转录组学和多层次变异分析确定STAT3和HIF1A是肺鳞状细胞癌中调控细胞死亡途径的核心调节因子

《Naunyn-Schmiedeberg's Archives of Pharmacology》：Transcriptomic and multi-layer variant analysis identifies STAT3 and HIF1A as central regulators of regulated cell death pathways in lung squamous cell carcinoma

肺鳞状细胞癌（LUSC）细胞死亡通路调控机制研究，通过整合5组GEO转录组数据，鉴定PPARG、STAT3、HIF1A、SMAD1、ZBTB16等核心转录因子，揭示其介导的凋亡/坏死信号交叉调控网络及功能SNP变异。

　　

摘要

肺鳞状细胞癌（LUSC）仍然是非小细胞肺癌（NSCLC）中最具侵袭性的亚型之一，其特征是高死亡率、治疗抵抗性和分子异质性。新兴证据强调了调控性细胞死亡（RCD）途径（包括凋亡、坏死性凋亡、铁死亡和焦亡）在决定肿瘤命运、免疫逃逸和治疗反应中的重要性。然而，调控LUSC中这些细胞死亡机制的转录调节因子和遗传变异仍大部分尚未明确。通过对五个GEO数据集（GSE146868、GSE204753、GSE268049、GSE236654和GSE250509）进行整合转录组分析，利用FerrDb v2.0、KEGG、Reactome和GeneCards提供的基因集，识别出与凋亡、坏死性凋亡、铁死亡和焦亡相关的差异表达基因。通过GO和KEGG的功能富集分析发现炎症、TNF和坏死性凋亡途径被显著激活。蛋白质-蛋白质相互作用网络（STRING）和枢纽分析（Cytoscape–CytoHubba）确定了核心的差异表达调控基因（DE-RCDGs），而上游转录调节因子则通过iRegulon预测并通过UALCAN表达数据、特征富集和生存数据集（TCGA、HPA）进行了验证。最后，通过多层生物信息学流程（SIFT、PolyPhen 2、CADD、REVEL、MetaLR、Mutation Assessor）优先筛选出关键转录因子中的高影响非同义SNP（nsSNPs），并对其进行结构建模以评估其功能影响。基于网络和调控的富集分析确定PPARG、STAT3、HIF1A、SMAD1和ZBTB16为在LUSC中连接凋亡和坏死性凋亡信号通路的核心转录调节因子。特征通路富集分析显示它们参与了缺氧反应、TNF/NF-κB信号通路和代谢重编程，突显了它们的多方面调控作用。使用TCGA/UALCAN进行的表达验证确认这五个转录因子在肿瘤组织中均显著上调，其中STAT3和HIF1A表现出最明显的致癌表达模式。生存分析表明，STAT3和HIF1A表达升高与较差的总体生存率相关，但通过HPA数据库的独立验证未发现显著的生存差异，这表明其预后作用可能依赖于具体背景。变异分析进一步发现STAT3（C712R；rs193922722和Q633L；rs2144684101）和HIF1A（C255G；rs1242097924和D55G；rs2044414353）中的高影响有害nsSNPs，这些SNP可能破坏蛋白质结构稳定性、金属结合几何结构和相互作用界面。结构建模证实了构象不稳定性和残基方向的改变，这与潜在的转录调控和信号传导准确性受损一致。当前的多组学分析将STAT3和HIF1A确定为协调LUSC中凋亡和坏死性凋亡信号通路的中心调节因子。这些转录因子中的有害nsSNPs揭示了可能导致肿瘤进展和治疗抵抗的结构脆弱性，为精准干预提供了有希望的靶点。

图形摘要

肺鳞状细胞癌（LUSC）仍然是非小细胞肺癌（NSCLC）中最具侵袭性的亚型之一，其特征是高死亡率、治疗抵抗性和分子异质性。新兴证据强调了调控性细胞死亡（RCD）途径（包括凋亡、坏死性凋亡、铁死亡和焦亡）在决定肿瘤命运、免疫逃逸和治疗反应中的重要性。然而，调控LUSC中这些细胞死亡机制的转录调节因子和遗传变异仍大部分尚未明确。通过对五个GEO数据集（GSE146868、GSE204753、GSE268049、GSE236654和GSE250509）进行整合转录组分析，利用FerrDb v2.0、KEGG、Reactome和GeneCards提供的基因集，识别出与凋亡、坏死性凋亡、铁死亡和焦亡相关的差异表达基因。通过GO和KEGG的功能富集分析发现炎症、TNF和坏死性凋亡途径被显著激活。蛋白质-蛋白质相互作用网络（STRING）和枢纽分析（Cytoscape–CytoHubba）确定了核心的差异表达调控基因（DE-RCDGs），而上游转录调节因子则通过iRegulon预测并通过UALCAN表达数据、特征富集和生存数据集（TCGA、HPA）进行了验证。最后，通过多层生物信息学流程（SIFT、PolyPhen 2、CADD、REVEL、MetaLR、Mutation Assessor）优先筛选出关键转录因子中的高影响非同义SNP（nsSNPs），并对其进行结构建模以评估其功能影响。基于网络和调控的富集分析确定PPARG、STAT3、HIF1A、SMAD1和ZBTB16为在LUSC中连接凋亡和坏死性凋亡信号通路的核心转录调节因子。特征通路富集分析显示它们参与了缺氧反应、TNF/NF-κB信号通路和代谢重编程，突显了它们的多方面调控作用。使用TCGA/UALCAN进行的表达验证确认这五个转录因子在肿瘤组织中均显著上调，其中STAT3和HIF1A表现出最明显的致癌表达模式。生存分析表明，STAT3和HIF1A表达升高与较差的总体生存率相关，但通过HPA数据库的独立验证未发现显著的生存差异，这表明其预后作用可能依赖于具体背景。变异分析进一步发现STAT3（C712R；rs193922722和Q633L；rs2144684101）和HIF1A（C255G；rs1242097924和D55G；rs2044414353）中的高影响有害nsSNPs，这些SNP可能破坏蛋白质结构稳定性、金属结合几何结构和相互作用界面。结构建模证实了构象不稳定性和残基方向的改变，这与潜在的转录调控和信号传导准确性受损一致。当前的多组学分析将STAT3和HIF1A确定为协调LUSC中凋亡和坏死性凋亡信号通路的中心调节因子。这些转录因子中的有害nsSNPs揭示了可能导致肿瘤进展和治疗抵抗的结构脆弱性，为精准干预提供了有希望的靶点。

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