《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Molecular subtyping and functional characterization of gastric cancer using arginine metabolism-related genes
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本综述系统阐述了精氨酸代谢相关基因（ArMGs）在胃癌（GC）中的分子特征，通过共识聚类将胃癌分为三个分子亚型（C1、C2、C3），并构建了包含TMEM171、SLC5A1等7个基因的稳健预后预测模型。该模型与肿瘤免疫微环境（TME）、免疫治疗敏感性及多条信号通路显著相关，功能实验验证了ODC1和ALDH18A1在胃癌进展中的关键作用，为胃癌精准预后评估和个体化治疗提供了新见解。
引言
胃癌（GC）是全球范围内致死率最高的恶性肿瘤之一，其显著的异质性给治疗策略和预后工具带来了巨大挑战。近年来，研究提示精氨酸代谢失调在胃癌发病机制中扮演重要角色，然而其代谢特征和临床预后价值尚未被完全阐明。代谢重编程是癌症的标志之一，肿瘤来源的代谢物可通过损害免疫细胞活化和抑制抗肿瘤反应来促进肿瘤进展。氨基酸作为必需的代谢底物，参与蛋白质合成并通过涉及核苷酸生物合成、氧化还原平衡和表观遗传修饰的途径调节细胞命运。其中，精氨酸代谢因其免疫调节功能而备受关注。
材料与方法
研究从TCGA和GEO数据库获取了胃癌基因表达数据及临床信息。通过共识聚类分析，基于9个差异表达的精氨酸代谢相关基因（ArMGs）的表达谱将胃癌样本分为三个分子亚型。利用Limma包进行差异表达分析，筛选亚型间的差异表达基因（DEGs）。采用Lasso-Cox回归模型构建预后风险模型，并计算每位患者的风险评分。通过Kaplan-Meier生存分析、ROC曲线以及决策曲线分析（DCA）评估模型的预测性能。利用CIBERSORT算法评估肿瘤免疫微环境中的免疫细胞浸润，并通过GSVA和GSEA分析风险组间的信号通路差异。单细胞RNA测序数据经过Seurat包预处理和t-SNE可视化，用于分析模型基因在细胞群中的表达。通过qPCR在胃癌组织和细胞系中验证关键基因表达，并利用CCK-8、平板克隆形成和Transwell实验进行功能验证。
结果
差异表达与分子分型
从GSEA数据库初步筛选出10个ArMGs，其中9个（AZIN2、HNF4A、ARG1、ARG2、ASL、ODC1、OTC、AZIN1、ALDH18A1）在胃癌与正常组织间存在显著差异表达。基于这9个基因的表达进行共识聚类，当K=3时，成功将胃癌数据集划分为三个具有明显界限的亚型：C1、C2和C3。生存分析显示，三个亚型间的总生存期存在显著差异，其中C1亚型患者预后最佳。
预后模型的构建与验证
通过亚型间差异表达基因的交集，得到88个重叠基因。经单因素Cox回归和Lasso回归筛选，最终确定7个关键预后基因（TMEM171、SLC5A1、DEGS2、MGP、C7、HMGCS2、CREB3L3）用于构建预后风险模型。风险评分公式为各基因表达量与其Lasso回归系数的加权和。根据中位风险评分将患者分为高风险组和低风险组。在TCGA训练集和测试集以及外部GEO验证集（GSE26901、GSE62254）中，Kaplan-Meier曲线均显示高风险组总生存期显著短于低风险组。ROC曲线分析证实了模型良好的预测准确性。整合风险评分和临床特征（如年龄、性别、TNM分期等）构建的列线图（Nomogram）能够有效预测患者3年和5年生存率，DCA表明模型具有临床获益。
模型与治疗反应及免疫特征关联
药物敏感性分析显示，高风险组患者对多种常用化疗药物（如Camptothecin、Cisplatin、Gefitinib等）的敏感性显著降低。利用TIDE算法预测免疫治疗反应，发现高风险组TIDE评分更高，提示其对PD-1/CTLA-4抑制剂等免疫检查点阻断疗法的反应可能更差。基因组学分析表明，高风险组的肿瘤突变负荷（TMB）、微卫星不稳定性（MSI）和新抗原（NEO）负载均低于低风险组。免疫细胞浸润分析揭示了风险组间免疫微环境的差异：高风险组中活化的树突状细胞、M0巨噬细胞、活化的肥大细胞、中性粒细胞和静息NK细胞浸润减少，而初始B细胞、静息树突状细胞、静息肥大细胞和单核细胞比例升高。
信号通路与单细胞分析
GSVA和GSEA富集分析提示，高风险组和低风险组间的差异主要富集于Hedgehog信号通路、IL6-JAK-STAT3信号通路、IL2-STAT5信号通路、cAMP信号通路、Rap1信号通路和Wnt信号通路等。单细胞转录组分析将细胞注释为24个亚型，归属于14个主要细胞谱系。模型中的7个预后基因在各类免疫细胞和上皮细胞中呈现出不同的表达模式。AUCell分析进一步揭示了模型基因表达与特定免疫代谢通路之间的相关性。
关键基因的功能验证
基于模型基因与ArMGs的共表达网络分析，选择ODC1和ALDH18A1作为关键候选基因进行深入功能探索。qPCR验证证实ODC1和ALDH18A1在胃癌组织中的表达显著高于癌旁正常组织。在胃癌细胞系（AGS和HGC-27）中，通过siRNA成功敲低ODC1和ALDH18A1的表达。功能实验结果表明，敲低任一基因均能显著抑制胃癌细胞的增殖能力、克隆形成能力和侵袭能力。
讨论
本研究基于精氨酸代谢相关基因成功对胃癌进行了分子分型，并构建了一个稳健的七基因预后预测模型。该模型不仅能够准确评估胃癌患者的生存风险，还与化疗及免疫治疗敏感性、肿瘤免疫微环境特征以及多个致癌信号通路的激活状态密切相关。研究结果强调了精氨酸代谢在胃癌进展中的重要性。其中，ODC1作为多胺代谢途径的限速酶，ALDH18A1作为脯氨酸和精氨酸从头合成的关键酶，被证实是胃癌进展的关键驱动因子，其表达上调促进了胃癌细胞的恶性表型。这为开发针对精氨酸代谢的靶向治疗策略提供了理论依据。尽管本研究存在一些局限性（如回顾性数据、需要在更多独立临床队列中验证等），但其整合多组学数据构建的预后模型以及发现的关键基因，为胃癌的精准预后评估和个体化治疗提供了新的分子见解和潜在靶点。
结论
综上所述，本研究系统性地揭示了精氨酸代谢相关基因在胃癌中的分子特征，建立并验证了一个强大的预后预测模型。该模型在预测患者结局、指导治疗策略方面展现出巨大潜力。关键基因ODC1和ALDH18A1的功能验证进一步深化了对胃癌代谢重编程的理解，为未来开发新的治疗干预措施奠定了基础。
