CA9作为激素性股骨头坏死中软骨铁死亡特征基因的生物信息学鉴定

背景:激素性股骨头坏死中骨代谢的紊乱与铁死亡密切相关,同时激素性股骨头坏死的病理过程中伴随着软骨的损伤与退变。但关于铁死亡与软骨之间的关系和具体调控靶点尚不明确。目的:运用生物信息学和机器学习方法筛选靶向软骨的铁死亡特征基因,探究铁死亡与软骨之间的关系,为研究和治疗激素性股骨头坏死提供新的思路与方法。方法:通过GEO数据库和FerrDb数据库下载相关疾病数据集和铁死亡相关基因,采用R语言对疾病数据集进行归一化处理和差异分析,筛选出铁死亡相关差异基因。对铁死亡相关差异基因进行GO功能富集分析和KEGG信号通路富集分析,同时根据铁死亡相关差异基因的PPI网络和机器学习方法筛选铁死亡特征基因。最后,将兔子分为正常组和模型组,正常组给予相同剂量的生理盐水模拟造模药物,模型组采用改良马血清联合注射用甲泼尼龙构建兔激素性股骨头坏死模型,造模成功后,验证不同组别间特征基因的表达,分析软骨中铁死亡的表型。结果与结论:①通过对数据集的归一化处理和差异分析,最终获得1315个差异表达基因,通过FerrDb数据库获取379个铁死亡相关基因。二者取交集后,最终获得19个铁死亡差异表达基因。②GO分析铁死亡相关差异基因主要涉及细胞迁移和细胞对氧化应激反应等生物过程;涉及激酶复合物、氨基酸复合体和细胞质膜等细胞组分;涉及激酶活性、受体活性和蛋白结合等分子功能。KEGG分析铁死亡相关差异基因主要在FoxO信号通路、血管内皮生长因子信号通路和FcγR介导的吞噬作用中富集。③通过PPI网络和机器学习筛选出铁死亡特征基因CA9。④特征基因的GSEA分析发现,CA9在脂肪酸代谢、O-GlcNAc糖基化修饰等生物过程中上调表达,而在神经活性配体受体相互作用方面被抑制。⑤RT-PCR和Western blot检测结果显示,与正常组对比,模型组中的ACSL4,CA9 mRNA和蛋白表达水平显著增高(P<0.05),SLC7A11和GPX4 mRNA和蛋白表达水平显著降低(P<0.05),与数据集中特征基因的表达水平吻合。结果表明,激素性股骨头坏死的软骨与铁死亡密切相关,靶向特征基因CA9可以为研究和治疗激素性股骨头坏死提供一定的思路与方向。