单细胞联合转录组学研究瘢痕疙瘩中嘌呤代谢的分子机制

《Burns》：Single-cell combined transcriptome explores the molecular mechanism of purine metabolism in keloids

该研究通过整合生物信息学分析和实验验证，系统探讨了嘌呤代谢相关基因在瘢痕疙瘩（KD）发病中的作用，发现PRPS1和RRM2是关键基因，并揭示了其通过共富集通路、免疫细胞浸润及非编码RNA调控网络的分子机制。

Bendian Song | Shitong Guo | Zhiyu Li | Luying Wang | Jianhai Bi

山东第一医科大学附属山东省医院烧伤与整形外科，中国济南

摘要

目的

瘢痕疙瘩病（KD）是一种良性皮肤肿瘤；然而，与嘌呤代谢相关的基因（PMRGs）在KD中的机制仍不清楚。本研究旨在识别KD中的关键PMRGs并阐明其调控机制。

患者和方法

分析了三个与KD相关的数据集（GSE145725、GSE7890和GSE163973）以及147个PMRGs。通过将GSE145725中的差异表达基因（DEGs）与PMRGs进行交集，识别出差异表达的PMRGs（DE-PMRGs）。通过蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）分析筛选关键基因，并在GSE145725和GSE7890中验证这些基因。RT-qPCR确认了临床样本中的表达水平。基因集富集分析（GSEA）、免疫浸润分析和调控网络研究了关键基因的机制。对GSE163973进行单细胞分析以确定关键细胞类型，随后进行伪时间和细胞通讯分析。

结果

从1,537个DEGs中识别出16个DE-PMRGs。经过PPI、ROC曲线和表达分析，RRM2和PRPS1被确定为关键基因。RT-qPCR显示KD组织中PRPS1的表达显著增加，而RRM2的表达显著减少（P < 0.001）。这两个基因在蛋白酶体、细胞周期和剪接体通路中共同富集。免疫浸润显示RRM2与静息记忆CD4+ T细胞呈正相关，而PRPS1与单核细胞呈负相关。PRPS1可能受到hsa-miR-216a-5p和18个lncRNAs的调控，这两个基因也受到IRF1的调控。神经细胞和内皮细胞被确定为具有高基因表达的关键细胞类型，显示出在不同阶段的分化。内皮细胞与成纤维细胞有强烈的相互作用。

结论

RRM2和PRPS1是影响KD发病机制的关键嘌呤代谢相关基因，为KD的诊断和治疗提供了新的见解。

引言

瘢痕疙瘩病（KD）是一种特殊的病理性瘢痕，其特征是皮肤表面出现坚硬的肿块，并能够侵入原始伤口边界以外的周围正常组织[1]、[2]。组织学上，KD表现为异常的成纤维细胞增殖、增强的代谢活性和过多的细胞外基质沉积[3]，这支持其被归类为一种良性的、类似肿瘤的瘢痕增生形式。KD不仅影响外观，还常伴有瘙痒、反复感染和溃疡。这些症状显著降低了患者的生活质量，并带来了巨大的社会经济和医疗负担[4]。目前，手术切除仍是KD的主要临床治疗方法；然而，单独手术后的复发率非常高——接近100%。为了降低这种复发风险，通常将抗肿瘤药物（如5-氟尿嘧啶[5-FU]、干扰素、博莱霉素）和放疗与手术结合使用[3]、[4]。尽管进行了广泛的研究，KD的具体发病机制尚未完全阐明。因此，探索KD发病机制的分子机制并识别导致过度瘢痕形成的关键基因、信号通路和治疗靶点对于开发更有效和精确的治疗策略至关重要。 鉴于瘢痕疙瘩中观察到的细胞增殖和代谢失调，以及其类似肿瘤的行为，越来越多的注意力集中在驱动这种病理生长的基本代谢通路上。嘌呤代谢是一个核心的生化过程，它通过从头合成和补救途径调控嘌呤核苷酸的合成、降解和回收。嘌呤核苷酸（如ATP和GTP）参与DNA和RNA的生物合成、细胞能量代谢、信号转导和其他重要生物过程[5]。嘌呤代谢的失调与多种疾病有关，包括神经退行性疾病、风湿性免疫疾病、慢性炎症和组织纤维化以及恶性肿瘤[6]、[7]；据报道，它还促进了组织纤维化等增生性疾病的进展[8]。值得注意的是，KD表现出类似侵袭性皮肤癌的良性肿瘤特征。结合嘌呤代谢与增生之间的已知联系，这种相似性表明嘌呤代谢可能在KD的发展中起作用。然而，这种关联的具体分子机制尚不清楚。嘌呤代谢是否通过调节免疫反应、能量代谢或氧化应激来影响KD的病理进展，需要进一步研究。因此，本研究旨在通过识别关键的嘌呤代谢相关基因、进行功能注释、构建调控网络和预测分子机制来阐明嘌呤代谢与KD之间的关系，以发现潜在的治疗靶点。 在这种背景下，KD的分子机制仍不清楚，嘌呤代谢与KD之间的关联也尚未阐明。因此，我们利用生物信息学方法系统地识别KD和嘌呤代谢的共有分子标志物。首先，我们使用生物信息学分析来筛选KD和正常皮肤组织之间与嘌呤代谢相关的差异表达基因，并识别潜在的关键基因。随后，我们进行了机制导向的分析，包括功能富集、调控网络构建和药物靶点预测，以加深对KD分子机制的理解，并为精确的KD治疗提供理论基础和候选靶点。在此基础上，我们通过实验验证进一步确认了KD和正常皮肤组织样本中的基因表达水平。

数据来源

训练数据集（GSE145725）、验证数据集（GSE7890）和单细胞RNA测序数据集（scRNA-seq；GSE163973）来自基因表达组学数据库（GEO；https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/）。训练数据集包括9名KD患者和10名正常对照者的皮肤组织样本，基于GPL16043平台。验证数据集包括5名KD患者和5名正常对照者的皮肤组织样本（平台：GPL570）。此外，GSE163973数据集...

共识别出16个DE-PMRGs

在GSE145725数据集的差异表达分析后，共识别出1,553个DEGs，其中包括780个上调基因和773个下调基因（|log₂FC| > 0.5, P < 0.05）（图1A–B）。通过将这些DEGs与PMRGs进行交集，识别出16个DE-PMRGs：ADA、ADCY7、AMPD3、GUCY1A2、NME4、NME5、NT5C2、NT5E、PAPSS2、PDE1A、PDE1C、PDE4D、PDE5A、PDE7B、PRPS1和RRM2（图1C）。GO富集分析显示，这些DE-PMRGs与301个术语显著相关，其中包括266个...

讨论

KD的特点是在伤口愈合过程中由异常的成纤维细胞驱动的结缔组织增殖。它超出原始伤口边界，侵入相邻的健康皮肤，但没有远处转移。KD表现出类似癌症的生物学特征，如进行性和不可控制的生长、缺乏自发消退以及高复发率[3]、[23]。历史上，研究人员将KD的增生归因于皮肤张力、缺氧、慢性...

结论

本研究通过综合生物信息学分析确定了PRPS1和RRM2是参与KD发病机制的关键嘌呤代谢相关基因。RT-qPCR验证证实KD组织中PRPS1显著上调，RRM2显著下调。这两个基因在剪接体、细胞周期和蛋白酶体通路中共同富集，并通过lncRNA–miRNA–mRNA调控网络和免疫细胞浸润机制参与了KD的发展。这些发现为...

缩写

5-FU
5-氟尿嘧啶
cDNA
互补DNA
CTD
比较毒理学数据库
DC
树突状细胞
DE-PMRG
差异表达的嘌呤代谢相关基因
DEG
差异表达基因
DGIdb
药物-基因相互作用数据库
dNTP
脱氧核苷酸
ECM
细胞外基质
FC
倍数变化
GEO
基因表达组学数据库
GGI
基因-基因相互作用
GO
基因本体
GSEA
基因集富集分析
KD
瘢痕疙瘩病
KEGG
京都基因组与基因百科全书
lncRNA
长非编码RNA
MC
肥大细胞
miRNA

伦理批准和知情同意

本研究获得了山东第一医科大学附属医院人类生物医学研究伦理委员会的批准。批准编号和批准日期如下：[SWYX: NO.2025-546]，批准日期为2025年9月1日。所有涉及人类参与者的研究程序均符合机构研究委员会的伦理标准以及1964年赫尔辛基宣言及其后续修订案或类似的伦理标准。

出版同意

所有参与者均提供了书面知情同意，同意其临床数据在本研究中被发表。本手稿中不包含参与者的任何识别信息、图像或视频。

资助

本研究得到了山东省自然科学基金（项目编号ZR2022MH080）的支持。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决定或手稿准备方面没有发挥作用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢所有参与本研究的患者以及协助样本收集的医务人员。