缺氧诱导肺动脉高压代谢相关基因的鉴定

肺动脉高压（PH）是一种异质性疾病，其特征是肺动脉压力高和肺血管阻力升高，通常会导致右心衰竭甚至死亡。 PH 的发病机制是由多种因素驱动或启动的，包括基因突变、表观遗传改变、炎症、代谢改变和环境损害，如缺氧、药物和毒素。 与缺氧和肺部疾病相关的 PH（第 3 组 PH）是 PH 的第二常见形式，并且与发病率和死亡率增加有关。 然而，包括内皮素受体拮抗剂、5 型磷酸二酯酶抑制剂和前列环素在内的大多数 PAH 特异性药物在第 3 组 PH 中并未显示出一致的益处。 因此，发现缺氧 PH 的一些目标对于那些第 3 组人群具有重要价值。

一方面，缺氧PH与另一种PH有相似的病理变化，包括肺动脉外膜成纤维细胞的积累和细胞外基质蛋白的过度沉积，肺动脉平滑肌细胞（PASMCs）的增殖和迁移，以及内皮细胞的增殖。促进内膜增厚。越来越多的证据表明，PASMC 的过度增殖、抗凋亡和从收缩到合成的表型转换已成为与缺氧 PH 相关的肺血管系统重塑的重要机制。例如，我们之前的研究表明 DNMT3B（编码 DNA 甲基转移酶 3B）的过表达减轻了小鼠缺氧 PH 的重塑，表明 DNMT3B 通过调节 PASMC 增殖/迁移对肺血管重塑具有保护作用。此外，在缺氧条件下，PASMCs 中 CD146 表达显着增加和缺氧诱导转录因子 1α (HIF-1α) 转录程序相互加强，使 PASMCs 能够采用更合成的表型。平滑肌细胞中 CD146 的基因消融减轻慢性缺氧小鼠的肺血管重塑。另一方面，低氧胁迫下转录因子 HIF-1α 的激活会诱导糖酵解基因的表达，并通过诱导丙酮酸脱氢酶激酶 1 主动抑制线粒体氧化磷酸化，从而阻碍丙酮酸脱氢酶使用丙酮酸为三羧酸循环提供燃料。近年来，由于代谢组学的应用，PH 中代谢转变和代谢物扰动的整体情况变得更加清晰。特定酶的干预恢复异常代谢为PH的治疗开辟了新途径。例如，据报道葡萄糖-6-磷酸脱氢酶抑制剂是磷酸戊糖途径中的一种限速酶，可调节 DNA 甲基化并减轻肺动脉重塑。鞘氨醇激酶 1 (SphK1) 是 1-磷酸鞘氨醇合成的决定因素，是细胞增殖、迁移和血管生成的关键介质。 SphK1 的缺乏和药理学抑制减轻了体内缺氧 PH 的发展，SphK1 缺乏在体外抑制了 PASMC 增殖。

在这里，我们试图检查 PASMC 中的代谢特征和响应缺氧的代谢相关基因。 结合来自 PH 啮齿动物模型和 PH 患者的转录组学数据集，我们旨在确定缺氧诱导的代谢相关中枢基因，这可能是治疗缺氧 PH 的前瞻性目标。

研究方法：

分离大鼠肺动脉平滑肌细胞（PASMCs），常氧或缺氧条件下培养24 h。 收获细胞用于液相色谱-质谱分析。 使用 Metaboanalyst 进行区分代谢物的功能注释。 选择前 10 位富集代谢物组用于鉴定代谢相关基因 (MAG)，在 Genecards 中相关性得分 >8。 从基因表达综合 (GEO) 数据库或开放访问在线平台访问小鼠/大鼠或 PH 患者缺氧 PH 肺的转录组数据。 进行连通图分析以鉴定在缺氧胁迫下逆转代谢相关基因谱的潜在化合物。 进行了蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络的构建和模块分析。 然后识别 Hub 基因并用于生成 LASSO 模型以确定其预测 PH 发生的准确性。

研究结果：

大鼠 PASMC 对缺氧反应的代谢物谱改变和代谢相关基因的鉴定

鉴定将缺氧条件下的大鼠 PASMCs 与常氧对照和富集代谢物组区分开来的代谢物

缺氧诱导的 PH 小鼠肺中差异表达的 MAG 的鉴定和潜在的保护药物

Sugen 5416/缺氧诱导PH大鼠平滑肌细胞代谢相关差异表达基因的鉴定及小鼠缺氧肺组织中的表达

缺氧诱导代谢相关枢纽基因的鉴定及其在缺氧肺组织中的表达

肺动脉高压患者肺组织缺氧诱导代谢相关Hub基因的评价

研究总体分析：

在缺氧条件下，在大鼠 PASMC 中共鉴定出 36 种改变的代谢物和 1,259 种独特的 MAG。 揭示了缺氧 PH 小鼠肺中 38 个差异表达的 MAG，富含多途径，包括葡萄糖代谢过程的调节，这可能被药物如 blebbistatin 逆转。 在 Sugen 5416/缺氧诱导的 PH 大鼠的 SMC 中，以单细胞分辨率显示了 5 个差异表达的 MAG。 此外，还鉴定了 42 个独特的缺氧诱导 MAG 中的 6 个中枢基因（Cat、Ephx1、Gpx3、Gstm4、Gstm5 和 Gsto1）。 在缺氧条件下，小鼠肺中显示出较高的 Cat、Ephx1 和较低的 Gsto1（均 p < 0.05），这与 PH 患者肺的变化一致。 基于hub基因的LASSO模型可以预测PH的发生（AUC=0.90）。本研究揭示了六个缺氧诱导代谢相关的枢纽基因，并阐明了缺氧 PH 的分子机制和治疗靶点。

文献出处：

He YY, Xie XM, Zhang HD, Ye J, Gencer S, van der Vorst EPC, Döring Y, Weber C, Pang XB, Jing ZC, Yan Y, Han ZY. Identification of Hypoxia Induced Metabolism Associated Genes in Pulmonary Hypertension. Front Pharmacol. 2021 Nov 5;12:753727. doi: 10.3389/fphar.2021.753727. PMID: 34803695; PMCID: PMC8602807.