/KEGG富集分析。發(fā)現(xiàn)簇1與TNF信號(hào)通路負(fù)相關(guān)(圖8C)，簇2與活性氧(ROC)代謝過(guò)程正相關(guān)(圖8D)，簇3主要與含膠原蛋白的細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)(圖8E)。
六、單細(xì)胞分析再次表明AA代謝與OA滑膜免疫相互作用
1、從GSE152815數(shù)據(jù)集中獲得兩個(gè)OA樣本的2485個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)譜。
2、如圖9A和圖9B所示，測(cè)序?qū)z測(cè)到的基因數(shù)量、所選數(shù)據(jù)的歸一化進(jìn)行分析。
3、選擇前2000個(gè)高變異基因進(jìn)行進(jìn)一步分析(圖9B)。
4、使用“RunPCA”函數(shù)降維，識(shí)別出9個(gè)聚類(圖9C, D)。
5、每個(gè)聚類的前10個(gè)標(biāo)記基因，每個(gè)聚類的前5個(gè)標(biāo)記基因見(jiàn)熱圖(圖9E)。
6、使用“Single R”對(duì)功能或細(xì)胞注釋，5種細(xì)胞類型(成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、B細(xì)胞、DC和T細(xì)胞)被注釋并顯示(圖9F)。
7、圖10A顯示了AMP hub基因在不同細(xì)胞類型中的分布和表達(dá)與其他免疫細(xì)胞類型相比，hub基因在巨噬細(xì)胞中表達(dá)較高。
8、AA代謝在OA細(xì)胞中的評(píng)分采用AUCell分析，其中以纖維母細(xì)胞評(píng)分最高，其次為巨噬細(xì)胞和B細(xì)胞(圖10B, C)。
9、AHscore在OA細(xì)胞中的分布和水平與AA代謝相似，評(píng)分范圍從纖維母細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、B細(xì)胞、DC到T細(xì)胞。(圖10D, E)。
10、對(duì)得分高組和低組的DEG進(jìn)行GSEA富集分析。在巨噬細(xì)胞簇中，標(biāo)志性的炎癥相關(guān)通路如凋亡、炎癥反應(yīng)和TGF_BETA_SIGNALING顯著上調(diào)(圖10F)。
11、AHscore高組和低組之間的DEGs在AA代謝和免疫相關(guān)通路中高度富集，如AA代謝、細(xì)胞因子受體相互作用、產(chǎn)生IGA的腸道免疫網(wǎng)絡(luò)和MAPK信號(hào)通路(圖10G, H)。
總結(jié)：
在本文中應(yīng)用bulk RNA-seq和scRNA-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，發(fā)現(xiàn)所識(shí)別的樞紐基因與OA滑膜的IME密切相關(guān)。OA滑膜中AMP相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，并鑒定出7個(gè)樞紐基因(ltc4、PTGS2、PTGS1、MAPKAPK2、CBR1、PTGDS和CYP2U1)。結(jié)合已鑒定的hub基因的診斷模型對(duì)OA診斷具有較好的臨床有效性(AUC=0.979)。此外，還發(fā)現(xiàn)hub基因表達(dá)、免疫細(xì)胞內(nèi)侵和炎癥細(xì)胞因子水平之間存在顯著相關(guān)性?；趕cRNA測(cè)序數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)hub基因在巨噬細(xì)胞和B細(xì)胞中表達(dá)相對(duì)高于其他免疫細(xì)胞。此外，巨噬細(xì)胞中炎癥相關(guān)通路顯著富集。這些結(jié)果表明AMP相關(guān)基因與OA滑膜信息的改變密切相關(guān)。樞紐基因的轉(zhuǎn)錄水平可作為骨性關(guān)節(jié)炎的潛在診斷標(biāo)志。
