骨髓脂代謝紊亂與原發性骨質疏松癥的關系及臨床意義研究

張靖嬪，羅錦輝，邱明林

原發性骨質疏松癥（osteoporosis， OP）是一種以骨量減少和骨組織微結構退化為特征的慢性骨病，是骨脆性和骨折風險升高的重要因素之一［1］。流行病學調查結果顯示，OP 在各個人群中都可能發生，我國50 歲以上人群OP 患病率女性為20.7%，男性為14.4%，但絕經后女性和老年男性的OP 發病率明顯升高［2-5］。近年來，隨著我國老齡人口的比例增加，OP 已成為老年人群致殘和致死的主要危險因素之一，同時嚴重影響老年人群的生活質量，因此，OP 的治療和預防已成為一個重要的公共衛生和臨床醫學問題［6］。隨著現代醫學的發展，OP 發病機制研究和治療方案有了長足進步，然而其發病機制目前仍不十分明確，為OP 的精準治療和個性化預防方案的制定造成一定的阻礙。因此，積極探索OP的發病機制仍是該領域重要的熱點問題和戰略任務之一。

近年來，相關研究顯示，骨量減少或OP 與骨髓脂代謝紊亂常存在普遍的并存現象，二者深層關系也受到越來越多的關注［7-9］。脂代謝涵蓋的指標較多，脂代謝異常的定義也比較廣泛。脂代謝紊亂是高脂血癥、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的直接危險因素。目前研究認為，高脂血癥、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病與OP 具有密切聯系，提示（骨髓）脂代謝紊亂可能是OP 的間接危險因素［10-11］。另有證據表明脂代謝紊亂可以直接導致骨髓脂肪增多，進而引起骨髓微循環障礙和骨量減少，這即為骨髓脂代謝紊亂形成的基本過程［12-14］。但上述OP 與脂代謝關系的機制假說仍需進一步深入證實。

為進一步探明骨髓脂代謝紊亂對OP 發生和發展的影響和作用機制，本研究利用基因組學數據，分析脂代謝相關基因在OP 患者骨髓間充質干細胞基因組學范圍內的表達特點，了解骨髓脂代謝紊亂對OP 影響及臨床意義，為OP 的預防和治療提供基因組學證據。

1 資料與方法

1.1 資料來源 在美國國立生物技術信息中心GEO 數據庫下載獲得基因芯片數據GSE35959（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE35959），該數據集研究設計類型為病例對照研究，標本來源為與OP 關系緊密的骨髓間充質干細胞。本研究將標本分為2 組，OP 組（n=5）和健康對照組（n=14）。OP 組共5 例，其中男性2 例，女性3 例，年齡（86.20 ± 5.66）歲；健康對照組共14 例，其中男性2 例，女性12 例，年齡（64.07 ±13.90）歲。

1.2 差異表達基因分析 采用R 軟件（4.1.3 版）的Limma 包對數據集進行預處理，并進行標準化；然后獲得原發性OP 骨髓間充質干細胞的差異表達基因（differentially expressed genes， DEGs），篩選標準為llog2Fold Changel＞ 2，FDR＜0.05。

1.3 人類脂代謝基因的獲取 從Molecular Signature Database v5.1（MSigDB）中綜合收集751 個脂代謝相關基因。然后與OP 的DEGs 取交集，獲得OP患者差異表達的脂代謝基因列表。

1.4 富集分析 本研究使用R 軟件在KEGG 數據庫（https：//www.kegg.jp/kegg/rest/keggapi.html）獲取最新的KEGG Pathway 和GO 注釋，以此作為背景，將OP 脂代謝基因集映射到背景集合中，使用R 軟件包cluster Profiler 進行富集分析，以獲得基因集富集的結果。設定最小基因集為5，最大基因集為5 000，FDR＜0.05 為有統計學意義。

1.5 蛋白-蛋白互作（protein-protein interaction，PPI）網絡的建立 將OP 差異表達的脂代謝基因列表上傳至STRING 數據庫（https：//cn.string-db.org/）建立PPI 網絡，信度參數設定為0.700。

1.6 統計學處理 篩選PPI 網絡中重要的HUB 蛋白（互作關系≥5 的節點），采用受試者操作特征（receiver operating characteristic， ROC）曲線分析評估HUB 蛋白鑒別診斷OP 的敏感度和特異度，并采用Pearson 相關性分析上述重要HUB 蛋白表達在OP 患者中是否具有關聯，檢驗水準α=0.05。

2 結果

2.1 DEGs 分析 與健康對照組相比，在OP 患者骨髓間充質干細胞中，共鑒定出2 105 個DEGs，其中上調基因1 940 個，下調基因165 個，火山圖和聚類熱圖見圖1A、1B。在2 105 個OP-DEGs 中，共有75 個與脂代謝相關的DEGs，見圖1C。

圖1 OP 患者間充質干細胞DEGs 的篩選和表達模式

2.2 OP 脂代謝相關基因的富集分析 OP 脂代謝相關基因的GO 富集分析結果顯示：OP 脂代謝相關基因參與機體的各種脂代謝過程，包括細胞脂代謝、小分子脂代謝、脂質合成、脂肪酸代謝等過程。由此可見，OP 脂代謝相關基因參與機體脂代謝的途徑復雜、精細，值得進一步證實。KEGG富集分析結果表明，OP 脂代謝相關基因主要涉及花生四烯酸代謝、甘油磷脂代謝、PPAR 信號通路、α-亞麻酸代謝、醚脂代謝、卵巢類固醇生成、膽固醇代謝、亞油酸代謝、甘油脂代謝等信號通路。見圖2。

圖2 OP 脂代謝相關基因的富集分析結果

2.3 OP 脂代謝相關基因PPI 網絡的建立 PPI 網絡共包含75 個節點，65 條互作關系（P＜0.01）；其中互作關系≥5 的節點為7 個，分別為HELZ2、CYP4A11、ALOX5、PTGS2、CYP4F2、ALOX12B、FABP4，互作關系最多的為HELZ2。OP 脂代謝相關基因PPI 網絡見圖3。

圖3 OP 脂代謝相關基因的蛋白-蛋白互作網絡

2.4 HUB 脂代謝相關基因的表達水平 OP 患者7 個HUB 基因的表達水平高于健康對照組，差異有統計學意義（P＜0.05），提示OP 患者的脂代謝水平存在升高的趨勢。OP 脂代謝相關基因PPI 網絡中的7 個HUB 脂代謝基因的表達水平分析見圖4。

圖4 OP 脂代謝相關基因的表達水平比較

2.5 OP 脂代謝相關基因的相關性分析 OP 脂代謝相關基因PPI 網絡中的7 個HUB 基因與OP 患者的相關性分析發現，ALOX5 基因與HELZ2 基因表達呈負相關（P＜0.05）。見圖5。

圖5 OP 脂代謝相關基因的相關性分析

2.6 脂代謝相關基因對OP 的鑒別 PPI 網絡中的7 個HUB 基因鑒別OP 的ROC 曲線分析發現，HELZ2、CYP4A11、ALOX5、PTGS2、CYP4F2、ALOX12B、FABP4 基因對OP 均具有一定的鑒別意義，曲線下面積均＞0.8，有統計學意義（P＜0.05）。見圖6 和表1。

表1 OP 脂代謝相關基因鑒別OP 的ROC 曲線各指標

圖6 OP 脂代謝相關基因鑒別OP 的ROC 曲線

3 討論

OP 是一種慢性全身性骨骼疾病，其病理特征為骨量減少、骨密度降低及骨微觀結構改變，導致骨折風險增加。目前，全球OP 患者超過2 億人，其發病率位居常見病的第7 位，已成為世界公認的公共衛生問題［4,15-17］。OP 成為我國第4 大常見慢性病，其發病率和患者人數均隨人口老齡化趨勢而升高［6］。據調查，我國50 歲以上人群中，約40%的女性和13% 的男性在其老齡階段至少發生1 次骨折［18-19］。目前，針對OP 病因機制制定的干預治療方案臨床上已達成共識。然而，雖然近年來OP 的治療和預防手段越來越先進，但其發病機制仍不十分明確，影響其防治效果進一步改善。因此，OP 的預防和治療已成為醫務工作者重要的工作任務之一。

目前，對OP 發病機制的研究主要集中在成骨細胞和破骨細胞的生成和功能平衡、雌激素缺乏等方面。近年來，骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stromal cells， BMSCs）與脂肪細胞的關系受到越來越多的關注。目前，該領域的研究發現，BMSCs 向脂肪細胞轉化增速，使骨髓內脂肪細胞數目不斷增多，體積逐漸增大，直接導致骨髓腔內微環境發生改變，造成骨髓脂代謝紊亂；同時BMSCs 向成骨細胞的分化減少，破骨細胞的形成增多和功能活化，二者之間的功能平衡被破壞，最終導致OP［12-13］。另有學者認為，機體雌激素等水平變化后，可加速運動員脂肪分解，總膽固醇和三酰甘油水平升高，誘發高脂血癥，提高OP 發生的風險，這一關系已得到證實［10-11,20］。近年來，在臨床上，OP患者常伴有脂代謝紊亂，同時，部分OP 患者應用降血脂藥物的同時骨密度升高。由上述證據可見，骨髓脂代謝紊亂在OP 發病機制中起著重要作用，但其具體的調控機制復雜，仍需深入探索。

本研究基于基因組學數據，采用基因組學分析技術，探討了脂代謝基因在OP 患者骨髓間充質干細胞中的表達情況，并建立了PPI 網絡，探討關鍵基因對OP 的指示意義。分析結果顯示，75 個脂代謝相關的基因在OP 患者骨髓間充質干細胞中異常表達，提示這些基因參與了OP 患者骨髓脂代謝紊亂過程。此過程中，OP 脂代謝相關基因主要參與了細胞脂代謝、小分子脂代謝等更加精細的脂代謝過程，并涉及甘油磷脂代謝、α-亞麻酸代謝等信號通路。上述分析結果提示，骨髓脂代謝紊亂是一個更加復雜、精細的過程，可涉及多條信號通路。隨后筆者建立了OP 差異表達的脂代謝相關基因的PPI網絡，該網絡的核心節點為HELZ2，互作關系≥5 的節點的蛋白在OP 患者骨髓間充質干細胞中均呈高表達，進一步證實OP 患者均存在骨髓脂代謝紊亂現象。

HELZ2 基因編碼的蛋白質是過氧化物酶體增殖物激活受體α 的核轉錄共激活因子，包含一個鋅指，是一種解旋酶，可能是過氧化物酶體增殖物激活受體α 相互作用復合物的一部分［21-22］。該蛋白位于OP 脂代謝相關基因的PPI 網絡的中心，提示在OP 患者骨髓脂代謝紊亂過程中，可能存在復雜的氧化應激過程。ALOX5 基因編碼的花生四烯酸5-脂氧合酶是炎癥介質白三烯和脂氧素生成旁路的一個起始催化酶［23-25］。OP 患者ALOX5 和HELZ2基因表達升高，二者存在負相關，提示OP 患者骨髓脂代謝紊亂過程是一個脂氧代謝平衡紊亂的過程，有待進一步深入探究。

綜上所述，OP 患者機體存在骨髓脂代謝紊亂，脂代謝相關基因對上述過程具有一定的調控作用，本研究篩選的7 個重要的脂代謝相關基因對OP 具有一定的鑒別診斷能力，為OP 的預防、診斷和治療提供了重要參考。