摘要：特发性肺动脉高压（IPAH）中异常糖酵解代谢对肺血管重构有重要作用，但具体机制不明。本研究旨在探究 IPAH 中糖酵解的关键调控机制，通过从 GEO 数据库获取 IPAH 患者组织样本的单细胞和 bulk 测序数据，运用 scMetabolism、AUCcel

一、文章信息

发表杂志名称：Journal of Translational Medicine

中文标题：单细胞与 bulk 转录组测序数据联合分析鉴定特发性肺动脉高压中的关键糖酵解基因

英文标题：Combined analysis of single-cell and bulk transcriptome sequencing data identifies critical glycolysis genes in idiopathic pulmonary arterial hypertension

影响因子：7.5

发表日期：2025 年 3 月 26 日

二、研究概述

特发性肺动脉高压（IPAH）中异常糖酵解代谢对肺血管重构有重要作用，但具体机制不明。本研究旨在探究 IPAH 中糖酵解的关键调控机制，通过从 GEO 数据库获取 IPAH 患者组织样本的单细胞和 bulk 测序数据，运用 scMetabolism、AUCcell、ssGSEA 等方法分析糖酵解代谢活性及调控糖酵解的主要细胞类型，结合差异分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）、蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络分析筛选关键基因，并利用单细胞测序和野百合碱（MCT）诱导的大鼠肺动脉高压（PH）模型验证这些基因的表达。结果发现 IPAH 患者糖酵解活性升高，成纤维细胞是主要调控细胞，且鉴定出 IGF1、KARS、CASP3 和 CDKN2A 为关键调控基因，这些基因在大鼠 PH 模型中也有差异表达。该研究为 IPAH 靶向治疗提供了基础。

三、研究结果

（一）单细胞 RNA 测序数据的细胞类型鉴定与糖酵解评分分析

作者利用 “KNN” 算法将细胞分为 23 个簇（图 1A），通过 UMAP 图展示了不同细胞簇（图 1B），并依据各细胞簇中标志基因的表达（图 1C，气泡图呈现），鉴定出 13 种细胞类型。同时，作者发现与对照组相比，IPAH 患者中成纤维细胞和内皮细胞比例增加，而 T 细胞比例减少（图 1D）。接着，作者采用 scMetabolism 包分析代谢通路激活情况，结果显示 IPAH 患者中葡萄糖代谢相关通路显著激活（图 2A，热图呈现对照组与 IPAH 组代谢通路富集情况）。通过 AUCell 包评估各细胞亚群的糖酵解评分，UMAP 图显示不同细胞亚群的糖酵解水平（图 2B），小提琴图表明成纤维细胞是糖酵解调控的主要效应细胞，其次是髓系细胞（图 2C），且 IPAH 患者成纤维细胞的糖酵解活性显著高于对照组（图 2D）。综上，作者通过单细胞测序分析明确了 IPAH 患者的细胞类型变化及成纤维细胞在糖酵解调控中的核心作用。

（二）糖酵解评分的诊断效能验证

作者对 GSE113439 数据集进行标准化处理，箱线图显示标准化前（图 3A）和标准化后（图 3B）基因表达矩阵的差异，标准化后样本间一致性良好。三维 PCA 图显示处理后对照组和 IPAH 组样本分布差异显著，能有效区分两组（图 3C）。与单细胞测序结果一致，作者运用 ssGSEA 计算糖酵解相关基因集的富集分数，发现 IPAH 组的糖酵解评分显著高于对照组（图 3D）。通过 ROC 曲线分析糖酵解评分对 IPAH 的诊断效能，在 GSE113439 数据集上，AUC 为 0.84，表明其能较好区分 IPAH 样本与整体样本（图 3E）；在验证数据集 GSE53408 中，AUC 达到 1.00，显示出极佳的预测效能（图 3F）。由此可见，糖酵解评分对 IPAH 具有良好的诊断价值，可作为潜在的诊断指标。

（三）基于 WGCNA 筛选糖酵解关键调控基因

作者绘制样本树状图，显示无异常值的样本分布（图 4A）。通过 pickSoftThreshold 函数确定构建无尺度共表达网络的最佳软阈值为 8，此时网络的内部连接性和基因相似性较高（图 4B，左图为尺度独立性，右图为平均连接性）。利用动态树切割法对基因进行聚类，得到 7 个不同的模块，基因聚类树展示了基因的分组情况（图 4C）。作者分析各模块与糖酵解评分的相关性，发现蓝色模块与糖酵解评分显著相关（相关系数 = 0.84，P=2e-05）（图 4D），且蓝色模块内基因与糖酵解评分也呈强正相关（相关系数 = 0.75，P

（四）差异表达基因分析与功能富集分析

作者在 GSE113439 数据集中共鉴定出 2836 个差异表达基因（DEGs），其中 1966 个上调基因，870 个下调基因，火山图展示了这些差异基因的分布（图 5A）。通过 Venn 图分析，作者发现蓝色模块基因、DEGs 与从 GeneCards 数据库获取的基因存在 43 个重叠基因（图 5C），这些重叠基因与糖酵解代谢活性密切相关。对重叠基因进行 GO 功能注释，结果显示它们涉及组织迁移、缺氧反应、平滑肌细胞增殖调控、膜筏和磷脂酰肌醇 - 3 - 激酶（PI3K）活性等生物学过程（图 5B）；KEGG 注释表明这些基因与表皮生长因子受体（EGFR）酪氨酸激酶抑制剂耐药性、JAK-STAT 信号通路和 PI3K-Akt 信号通路等增殖相关通路有关（图 5D）。由此，作者明确了重叠基因的功能及参与的信号通路，进一步揭示了糖酵解在 IPAH 中的作用机制。

（五）核心基因的鉴定与分析

作者利用 STRING 数据库构建重叠基因的 PPI 网络，并通过 Cytoscape 软件可视化，保留相互作用得分大于 0.4 的基因，该网络包含 32 个节点（图 6A）。运用最大团中心性（MCC）和最大邻域组件（MNC）算法评估 PPI 网络拓扑结构，筛选出网络中最重要的前 5 个基因（图 6B），其中胰岛素样生长因子 - 1（IGF1）、赖氨酸 - tRNA 合成酶（KARS）、半胱天冬酶 - 3（CASP3）和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂 2A（CDKN2A）这 4 个基因为两种算法共同识别的核心基因。在 GSE53408 数据集上，作者发现 IPAH 患者中 IGF1、KARS 和 CASP3 表达显著升高，而 CDKN2A 表达显著降低（图 6C）。ROC 曲线分析显示，所有核心基因对 IPAH 均有良好的预测能力（图 6D）。UMAP 图和气泡图显示，IGF1 主要在成纤维细胞中表达（图 6E），且与对照组相比，IPAH 样本中 IGF1、KARS 和 CASP3 表达升高，CDKN2A 表达降低（图 6F）。综上，作者成功鉴定出 IPAH 中糖酵解相关的核心基因，并明确了它们的表达模式和诊断价值。

（六）大鼠肺动脉高压模型中核心基因的验证

作者成功构建了野百合碱（MCT）诱导的大鼠 PH 模型，通过检测发现 MCT 处理组大鼠肺动脉压力（图 7A）和右心室收缩压（RVSP）显著高于对照组（图 7B），HE 染色显示 MCT 处理组大鼠肺动脉组织出现明显病理改变（图 7C）。利用实时逆转录聚合酶链反应（qPCR）检测 4 个核心基因的表达，结果与 RNA 测序数据一致：与对照组相比，MCT 处理组大鼠肺组织中 CASP3、IGF1 和 KARS 表达升高，CDKN2A 表达降低（图 7D）。这表明在动物模型中进一步验证了核心基因与 PH 的关联，为这些基因在 IPAH 中的作用提供了体内实验证据。

本研究围绕特发性肺动脉高压（IPAH）中糖酵解的关键调控机制展开，通过联合分析单细胞和 bulk 转录组测序数据，结合多种生物信息学分析方法及动物实验验证，得出重要结论。首先，明确 IPAH 患者糖酵解活性显著升高，且成纤维细胞是调控糖酵解的主要效应细胞；其次，通过差异分析、WGCNA、PPI 网络分析等筛选并鉴定出 IGF1、KARS、CASP3 和 CDKN2A 为 IPAH 中成纤维细胞介导的糖酵解相关关键调控基因；最后，在野百合碱（MCT）诱导的大鼠肺动脉高压（PH）模型中验证了这些核心基因的差异表达模式，与测序结果一致。该研究不仅阐明了糖酵解在 IPAH 进展中的具体作用，明确了关键调控基因，为 IPAH 的诊断提供了潜在的糖酵解评分指标及核心基因标志物，还为 IPAH 靶向治疗策略的制定奠定了理论基础，未来结合代谢组学分析和个性化治疗方案，有望为 IPAH 患者提供更精准的治疗选择。同时，研究也指出了样本量较小、缺乏功能实验验证等局限性，为后续研究方向提供了参考。

来源：小琪在学习