研究思路与结果_单细胞和转录组测序数据的联合分析，识别了特发性肺动脉高压中关键的糖酵解基因

医小北同学

发布于 2026-01-26 18:28:51

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摘要

背景

异常糖酵解代谢在特发性肺动脉高压（IPAH）的肺血管重塑中起着至关重要的作用，但其具体的分子调控机制，特别是在细胞层面的异质性表现，目前尚不完全明确。

目的

本研究旨在通过联合分析单细胞转录组（scRNA-seq）和转录组（bulk RNA-seq）测序数据，识别调控IPAH糖酵解的关键细胞类型及核心调控基因，并验证其作为治疗靶点的潜力。

材料与方法

从GEO数据库下载IPAH患者的单细胞和Bulk测序数据。利用scMetabolism和AUCell量化单细胞层面的糖酵解活性并确定关键细胞类型；利用ssGSEA评估散样品的糖解活性。通过差异表达分析（DEGs）、加权基因共表达网络分析（WGCNA）和蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析识别关键基因。最后通过单角胺碱（MCT）诱导的大鼠肺动脉高压模型进行体内实验验证。

结果

单细胞分析显示IPAH患者糖解活性显著增加，且成纤维细胞是主要的调控细胞。研究最终鉴定出四个关键基因：IGF1、KARS、CASP3和CDKN2A。在IPAH样本中，IGF1、KARS和CASP3表达上调，而CDKN2A下调。这些结果在动物模型中得到了qPCR验证。

结论

本研究确认了IGF1、KARS、CASP3和CDKN2A是调控IPAH成纤维细胞糖酵解的关键基因，为开发针对IPAH代谢重塑的靶向疗法提供了新视角。

一、本文的研究思路

> 1、数据获取与预处理

从公共数据库（GEO）获取IPAH患者的单细胞和Bulk转录组数据，并进行标准化处理。

> 2、单细胞代谢谱表征

应用scMetabolism和AUCell算法对单细胞数据进行通路富集，识别糖酵解活性最显著的细胞亚群（鉴定为成纤维细胞）。

> 3、Bulk数据诊断效能评估

利用ssGSEA计算Bulk样本的糖酵解评分，并通过ROC曲线验证该评分区分IPAH与正常组的诊断效力。

> 4、基因模块共表达分析

通过WGCNA构建基因共表达网络，筛选出与糖酵解评分高度相关的核心模块（蓝色模块）。

> 5、候选关键基因筛选

取WGCNA核心模块基因、差异表达基因（DEGs）以及GeneCards数据库中糖酵解相关基因的交集。

> 6、蛋白质相互作用（PPI）与枢纽基因鉴定

构建PPI网络，利用MCC和MNC算法筛选拓扑结构中的前5位核心基因，最终确定4个枢纽基因。

> 7、多维度验证

在验证数据集中考察枢纽基因的表达水平、诊断效能，并在单细胞层面查看其细胞分布特征。

> 8、体内实验验证

构建MCT诱导的肺动脉高压大鼠模型，通过qPCR技术验证关键基因在肺组织中的实际表达趋势。

二、本文的研究结果

> 1、细胞类型的鉴定与糖酵解评分的计算

研究识别出13种细胞类型，发现IPAH患者中成纤维细胞和内皮细胞比例增加；通路分析显示IPAH组葡萄糖代谢显著激活，且成纤维细胞是主要的糖酵解调节效应细胞。

从IPAH患者肺组织中获得的单细胞RNA测序数据的转录组谱

识别特发性肺动脉高压中关键的糖解基因

> 2、糖酵解评分的诊断效力

Bulk数据集分析显示，IPAH组的糖酵解分数显著高于对照组；ROC曲线显示该评分在多个数据集（GSE113439, GSE53408）中均具有极佳的IPAH预测能力。

糖酵解评分的诊断效力验证。（A）显示数据归一化前基因表达矩阵的箱型图。（B）数据归一化后基因表达矩阵的箱型图。（C）3D PCA图，显示对照组与IPAH组间单个样品的分离情况。（D） IPAH组的糖酵解分数显著更高。（E，F） GSE113439和GSE53408数据集中糖酵解分数的ROC曲线

> 3、WGCNA识别糖酵解的关键调控基因

通过构建加权共表达网络，识别出一个与糖酵解评分强正相关的“蓝色模块”（相关系数0.84），该模块包含调控代谢的核心基因。

WGCNA识别糖酵解中的关键调控基因。（A）不同样本的糖酵解评分。（B）选择适合无量表网络的软阈值。红线设为0.80。（C）基于基因表达构建基因聚类树。（D）糖酵解评分与不同模块之间的关联。（E）蓝色模块基因与糖酵解评分的相关性

> 4、功能富集分析

筛选出43个重叠基因，GO和KEGG分析显示这些基因主要富集于缺氧反应、平滑肌细胞增殖、PI3K-Akt信号通路等与血管重塑相关的过程。

富集分析与维恩图。（A）对GSE113439数据集进行差异基因分析。（B）DEGs的Go 浓缩分析。（C）模块基因、DEG和GeneCards获得的基因之间的重叠基因。（D） DEG的KEGG分析

> 5、枢纽基因的鉴定与分析

确定了IGF1、KARS、CASP3和CDKN2A为核心基因；其中前三者在IPAH中表达上调，后者下调。

关键糖酵解相关基因的鉴定与再分析。（A） 43个重叠基因的PPI网络。（B）使用了不同的算法来识别具有最高IPAH潜力的前五个基因。（C）GSE53408数据集中关键糖酵解相关基因的表达水平。（D） GSE53408数据集中关键糖酵解相关基因的ROC曲线。（E）不同细胞亚群中关键糖酵解相关基因的表达水平。（F）对照组和IPAH患者不同细胞亚群中关键糖酵解相关基因的表达水平

> 6、体内模型验证

大鼠PH模型实验证实，肺动脉压力显著升高的同时，上述四个核心基因的mRNA表达趋势与测序分析结果高度一致。

验证大鼠体内PH模型中关键糖酵解相关基因。（A）肺动脉对照压及MCT处理大鼠。（B）右心室收缩压对照压及MCT处理大鼠。（C）肺动脉组织的H&E染色。（D）糖酵解关键调控基因的qPCR分析

三、本文的数据来源及样本情况

●单细胞数据（scRNA-seq）： 来源于GSE173296（包含3例对照组和3例IPAH患者的肺组织样本）。
●转录组数据（Bulk RNA-seq）：
- ○主要训练集：GSE113439（包含11例对照和15例IPAH样本）。
- ○验证集：GSE53408（包含11例对照和12例IPAH样本）。
●基因参考库： GeneCards 数据库（用于抓取已知的糖酵解相关基因）。
●验证样本： 单角胺碱（MCT）诱导的雄性SD大鼠模型（200-250g）。