**雜志： **COMPUTERS IN BIOLOGY AND MEDICINE

**影響因子： **7

研究概述：

背景：擴(kuò)張型心肌病(DCM)是心衰的常見原因命雀。然而蒜哀，細(xì)胞衰老在DCM中的作用尚未完全闡明。本文旨在研究DCM的衰老吏砂，鑒定衰老相關(guān)的特征基因撵儿，并探索潛在的治療DCM的小分子化合物。

方法：作者分別從Gene Expression Omnibus (GEO)數(shù)據(jù)庫和CellAge數(shù)據(jù)庫中獲取DCM相關(guān)數(shù)據(jù)集和衰老相關(guān)基因狐血。通過加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析(WGCNA)淀歇、最小絕對收縮和選擇算子(LASSO)和隨機(jī)森林等方法鑒定特征基因。在小鼠DCM模型中驗(yàn)證了特征基因的表達(dá)氛雪。應(yīng)用CIBERSORT算法對DCM的免疫特性進(jìn)行了分析房匆。最后，通過CMap分析預(yù)測了幾種治療性化合物报亩，并通過分子對接和分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了綠原酸(CGA)的潛在作用機(jī)制浴鸿。

結(jié)果：通過綜合轉(zhuǎn)錄組分析最終鑒定出3個(gè)與DCM和衰老相關(guān)的特征基因(MME、GNMT和PLA2G2A)弦追，并在阿霉素誘導(dǎo)的小鼠DCM中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證岳链。建立的診斷模型對DCM具有較好的診斷效果。免疫細(xì)胞浸潤分析提示DCM炎癥失調(diào)劲件，特征基因與侵襲性免疫細(xì)胞顯著相關(guān)掸哑。最后，基于DCM的特異性基因表達(dá)譜零远，通過CMap分析預(yù)測了幾種潛在的治療化合物苗分。此外，分子對接和分子動(dòng)力學(xué)模擬表明牵辣，CGA可以結(jié)合到MME蛋白的活性口袋上摔癣。

研究流程圖：

研究結(jié)果：

鑒定DCM中與衰老相關(guān)的差異基因

作者首先對我們首先對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集GSE57338進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示對照組和DCM組之間存在明顯的特征(圖2A)纬向。共鑒定出314個(gè)差異基因（deg）择浊，其中上調(diào)154個(gè)，下調(diào)160個(gè)(圖2B)逾条。采用分層聚類算法對每個(gè)比較組的deg進(jìn)行分析琢岩，并以熱圖的形式進(jìn)行可視化(圖2C)。然后進(jìn)行GO和KEGG富集分析师脂，以探索與DEGs相關(guān)的生物學(xué)功能和信號通路（圖2D-F）担孔。KEGG富集結(jié)果表明江锨，DEGs在“PI3K-Akt信號通路”、“JAK-STAT信號通路”攒磨、“TNF信號通路”等通路中顯著富集(圖2G)泳桦。作者將收集的866個(gè)衰老相關(guān)基因與deg相交后，鑒定出25個(gè)與衰老相關(guān)的差異基因（DESRGs）娩缰。 Spearman相關(guān)分析顯示DESRGs之間存在顯著的相互作用(圖2I)灸撰。作者對以上25個(gè)基因進(jìn)行了再次的GO和KEGG分析（圖2J&K），發(fā)現(xiàn)與已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果一致——衰老心肌可誘導(dǎo)并伴隨二倍體細(xì)胞有絲分裂停止拼坎、炎癥浸潤浮毯、心肌纖維化和細(xì)胞死亡。

鑒定與DCM相關(guān)的基因模塊

WGCNA用于鑒定與DCM顯著相關(guān)的基因模塊（圖3A&B）泰鸡。將特征基因高度相關(guān)的模塊合并后债蓝，最終鑒定出16個(gè)基因模塊(圖3C和D)，并對模塊-性狀關(guān)系進(jìn)行評估和可視化盛龄。紅色模塊和棕色模塊與DCM的正相關(guān)性最高饰迹；相反，黑色模塊和粉紅色模塊與DCM負(fù)相關(guān)性最大(圖3E)余舶。此外啊鸭，以上四個(gè)模塊的模組隸屬度(MM)與基因顯著性(GS)的相關(guān)性均顯著(圖3F-I)。故匿值，作者從上述模塊中選出2207個(gè)基因作為DCM相關(guān)的關(guān)鍵基因進(jìn)行后續(xù)分析赠制。

機(jī)器學(xué)習(xí)法篩選與DCM相關(guān)的核心基因

作者使用LASSO回歸（圖4A-B）和RF(圖4E)兩種機(jī)器學(xué)習(xí)算法從25個(gè)DESRGs中鑒定出與DCM和衰老相關(guān)的特征基因。ROC曲線顯示該模型具有理想的診斷性能(圖4C)挟憔。最后钟些，LASSO回歸鑒定出13個(gè)樞紐基因，包括BCL6绊谭、PLA2G2A政恍、MME、STAT3达传、TEAD4篙耗、GNMT、MTHFD2趟大、JAK2、CRISPLD2铣焊、BCL3逊朽、NQO1、HOPX和SERPINE1曲伊。對于RF算法叽讳，將診斷誤差可視化追他，并根據(jù)變量重要性對候選基因進(jìn)行降序排序(圖4D和E)。MeanDecreaseGini >4的基因被確定為重要基因岛蚤，包括BCL6邑狸、STAT3、TEAD4涤妒、MME单雾、NAMPT、PLA2G2A她紫、GNMT硅堆、SAMHD1和MTHFD2。 將LASSO和RF算法以及WGCNA分析后的基因取交集（圖4F）贿讹，得到三個(gè)特征基因MME渐逃、PLA2G2A、GNMT（圖4G）民褂。 為了進(jìn)一步揭示三個(gè)特征基因(PLA2G2A茄菊、MME和GNMT)的生物學(xué)功能和信號通路，作者使用單基因GSEA方法對每個(gè)基因進(jìn)行GO和KEGG富集分析赊堪，發(fā)現(xiàn)這些特征基因可能在細(xì)胞衰老面殖、細(xì)胞存活、免疫浸潤和代謝的調(diào)控中發(fā)揮重要作用（見文獻(xiàn)文章Fig.5）雹食。

構(gòu)建DCM的診斷列線圖

作者利用“rms”包構(gòu)建了基于特征基因的DCM診斷譜圖畜普。在nomogram中，每個(gè)基因?qū)?yīng)一個(gè)評分群叶，3個(gè)基因的總分被用來預(yù)測DCM的風(fēng)險(xiǎn)(圖5A)吃挑。校正曲線顯示，nomogram預(yù)測概率與理想模型的預(yù)測概率基本一致(圖5B)街立，決策曲線分析表明舶衬，根據(jù)nomogram進(jìn)行決策是有益的(圖5C)。訓(xùn)練隊(duì)列表達(dá)分析顯示赎离，DCM中MME表達(dá)顯著上調(diào)逛犹，PLA2G2A和GNMT表達(dá)明顯下調(diào)(圖5D);三個(gè)樞紐基因均表現(xiàn)出良好的診斷性能:PLA2G2A、MME和GNMT的ROC曲線下面積(AUC)值分別為0.88梁剔、0.897和0.857(圖5E-G)虽画；基于三個(gè)樞紐基因的nomogram診斷效果較好，AUC值為0.96(圖5H)荣病。 此外在文章圖7中作者還在其他三個(gè)數(shù)據(jù)集中驗(yàn)證了三個(gè)特征基因的表達(dá)和診斷性能码撰，評估結(jié)果表示基于三個(gè)樞紐基因的nomogram診斷效果較好，AUC值均在0.9以上个盆。不僅如此脖岛，作者還構(gòu)建了DOX誘導(dǎo)的小鼠DCM模型朵栖，并進(jìn)行了qRT-PCR分析，與生物信息學(xué)分析結(jié)果一致柴梆，小鼠DCM中MME的表達(dá)顯著上調(diào)陨溅，而GNMT和PLA2G2A明顯下調(diào)(圖6G-I)。

免疫浸潤分析

考慮到衰老可以誘導(dǎo)衰老相關(guān)的分泌表型（SASP）和炎癥绍在，作者對上述樣本進(jìn)行了免疫浸潤分析门扇，發(fā)現(xiàn)與對照組比較，DCM組肥大細(xì)胞靜止揣苏、漿細(xì)胞和T細(xì)胞CD8比例增高悯嗓；然而，巨噬細(xì)胞M2卸察、單核細(xì)胞脯厨、T細(xì)胞CD4記憶靜息和T細(xì)胞調(diào)節(jié)性(Tregs)的比例較低(圖7B)。相關(guān)分析顯示坑质，T細(xì)胞調(diào)節(jié)性(Tregs)合武、B細(xì)胞和T細(xì)胞CD4記憶靜息呈顯著正相關(guān);漿細(xì)胞、巨噬細(xì)胞M2和單核細(xì)胞呈顯著負(fù)相關(guān)(圖7C)涡扼。我們進(jìn)一步探索了免疫細(xì)胞與三個(gè)樞紐基因之間的相關(guān)性稼跳，熱圖(圖7D)顯示巨噬細(xì)胞M2和T細(xì)胞CD8在心肌組織中占很大比例，并且都與三個(gè)特征基因顯著相關(guān)(圖7E-J)吃沪，提示這兩種免疫細(xì)胞可能在DCM的進(jìn)展中發(fā)揮更重要的作用汤善。

鑒定治療DCM的候選小分子藥物

為了進(jìn)一步探索可能逆轉(zhuǎn)DCM基因表達(dá)模式并發(fā)揮治療作用的潛在小分子化合物，作者利用 CMap數(shù)據(jù)庫篩選評分前10的化合物票彪，分別是tyrphostin-AG-1295红淡、QX222、雌激素降铸、ABT-751在旱、灰黃霉素、ON-01910推掸、拉帕替尼桶蝎、SJ-172550、地塞米松和U-0124谅畅。此外登渣，有研究報(bào)道小分子化合物CGA具有抗衰老和保護(hù)心血管作用。而樞紐基因其一MME可以介導(dǎo)多種細(xì)胞的衰老毡泻。在本文中作者還探討了CGA與MME之間的關(guān)系胜茧， 分析對接分析表明CGA與MME之間具有很強(qiáng)的結(jié)合親和力（圖8A）。隨后牙捉，作者進(jìn)行了分子對接模擬來研究MME/CGA結(jié)合相互作用的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和構(gòu)象靈活性竹揍。如圖8B所示，在模擬過程中邪铲，該蛋白的RMSD沒有明顯波動(dòng)芬位，暗示蛋白結(jié)構(gòu)沒有坍塌，說明小分子CGA可以連續(xù)結(jié)合到蛋白MME的口袋上带到。值得注意的是昧碉，在72 ns時(shí)，通過構(gòu)象調(diào)整獲得了更優(yōu)化的結(jié)合姿態(tài):小分子的整體結(jié)合位置保持不變揽惹，但苯環(huán)基團(tuán)向內(nèi)移動(dòng)被饿，使得結(jié)合更加穩(wěn)定(圖8C)。該蛋白的RMSF幾乎都在2 ?以內(nèi)搪搏，說明該蛋白的主體結(jié)構(gòu)是剛性的(圖9D)狭握。作者還監(jiān)測了配體和蛋白質(zhì)之間氫鍵的數(shù)量。如圖9E所示疯溺，在模擬過程中论颅，MME/CGA復(fù)合物中形成了1 ~ 9個(gè)氫鍵，大部分為4個(gè)囱嫩，說明氫鍵對配體與蛋白質(zhì)的穩(wěn)定結(jié)合起到了重要的作用恃疯。此外，MM/GBSA (kcal/mol)預(yù)測的結(jié)合自由能和能量組分墨闲。MME/ CGA的結(jié)合自由能為-27.10±3.56 kcal/mol今妄，表明其具有較強(qiáng)的配體-蛋白結(jié)合穩(wěn)定性。

研究總結(jié)：

該研究通過綜合轉(zhuǎn)錄組分析鸳碧，鑒定出3個(gè)衰老相關(guān)特征基因(MME盾鳞、PLA2G2A、GNMT)杆兵，并在小鼠DCM模型中驗(yàn)證其表達(dá)雁仲。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種具有較理想診斷性能的諾瓦圖琐脏。此外攒砖，免疫細(xì)胞浸潤分析提示DCM存在炎癥如M1/M2巨噬細(xì)胞異常極化，其與三個(gè)特征基因表達(dá)也存在相關(guān)性日裙。最后吹艇，作者通過CMap數(shù)據(jù)庫篩選了幾種潛在的小分子治療藥物;分子對接分析和MD模擬表明，CGA可能通過穩(wěn)定結(jié)合MME蛋白的活性口袋發(fā)揮MME抑制劑的作用昂拂∈苌瘢總的來說，這是第一個(gè)提出基于衰老的DCM診斷圖的報(bào)告格侯，并討論了CGA治療DCM和心力衰竭的潛在新機(jī)制鼻听。