视网膜退行性病变中细胞应激反应的比较转录组学分析：揭示不同细胞死亡途径的相对贡献

《Cell Death & Disease》：Comparative transcriptomic analysis of retinal response to diverse cellular stresses reveals relative contributions of different cell death processes and signalling networks

本研究针对视网膜退行性病变中多种细胞死亡机制相对贡献不明的科学问题，通过建立氧化应激、低氧、内质网应激和慢性炎症四种小鼠模型，开展比较转录组学分析。研究发现不同应激源可激活独特的分子特征，其中焦亡(pyroptosis)是跨应激类型的共同激活通路，而铁死亡(ferroptosis)和自噬介导的细胞死亡则分别与氧化应激和炎症应激特异性相关。该研究为开发靶向疗法提供了重要见解，论文发表于《Cell Death and Disease》(2025)16:876。

　　

当我们谈论失明的主要原因时，视网膜退行性病变是一组不容忽视的进行性疾病。这类疾病包括年龄相关性黄斑变性(AMD)、糖尿病视网膜病变(DR)、青光眼以及遗传性视网膜营养不良(IRDs)，影响着全球数百万人的视力健康。尽管临床表现各异，这些疾病的共同终点都是光感受器细胞和视网膜色素上皮(RPE)的功能障碍和死亡，而这一过程由多种应激诱导的细胞死亡机制驱动。

虽然已有研究报道了多种细胞死亡途径参与视网膜退化过程，但科学界对每种途径的相对贡献仍知之甚少。传统的观点认为凋亡(apoptosis)是主要的细胞死亡机制，然而 caspase 抑制剂的疗效有限提示非凋亡性细胞死亡机制可能发挥着关键作用。这些机制包括调节性坏死(necroptosis)、焦亡(pyroptosis)、铁死亡(ferroptosis)、副凋亡(paraptosis)等，它们通过独特的分子事件序列被激活。面对如此复杂的细胞死亡网络，研究人员迫切需要厘清不同应激条件下视网膜细胞的死亡偏好性。

为了回答这一科学问题，Subhradeep Sarkar、Ramaraj Kannan等研究人员在《Cell Death and Disease》上发表了他们的最新研究成果。他们假设不同的病理应激源——氧化应激、低氧、内质网应激和炎症——通过独特但相互关联的分子途径导致光感受器和RPE退化。通过系统研究这些应激诱导的细胞死亡机制中的分子特征和调控通路，该研究旨在阐明视网膜退化的潜在病理生理学，并为减缓视网膜疾病中的光感受器损失识别潜在治疗靶点。

研究人员主要应用了以下几种关键技术方法：使用C57BL/6小鼠建立四种视网膜退化模型（钠碘酸盐诱导氧化应激、钴氯化物诱导化学性低氧、衣霉素诱导内质网应激、脂多糖诱导炎症应激）；通过光学相干断层扫描(OCT)和眼底成像评估视网膜结构和血管变化；利用组织学染色(H&E)和TUNEL染色分析视网膜形态和细胞凋亡；采用RNA测序技术进行全转录组分析；通过qRT-PCR验证关键基因表达；并对公共数据库中的多个视网膜退化模型数据集进行荟萃分析验证主要发现。

视网膜形态学和功能完整性的体内评估

研究人员首先通过OCT和眼底成像评估了应激诱导后视网膜的形态学变化。与对照组相比，所有应激条件均导致显著的视网膜层变薄和结构破坏。氧化应激引起的退化最为严重，表现为光感受器层完全变性和RPE破坏。眼底成像显示应激诱导的血管异常，包括血管衰减和RPE色素沉着增加，这些变化在PBS处理的对照组中均未观察到。

视网膜退化的组织学评估

H&E染色进一步证实了应激诱导的视网膜层变薄和结构破坏。化学性低氧和内质网应激导致内核层(INL)、外核层(ONL)和神经节细胞层(GCL)厚度减少，内质网应激还引起神经视网膜脱离。炎症应激导致广泛的变薄和光感受器丢失，而氧化应激引起严重的ONL/INL变薄和完全的光感受器变性。

视网膜退化中细胞凋亡的评估

TUNEL染色显示所有应激条件下ONL和其他视网膜层中的核DNA碎片化显著增加。氧化应激诱导的TUNEL阳性细胞数量最高，其次是内质网应激、炎症应激和化学性低氧。凋亡相关基因表达分析显示，Bax表达在所有应激条件下显著上调，而Bcl2、Abca4和Aipl1表达显著下调，表明光感受器完整性受损。

应激诱导视网膜模型的转录组学分析

主成分分析(PCA)显示不同应激条件形成独特的基因表达簇。研究人员分析了与视网膜退行性疾病相关的900多个基因，发现每种应激条件都有独特的基因表达特征。氧化应激导致Pdss1和Abcc6下调，这些基因已知与视网膜色素变性和视网膜病变有关。炎症应激上调细胞粘附和视觉感知基因，而下调视觉维持和有丝分裂相关基因。

基因本体(GO)分析揭示了不同应激条件下的特异性和收敛性生物学过程。密度图分析显示，氧化应激上调焦亡相关基因和铁死亡；内质网应激诱导焦亡性细胞死亡和铁死亡；炎症应激上调几乎所有类型的细胞死亡通路，其中焦亡和铁死亡相关基因显著增加；而低氧应激没有显示出通路间的明显差异模式。

高丰度基因表达分析

通过严格过滤，研究人员保留了25，528个基因，并进一步筛选出515个高丰度基因。层次聚类显示炎症模型聚集在一起，其次是内质网应激模型，而低氧和对照样本分别聚类。这些基因被分为两个明显不同的簇：簇1(488个基因)富集于过氧化氢反应、无氧呼吸、自噬、蛋白酶体介导的分解代谢等过程；簇2(27个基因)参与上皮分化、氨基丁酸信号传导、单原子离子运输和钙信号传导。

无偏倚差异基因表达分析

研究人员对每种应激模型与PBS对照组进行了差异表达基因分析。氧化应激导致67个基因上调和103个基因下调；炎症应激导致112个基因上调和216个基因下调；内质网应激导致67个基因上调和103个基因下调；低氧应激导致上调解偶联蛋白和活性氧代谢相关基因，而下调内质网相关降解和凋亡通路基因。

通过组合分析，研究人员将861个基因聚类为七个组群，每个组群与特定的生物学过程相关。例如，簇1与钙胞吐、IGF信号传导、染色质重塑等相关，在氧化应激模型中显著性更高；而簇2、3和6主要与炎症应激相关，涉及自噬、T细胞分化等过程。

研究发现Arhgap26、Ccdc9、Ube2e2和Fndc3b等基因在内质网应激、炎症和氧化应激下共同失调。此外，Nfix在氧化应激中显著上调，ELP6在炎症应激条件下上调，Naca在内质网应激诱导下表达升高，而Plcd3在低氧条件下下调。

研究结论与讨论部分强调，尽管在不同疾病模型中进行了广泛研究，视网膜细胞死亡的机制仍不完全清楚。该研究的比较分析揭示了不同应激条件下独特和收敛的分子特征，其中最重要的发现是焦亡作为跨应激类型的共同激活通路。通过对公共数据库中多个视网膜退化模型数据集的荟萃分析，研究人员进一步验证了这一发现，表明在AMD、RP相关的视网膜脱氢酶12突变、青光眼模型以及低氧诱导模型中，焦亡相关基因表达均上调。

该研究的创新之处在于首次通过比较转录组学方法系统评估了多种应激条件下视网膜细胞死亡的相对贡献。研究发现不仅揭示了焦亡作为视网膜退化的关键共同通路，还识别了与特定应激相关的独特分子特征。这些发现对于开发广谱性视网膜保护疗法具有重要意义，特别是针对遗传背景多样但表型重叠的遗传性视网膜疾病如视网膜色素变性。

然而，研究也存在一定局限性，如采用的急性处理模型仅在单一时间点给予固定剂量，慢性长期暴露模型可能更能模拟进行性视网膜细胞丢失的过程。此外，细胞死亡机制的分析基于从文献和相关数据库中筛选的特定基因集，随着未来实验模型功能数据的积累，这一分析可能进一步完善。

总体而言，这项研究深化了我们对应激诱导的视网膜细胞死亡机制的理解，为开发针对多种视网膜退行性疾病的共同治疗策略提供了重要的分子基础。通过识别关键的细胞死亡通路和分子标志物，该研究为预防或减缓视网膜退化的靶向疗法开发指明了新的方向。