单细胞与转录组联合分析揭示特发性肺动脉高压中成纤维细胞介导的糖酵解关键调控基因IGF1/KARS/CASP3/CDKN2A

《Journal of Translational Medicine》：Combined analysis of single-cell and bulk transcriptome sequencing data identifies critical glycolysis genes in idiopathic pulmonary arterial hypertension

编辑推荐：为阐明特发性肺动脉高压(IPAH)血管重塑中糖酵解异常调控机制，哈尔滨医科大学团队通过整合单细胞测序(scRNA-seq)和转录组分析，发现成纤维细胞是糖酵解主要效应细胞，鉴定出IGF1/KARS/CASP3/CDKN2A四个关键调控基因，为靶向代谢干预提供新策略。该研究发表于《Journal of Translational Medicine》。

　　

肺动脉高压被称为"心血管系统的癌症"，其中特发性肺动脉高压(IPAH)因病因不明、预后极差备受关注。这种疾病最致命的特征就是肺血管重塑——血管壁像失控的建筑工地一样异常增厚，最终导致右心衰竭。尽管现有药物能暂时缓解症状，但针对血管增殖的核心机制仍缺乏有效干预手段。近年来，科学家们发现IPAH患者血管细胞存在诡异的"能量偏好"：即使在氧气充足时，细胞也像癌细胞一样依赖糖酵解供能，这种现象被称为"Warburg效应"。这种代谢重编程如何驱动血管重塑？哪个细胞类型在其中唱主角？这些关键问题一直悬而未决。

哈尔滨医科大学的研究团队在《Journal of Translational Medicine》发表的研究给出了突破性答案。他们巧妙结合单细胞测序和转录组分析技术，首次揭示成纤维细胞是IPAH糖酵解调控的"主谋"，并锁定IGF1、KARS、CASP3和CDKN2A四个关键基因构成调控网络。这项研究不仅解开了IPAH代谢异常的细胞特异性谜团，更提供了精准干预的新靶点。

研究团队采用多组学联合作战策略：从GEO数据库获取IPAH患者肺组织单细胞测序数据(GSE228644)和两个转录组数据集(GSE113439/GSE53408)，通过scMetabolism和AUCell算法量化细胞代谢活性；运用WGCNA构建基因共表达网络；结合差异表达分析、PPI互作网络筛选枢纽基因；最后通过MCT诱导的大鼠PH模型进行实验验证。

在细胞战场地图上，研究团队首先通过单细胞测序识别出13种细胞类型，发现IPAH患者成纤维细胞比例显著增加。代谢分析显示，糖酵解通路在IPAH中异常活跃，而成纤维细胞正是这场"能量叛乱"的策源地——其糖酵解活性显著高于其他细胞，且IPAH患者的成纤维细胞比健康对照组"燃烧糖分"更猛烈。转录组分析同样证实，IPAH患者的整体糖酵解评分明显升高，诊断效能AUC值高达0.84-1.00。

为了揪出幕后操纵者，研究人员展开基因"缉凶行动"：WGCNA分析锁定与糖酵解最相关的蓝色模块；结合2836个差异基因和GeneCards数据库筛选，获得43个关键候选基因。PPI网络分析最终捕获四大"主犯"——IGF1、KARS、CASP3和CDKN2A。这组基因构成精妙的调控网络：IGF1作为生长因子激活PI3K/AKT/mTOR信号通路；KARS通过调控线粒体功能间接影响代谢；CASP3参与凋亡与代谢交叉调控；而CDKN2A作为抑癌基因表达下调，解除对细胞周期的刹车作用。实验验证显示，MCT诱导的PH大鼠模型中，这组基因表达变化与测序结果高度一致。

这项研究的突破性发现为IPAH治疗开辟了新思路。传统疗法主要针对血管收缩，而对增殖性重塑束手无策。该研究首次揭示成纤维细胞代谢重编程的核心地位，其发现的IGF1/KARS/CASP3/CDKN2A调控网络，为开发靶向糖酵解的精准疗法提供了理论依据。特别是KARS作为氨酰-tRNA合成酶家族成员，其非经典代谢调控功能的发现，拓展了对代谢酶"兼职"功能的认知。未来针对这些靶点的抑制剂（如IGF1受体拮抗剂或KARS小分子调节剂）可能成为遏制血管重塑的"代谢刹车"。

研究也存在值得深入的方向：成纤维细胞亚群异质性、关键基因的时空表达动态、代谢物如何精确调控表型转变等问题仍需探索。团队在讨论中指出，结合单细胞多组学和代谢流分析技术，将能更全面解析IPAH的代谢调控图谱。这项发表于《Journal of Translational Medicine》的研究，标志着肺动脉高压治疗从血管扩张剂时代迈向靶向代谢干预的新纪元。