激素性股骨头坏死衰老关键基因的生物信息学鉴定和验证

丘博元; 刘飞; 童思文; 欧志学; 王伟伟

doi:10.12307/2025.787

摘要：背景:激素性股骨头坏死与衰老紧密相连,但调控靶点和机制尚不明确.通过生物信息学联合机器学习分析并加以实验验证,确定细胞衰老介导激素性股骨头坏死发生发展的关键基因,将为激素性股骨头坏死的防治提供新思路. 目的:使用生物信息学分析筛选激素性股骨头坏死的衰老核心基因并进行实验验证,以探讨其作用机制. 方法:从GEO数据库的GPL15207平台获取了GSE123568数据集,其中包含了30例激素性股骨头坏死患者与10名健康对照的外周血清样本基因表达谱;从CellAge数据库获取了279个细胞衰老相关基因的数据.对激素性股骨头坏死基因谱进行差异分析及加权基因共表达网络(WGCNA)分析,两者与衰老相关基因取交集再取并集得到激素性股骨头坏死衰老潜在基因,并进行GO和KEGG富集分析.机器学习方法筛出枢纽基因,构建Nomogram模型,进行共识聚类及免疫浸润分析.最后收集临床股骨头样本通过qPCR及Western blot检测方法进行验证. 结果与结论:①共获得41个潜在基因,主要富集在衰老及氧化应激反应等生物过程,以及FoxO及肿瘤坏死因子信号通路中.②机器学习鉴定后得到枢纽基因过氧化氢酶、结缔组织生长因子、叉头框蛋白O3、胰岛素受体底物2和丝裂原活化蛋白激酶激酶11,Nomogram模型预测能力良好.③共识聚类分析将患者分为a,b和c共3组,过氧化氢酶、叉头框蛋白O3、胰岛素受体底物2和丝裂原活化蛋白激酶激酶11在3个分子亚型之间表达存在差异(P＜0.05),免疫浸润结果显示活化CD4+T细胞、活化CD8+T细胞、嗜酸性粒细胞等免疫细胞的丰度在3个分子亚类中存在差异(P＜0.05).④qPCR和Western blot结果显示,激素性股骨头坏死组过氧化氢酶、结缔组织生长因子、叉头框蛋白O3和丝裂原活化蛋白激酶激酶11比对照组表达降低(P＜0.05),胰岛素受体底物2的表达升高(P＜0.05).⑤上述结果证实,通过结合生物信息学与机器学习深入分析,并进一步实验验证,最终确定了5个激素性股骨头坏死衰老相关枢纽基因,分别是过氧化氢酶、结缔组织生长因子、叉头框蛋白O3、胰岛素受体底物2及丝裂原活化蛋白激酶激酶11,这些基因可能通过调控细胞衰老过程为未来激素性股骨头坏死的预防和治疗提供潜在的分子靶点.