通過生物信息學分析和機器學習，鑒定人鞏膜成纖維細胞中與細胞外基質硬度相關的基因
《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Identification of extracellular matrix stiffness-related genes in human scleral fibroblasts through bioinformatics analysis and machine learning
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時間：2026年03月02日
來源：Biochemical and Biophysical Research Communications 2.2
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本研究通過培養人類鞏膜成纖維細胞于軟硬聚丙烯酰胺水凝膠上，結合RNA測序和生物信息學分析，篩選出ECM硬度相關的關鍵基因LDLR、DNM1、DUSP15、NES和PPL，其中DNM1被證實為近視診斷的最佳生物標志物。
朱成成|劉長輝|王靜|鄒慧慧|梁玲
山東大學齊魯醫院德州醫院眼科
摘要
背景
鞏膜細胞外基質（ECM）的重塑在近視的發展中起著關鍵作用。本研究旨在利用RNA測序和生物信息學分析方法，識別人類鞏膜成纖維細胞（HSFs）中與ECM硬度相關的基因。
方法
將HSFs培養在軟性和剛性聚丙烯酰胺水凝膠上（分別模擬近視和正常狀態的細胞外基質）。對HSFs進行RNA測序，以識別差異表達基因（DEGs）。通過基因本體論（GO）和京都基因與基因組百科全書（KEGG）富集分析、基因集富集分析（GSEA）、蛋白質-蛋白質相互作用（PPI）網絡以及機器學習算法來探索與ECM硬度相關的關鍵基因。構建諾模圖和接收者操作特征曲線，以評估這些基因在近視患者HSF測序數據集中的診斷價值。分析了GSE131831中近視組和正常組之間的差異微RNA（miRNAs），并建立了miRNA-信使RNA網絡。
結果
數據集包含1368個上調基因和1481個下調基因，這些基因主要與鞏膜ECM硬度的變化相關。確定了5個關鍵基因（LDLR、DNM1、DUSP15、NES和PPL），其中DNM1是最佳的近視診斷標志物。
結論
研究證實LDLR、DNM1、DUSP15、NES和PPL是人類鞏膜成纖維細胞中與ECM硬度相關的基因，其中DNM1是最佳的近視診斷標志物。這些基因與近視和鞏膜重塑之間的關聯值得進一步研究。
引言
近視是一個顯著的全球公共衛生問題，在過去幾十年里，其發病率在許多地區都在上升。[1, 2] 近視患者的眼球會過度延長，這增加了他們出現威脅視力的并發癥的風險，可能導致視力下降甚至失明，包括黃斑變性、視網膜脫離、白內障等。[3] 一旦發生近視，這種變化是不可逆的。[4, 5] 因此，預防近視或延緩其發展對于改善長期視力結果至關重要。因此，探索近視的發病機制是一個亟待滿足的研究需求。
鞏膜細胞外基質（ECM）的重塑在近視的發展中起著關鍵作用。[6] 這一過程會降低鞏膜的彈性，導致眼球軸向延長。[7>鞏膜成纖維細胞是鞏膜中的主要細胞類型，負責分泌ECM成分。[8] 以往的研究發現，鞏膜重塑與細胞骨架變化、基質金屬蛋白酶（MMPs）的上調、缺氧應激等因素有關。[8, 9, 10] 最近，人們對近視性鞏膜重塑中的機械調節機制越來越關注。[11, 12] 機械刺激可以調節細胞功能和ECM的合成。[13, 14] 我們之前的研究還發現，ECM硬度的變化可以通過整合素/F-actin/YAP信號通路來調節近視性鞏膜重塑。[9] 然而，機械信號對鞏膜成纖維細胞功能的影響仍需進一步研究。
RNA測序是一種有價值的工具，可用于研究疾病過程中的轉錄組變化，以發現發病機制和新的治療策略。[15] 生物信息學方法（如功能富集分析和機器學習）可用于分析高維轉錄組數據，以定位具有生物學意義的基因。[16, 17] 在鞏膜成纖維細胞中應用RNA測序和生物信息學方法來篩選與ECM硬度相關的基因具有探索性。在本研究中，分別使用軟性和剛性聚丙烯酰胺水凝膠來模擬近視和正常狀態的ECM，并將人類鞏膜成纖維細胞（HSFs）培養在這些水凝膠上。隨后進行RNA測序，并通過生物信息學分析轉錄組變化，以深入了解近視的發病機制。
部分摘要
細胞培養與處理
HSFs從Procell（武漢，中國）獲取，并在含有10%胎牛血清、1%青霉素-鏈霉素和成纖維細胞生長補充劑的HSF細胞完全培養基（Procell，武漢，中國）中培養。根據細胞形態（紡錘形、貼壁生長）和免疫熒光染色（vimentin[+]及keratin[-]）來鑒定細胞（圖S1）。
將第四代的HSFs以5×104/mL的密度接種在涂有膠原蛋白的軟性（8 kPa）或剛性（50 kPa）聚丙烯酰胺水凝膠上
差異表達基因（DEG）的識別
主成分分析（PCA）顯示軟性和剛性組之間存在明顯差異（圖1A）。箱線圖顯示了樣本間差異基因表達的中位數和四分位數（圖1B）。火山圖展示了1368個上調基因和1481個下調基因（圖1C），熱圖則呈現了每個樣本的層次聚類結果（圖1D）。
功能富集分析
GO分析表明，這些差異表達基因參與“細胞黏附分子結合”、“中心體”、“染色質結合”等過程
討論
本研究使用軟性和剛性聚丙烯酰胺水凝膠分別模擬近視和正常狀態的鞏膜ECM，并將HSFs培養在這些水凝膠上。通過RNA測序和生物信息學分析，篩選出5個關鍵基因（LDLR、DNM1、DUSP15、NES和PPL）。我們的發現強調了ECM機械特性對鞏膜成纖維細胞的重要影響。
差異表達基因的功能富集分析表明，這些基因主要參與“細胞黏附分子”的相關過程
結論
本研究通過生物信息學分析和機器學習方法，識別出人類鞏膜成纖維細胞中與ECM硬度相關的基因（LDLR、DNM1、DUSP15、NES和PPL），其中DNM1是最佳的診斷標志物。這些基因與近視和鞏膜重塑之間的關聯值得進一步研究。
作者貢獻聲明
鄒慧慧：撰寫 – 審稿與編輯、數據分析。梁玲：撰寫 – 審稿與編輯、監督、方法學設計、概念構思。朱成成：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、數據可視化、方法學設計、資金獲取、數據分析、概念構思。王靜：撰寫 – 審稿與編輯、數據可視化、方法學設計、概念構思。劉長輝：初稿撰寫
資助
本研究得到了山東省自然科學基金（編號ZR2023QH553）的支持。
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