最新7分生信，非肿瘤热点基因集的分析+简单实验验证，使发文章事半

影响因子：7

研究概述：早发性卵巢功能不全（Premature Ovarian Insufficiency, POI）是一种在40岁之前卵巢功能停止的生殖障碍，影响至少1%的育龄妇女。患有POI的个体通常经历亚不孕和通常与更年期相关的症状，这可能严重影响她们的生活质量。但是由于卵巢功能的不完全恢复和严重副作用的存在，现有的治疗效力有限。因此，迫切需要在POI的诊断和管理方面取得进展，以更好地解决这一状况。越来越多的证据表明，线粒体，如线粒体代谢途径的变化、炎症反应的触发、活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）稳态的破坏和细胞凋亡的诱导，最终可能导致POI的进一步发展。此外，功能失调的线粒体通过损害线粒体动态、线粒体DNA（mtDNA）突变的累积和电子传递链功能障碍等机制，与驱动卵巢老化有关。在卵子中删除线粒体融合基因Mfn2会导致卵子成熟和卵泡发育受损。同样，靶向删除分裂基因Drp1会降低卵子质量。这提示了：对线粒体靶向治疗的可将为POI的管理提供新的见解。并且，POI的进展通常与免疫调节相关。例如，增强的T辅助细胞1（Th1）细胞浸润导致滤泡闭锁和卵巢功能障碍，可以通过调节性T（Treg）细胞有效抵消。Th1/Treg比率的提高和炎症细胞因子谱的变化是POI的关键致病因素。此外，线粒体在促炎反应中发挥着关键作用，影响免疫细胞的激活和分化；来自线粒体的几种信号参与了NLRP3、NLRP6和其他炎症体的激活。免疫代谢学的研究表明，线粒体功能障碍调节T细胞功能，有助于T细胞介导的自身免疫疾病。然而，POI背景下线粒体功能障碍与免疫微环境之间复杂的相互作用仍然了解不足。所以在本研究中，作者调查了线粒体相关基因如何促进POI的发展以及它们与免疫微环境的相关性。作者使用了GSE128240、GSE233743，GSE39501，GSE200612，以及MitoCarta 3.0数据集，确定POI的潜在药物候选物，提供了治疗策略的新视角，并改善POI的管理。具体研究如下：

关于非肿瘤生信，我们也解读过很多，主要有以下类型
1 单个疾病WGCNA+PPI分析筛选hub基因
2 单个疾病结合免疫浸润，热点基因集，机器学习算法等
3 两种相关疾病联合分析，包括非肿瘤结合非肿瘤，非肿瘤结合肿瘤或者非肿瘤结合泛癌分析
4 基于分型的非肿瘤生信分析
5 单细胞结合普通转录组生信分析

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研究结果：

与POI相关的差异表达基因和功能富集分析

作者使用了三个公开的数据集（GSE39501、GSE128240和GSE233743），进行分析表达发生显著变化的基因分析。在GSE39501数据集中检测到总共596个差异表达基因（DEGs），包括360个上调基因和236个下调基因；在GSE128240数据集中检测到2378个DEGs，包括1343个上调基因和1035个下调基因；在GSE233743数据集中检测到4714个DEGs，包括1171个上调基因和3543个下调基因（图a-h）。并且，GSE39501数据集DEGs主要参与了与细胞周期、细胞分裂、磷酸化、RNA聚合酶II的正向调节转录、DNA模板化的正向调节转录相关通路，并在包括FoxO信号通路、卵子减数分裂、孕酮介导的卵子成熟、调节干细胞多能性信号通路中富集；GSE128240数据集DEGs主要参与了与前后模式规范、葡萄糖稳态、近端/远端模式形成、骨骼系统发育、固醇生物合成过程相关通路，并在包括脂肪细胞因子信号通路、胆汁分泌、肝细胞癌、固醇生物合成、Wnt信号通路中富集；GSE233743数据集1-DEGs主要参与了与胆固醇生物合成过程、胆固醇代谢过程、固醇生物合成过程、固醇代谢过程相关的通路，并在包括轴突导向、DNA复制、脂肪酸代谢、固醇生物合成、萜类骨架生物合成的信号通路中富集；GSE233743数据集2/3-DEGs主要参与了与凋亡过程、轴突导向、细胞对钙离子的响应、恐惧反应、正向调节内皮细胞增殖相关通路，并在包括轴突导向、脂肪酸代谢、IL-17信号通路、NF-kappa B信号通路、破骨细胞分化的信号通路中富集。

POI中的线粒体相关差异表达基因

接下来，作者根据MitoCarta 3.0数据库确定了与线粒体相关的DEGs（MitoDEGs）。总共筛选出119个MitoDEGs（33个上调和86个下调）。具体来说，从GSE39501队列中筛选出25个MitoDEGs，其中9个上调和16个下调；从GSE128240队列中筛选出73个MitoDEGs，其中18个上调和55个下调；从GSE233743队列中筛选出93个MitoDEGs，其中40个上调和53个下调（GSE233743实验1中有82个MitoDEGs，35个上调和47个下调，实验2和3中有23个MitoDEGs，8个上调和15个下调）（图a-d）。GO富集分析表明，与上调MitoDEGs最相关的GO富集分析包括甘油三酯代谢过程和线粒体呼吸链超复合物装配，而与下调MitoDEGs最相关的术语包括脂肪酸代谢过程和脂质代谢过程（图e-f）。代谢通路一致显著，这一点通过KEGG分析得到证实（图g-h）。

PPI网络构建和枢纽MitoDEG鉴定

作者使用STRING数据库构建了119个MitoDEGs的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络（图a）。应用MCODE插件识别基因簇模块，并使用CytoHubba插件对选定的基因进行评分（图b-c）。鉴定了十个候选枢纽MitoDEGs，即Hadhb、Cpt1a、Cpt2、Mrpl12、Mrpl51、Mrps7、Eci1、Acaa1b、Acacb和Acss1。为了进一步验证发现，作者构建了POI小鼠模型。RT-qPCR表明，在POI模型和颗粒细胞（GCs）中Hadhb和Cpt1a的表达增加，而Mrpl12、Mrps7和Acacb的表达减少（图d-f）。鉴于Cpt1a显示出最显著的差异，作者进行了WB，结果表明Cpt1a蛋白水平在POI小鼠卵巢和人类GCs中与对照组相比有所增加（图e-g）。

单细胞核心MitoDEGs表达状态的探索

接下来，作者从8周龄和12月龄的C57BL/6J小鼠获得了单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据。鉴定了十个细胞簇，并区分了七种主要的细胞类型：颗粒细胞（GCs，三个簇：0、2和8）、基质细胞（簇1）、内皮细胞（簇3）、免疫细胞（两个簇：4和9）、平滑肌细胞（簇5）、上皮细胞（簇6）和膜细胞（簇7）（图a）。除了GCs外，在老化组中发现了更大的细胞比例（图b）。在上调基因中，Cpt1a主要在老化组的GCs中表达，而Hadhb主要在膜细胞中表达（簇2和7）。相比之下，下调基因Mrpl12、Mrpl51和Mrps7主要在GCs中表达，其次是在对照组的膜细胞和上皮细胞中，而Eci主要在膜细胞中表达。但是，Cpt2的表达模式与作者前面结果不一致，并且在该数据集中无法检测到Acaa1b、Acacb和Acss1的表达（图c-i）。

POI中的线粒体特征

作者计算了呼吸链复合体基因与枢纽MitoDEGs之间的Spearman相关系数。结果显示，与Cpt1a、Mrpl12、Mrpl51、Mrps7和Eci1表达的呼吸链相关基因存在正相关，而与Hadhb和Cpt2表达存在负相关（图a-e）。随后调查了线粒体的潜在代谢特征七个枢纽MitoDEGs（Hadhb、Cpt1a、Cpt2、Mrpl12、Mrpl51、Mrps7和Eci1）主要与参与脂质、氨基酸、碳水化合物、金属和辅因子、核苷酸和维生素代谢的基因相关。这些发现与上述功能富集结果一致。此外，线粒体分裂/融合和线粒体自噬相关基因主要与上述七个枢纽MitoDEGs相互作用（图f-h）。

POI中的免疫细胞浸润分析

通过ImmuCellAI算法，作者分析了对照组和POI组中的36种免疫细胞浸润情况。其中，17种细胞类型表现出显著差异。单核细胞和生发中心B细胞在POI组中的丰度较低，而多种巨噬细胞（包括巨噬细胞、M1型巨噬细胞和M2型巨噬细胞）和T细胞（包括T细胞、CD4 T细胞、CD8 T细胞、CD4 Tm细胞、辅助T细胞、CD8 Tc细胞和CD8 Tem细胞）的丰度较高（图a-b）。随后观察到浸润免疫细胞之间的多种相关性。根据免疫评分，CD8 T细胞和CD8 Tc细胞之间、CD8 T细胞和CD8 Tcm细胞之间、巨噬细胞和M1型巨噬细胞之间以及巨噬细胞和M2型巨噬细胞之间的协同效应最强。然而，CD8 Tcm细胞和粒细胞之间以及M1型巨噬细胞和单核细胞之间的竞争效应最强，其次是巨噬细胞和单核细胞之间以及CD8 Tc细胞和粒细胞之间的竞争效应（图c）。随后，作者评估了MitoDEGs/线粒体相关基因与免疫细胞之间的潜在关系。具体来说，Hadhb与辅助T细胞、CD8 T细胞、CD8 Tcm细胞和巨噬细胞的浸润呈正相关，但与粒细胞的浸润呈负相关。Cpt1a与嗜碱细胞和滤泡B细胞的浸润呈正相关，但与NKT、pDC、MoDC和树突状细胞的浸润呈负相关。Cpt2与未成熟CD4 T细胞、CD4 T细胞和辅助T细胞的浸润呈正相关，但与B细胞的浸润呈负相关。Mrpl12与单核细胞浸润呈正相关，但与pDC浸润呈负相关。Mrpl51与中性粒细胞和Tregs的浸润呈正相关，但与树突状细胞的浸润呈负相关。Mrps7与单核细胞浸润呈正相关，但与M2型巨噬细胞、巨噬细胞和M1型巨噬细胞的浸润呈负相关。Eci1与中性粒细胞浸润呈正相关，但与树突状细胞的浸润呈负相关。此外，Acaa1b、Acss1和Acacb与边缘区B细胞的浸润呈正相关，但与嗜酸性粒细胞和记忆B细胞的浸润呈负相关（图d）。

作者进一步使用Spearman方法评估MitoDEGs与免疫检查点（图a）或免疫相关基因（图b-c）之间的关系。总的来说，除Acaa1b、Acacb和Acss1外，7个MitoDEGs与免疫检查点、抗菌药物、BCR信号通路、趋化因子受体、趋化因子、白细胞介素受体、白细胞介素、细胞因子、细胞因子受体、TCR信号通路和自然杀伤细胞的细胞毒性相关。

cMap分析和分子对接

最后作者利用cMap分析揭示了九种候选化合物——calyculin、amodiaquine、eudesmic acid、cefotaxime、BX-912、prostratin、SCH-79797、HU-211和pizotifen（图a）。进行了分子对接模拟，以阐明这些药物的治疗机制。在cMap数据库中排名第一的calyculin，其3D结构无法从PubChem获得。排名第二的amodiaquine是一种组胺受体激动剂，因其在卵泡发育和排卵中的参与而被选为与枢纽MitoDEGs编码的蛋白质进行对接的药物。amodiaquine与Hadhb、Cpt1a、Cpt2、Mrpl51、Eci1、Acacb和Acss1之间的结合能量分别为−7、−8.5、−8、−6.1、−7.6、−6.2和−8.2 kcal/mol（b-h）。

研究总结：

本研究通过综合生物信息学分析，旨在识别与早发性卵巢功能不全（POI）相关的线粒体相关基因签名，并探索其与免疫浸润的关联。作者从GEO数据库获取了与POI相关的转录组数据，通过构建蛋白质-蛋白质相互作用网络来识别枢纽生物标志物，并通过实时定量PCR和西方印迹进一步验证。此外，通过单细胞RNA测序分析，研究了这些基因在不同细胞类型中的表达情况。研究结果表明，共识别出119个与线粒体相关的的差异表达基因（MitoDEGs），这些基因在代谢途径中显著富集。其中，Hadhb、Cpt1a、Mrpl12和Mrps7这四个基因在POI模型和人类颗粒细胞（GCs）中得到了确认，它们在GCs和膜细胞中的积累与POI的病理生理学相关。免疫分析揭示了POI组和对照组之间在巨噬细胞、单核细胞和其他15种免疫细胞类型上的差异。此外，研究还发现七个核心基因MitoDEGs（Hadhb、Cpt1a、Cpt2、Mrpl12、Mrpl51、Mrps7和Eci1）与多种功能相关，包括线粒体呼吸复合体、动态变化、线粒体自噬、线粒体代谢、免疫相关基因和免疫细胞。总的来说，本研究强调了线粒体功能与免疫反应在POI发展中的相互作用，并识别了MitoDEGs作为POI早期诊断、监测和个性化治疗的可靠生物标志物的潜力。这些发现为未来POI的临床治疗提供了新的视角和潜在的治疗靶点。