基于生物信息学、机器学习及动物实验揭示天香丹调控胆汁酸代谢治疗动脉粥样硬化的作用

摘要

目的：通过生物信息学及机器学习，筛选与动脉粥样硬化（atherosclerosis,AS）相关的胆汁酸代谢差异基因，并在动物实验中验证天香丹治疗AS的作用机制是否与调控胆汁酸代谢相关。方法：通过生物信息学得到“天香丹-AS-胆汁酸代谢”差异表达基因（DEGs）并分析其相关性，进一步通过富集分析和蛋白互作网络筛选目的基因以进行生物信息验证。通过对目的基因免疫浸润分析和数据集样本的聚类分型，解析各分型间的免疫细胞差异。通过机器学习模型的构建，预测目的基因与AS疾病间的关联性，进一步通过外部数据集构建风险预测列线图模型验证其临床诊断效能。通过对目的基因的临床相关性分析，评价其临床应用价值。最后，采用动物实验再次验证目的基因FXR、LXRa、CYP7A1是否为天香丹调节胆汁酸代谢治疗AS的关键分子靶点。结果：共获得“天香丹-AS-胆汁酸代谢”核心基因CYP7A1、CYP19A1、FXR、LXRa，通过基因富集和关键基因分析显示富集通路最多、排名前三的是CYP7A1、LXRa、FXR，并对其进行进一步的机器学习分析、外部数据集和动物实验双重验证。免疫浸润结果显示CYP7A1、LXRa、FXR与22种免疫细胞中的1个或多个显著相关。通过风险预测列线图模型验证FXR对AS患病风险较明显。其中CYP7A1、FXR的表达与AS患者年龄负相关。通过动物实验发现：与空白对照组比较，模型组小鼠主动脉管腔较大粥样斑块，管壁见大量脂质沉积，天香丹治疗后小鼠主动脉管腔粥样斑块及脂质沉积情况均出现不同程度的缓解；模型组小鼠主动脉FXR蛋白水平升高，LXRa, CYP7A1蛋白水平降低，天香丹治疗后小鼠主动脉组织中FXR蛋白水平显著降低，LXRa, CYP7A1蛋白水平显著升高。结论：FXR、LXRa、CYP7A1是与AS发病密切相关的胆汁酸代谢关键基因，天香丹可通过下调FXR，上调LXRa、CYP7A1的水平，调节胆汁酸代谢平衡，从而防治AS。

关键词

天香丹 / 动脉粥样硬化 / 生物信息学 / 机器学习 / 动物实验

基金资助

新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（2021D01C227）; 国家自然科学基金项目（82160876）