《Clinical, Cosmetic and Investigational Dermatology》：Integrated Transcriptomic and Single-Cell Analyses Link ATP7A, a Cuproptosis-Related Hub Gene, to ECM-Adhesion Signaling Dysfunction in UVB-Induced Skin Photodamage
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摘要
目的 探究UVB诱导的皮肤光损伤与铜死亡（cuproptosis）之间的关联，并鉴定关键调控基因。
方法 从GEO数据库获取UVB照射的人皮肤转录组数据（GSE41078）。鉴定差异表达基因（Differentially Expressed Ge
摘要
目的 探究UVB诱导的皮肤光损伤与铜死亡（cuproptosis）之间的关联，并鉴定关键调控基因。
方法 从GEO数据库获取UVB照射的人皮肤转录组数据（GSE41078）。鉴定差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs），随后进行基因本体论（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析以及加权基因共表达网络分析（Weighted Gene Co-expression Network Analysis, WGCNA）。通过交集DEGs、铜死亡相关基因（Cuproptosis-Related Genes, CRGs）以及与光损伤最相关的WGCNA模块，定义关键调控因子。利用单细胞RNA测序数据（GSE289389）评估角质形成细胞中ATP7A的表达，并推断细胞间通讯（CellChat），重点关注细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）和粘附信号传导。通过定量实时聚合酶链反应（quantitative real-time polymerase chain reaction, qRT-PCR）和蛋白质印迹法（Western blot）在UVB诱导的急性光损伤细胞和小鼠模型中对枢纽基因进行验证。
结果 对GSE41078数据集的分析揭示了509个与光损伤相关的DEGs。WGCNA鉴定出蓝色模块与光损伤相关性最强。将978个核心模块基因与55个CRGs和509个DEGs交叉比对，识别出一个枢纽基因，即ATP酶铜转运α（ATP7A）。单细胞分析证实UVB照射后ATP7A显著下调（p = 1.83 × 10?5），并显示ATP7A高表达的角质形成细胞通过增强的ECM-粘附信号（例如胶原蛋白、层粘连蛋白）与基质细胞表现出更强的整合，而ATP7A低表达的细胞则显示出对微环境信号的响应减弱。实验验证提示，在光损伤的细胞和小鼠模型中，ATP7A的mRNA和蛋白表达均显著降低（P < 0.05），与计算预测一致。
结论 本研究表明ATP7A下调与UVB诱导的光损伤之间可能存在关联，并且可能与铜死亡相关通路有关。根据CellChat分析，ATP7A下调与角质形成细胞中ECM-粘附信号相互作用的减少相关。该分析为光损伤的机制提供了新线索，并提示ATP7A可能参与皮肤光损伤的功能调控。
**论文解读：ATP7A在UVB诱导皮肤光损伤中的铜死亡相关作用机制研究**
**研究背景与问题**
皮肤作为人体最大的器官，是抵御紫外线（ultraviolet, UV）等环境损伤的首要屏障。UVB（波长280–320 nm）主要被表皮（70%）和真皮浅层（10%）吸收，是导致皮肤光损伤的主要外源性因素。持续UVB照射可引起活性氧（reactive oxygen species, ROS）过量产生，激活核因子κB（nuclear factor kappa B, NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）等氧化应激信号通路，导致脂质和蛋白质过氧化、线粒体及DNA损伤、细胞周期阻滞及细胞外基质（extracellular matrix, ECM）降解，最终造成皮肤组织损伤。铜死亡（cuproptosis）是2022年发现的一种由细胞内铜积累触发的程序性细胞死亡方式，其特征包括线粒体收缩、质膜破裂、内质网损伤和染色质断裂，其机制与三羧酸循环中脂酰化蛋白的异常铜结合及铁-硫簇蛋白减少有关。UVB诱导的光损伤与铜死亡均以线粒体功能紊乱为核心：UVB通过氧化攻击损伤线粒体，铜死亡则通过铜驱动的蛋白毒性应激引发线粒体应激。然而，目前尚无研究探讨UVB诱导皮肤光损伤与铜死亡之间的分子关联。因此，研究人员提出假设：UVB诱导的氧化应激可能损害铜输出ATP酶，导致细胞内Cu
+异常积累，后者通过芬顿样反应放大ROS产生，进而加剧线粒体损伤。为验证这一假设，研究人员利用生物信息学方法分析公开转录组数据，结合单细胞测序及实验验证，旨在鉴定UVB光损伤与铜死亡共同的关键调控基因，为皮肤光损伤和衰老的干预提供新的生物标志物和治疗靶点。该论文发表于《Clinical, Cosmetic and Investigational Dermatology》。
**主要关键技术方法**
研究人员从GEO数据库获取UVB照射人皮肤转录组数据集GSE41078（20个样本，10例光损伤病变组织与10例正常对照），并通过Genecards数据库检索获得55个铜死亡相关基因（cuproptosis-related genes, CRGs）。采用R语言limma包筛选差异表达基因（DEGs），利用clusterProfiler包进行GO和KEGG富集分析，通过WGCNA包构建共表达网络并鉴定与光损伤表型最相关的模块。将模块核心基因与DEGs及CRGs取交集获得枢纽基因。另从GEO获取单细胞RNA-seq数据集GSE289389（34,856个细胞），使用Seurat进行质量控制、降维聚类和细胞注释，利用CellChat推断细胞-细胞通讯，重点关注ECM和粘附信号通路。最后，基于HaCaT细胞（来自南昌大学第一附属医院细胞库）和6只雄性BALB/c小鼠（购自江苏集萃药康生物科技股份有限公司）建立UVB急性光损伤模型，通过qRT-PCR和Western blot验证ATP7A的mRNA和蛋白表达水平。
**研究结果**
**1. 筛选符合纳入标准的基因芯片数据集**
根据预设筛选标准（mRNA转录组矩阵、人皮肤组织、至少20个样本、含健康对照与光损伤病变比较），仅GSE41078数据集符合要求，包含20个样本，其中10个光损伤病变样本和10个正常对照样本。
**2. 光损伤的差异表达基因（DEGs）**
利用limma包分析，共鉴定出509个DEGs，其中290个上调，219个下调。火山图和热图显示两组样本间基因表达谱存在显著差异。
**3. DEGs的功能富集分析**
GO分析显示，DEGs在生物学过程方面显著富集于细胞趋化、白细胞迁移、氧化应激反应和铜离子应答；细胞组分富集于含胶原的ECM、分泌颗粒腔、内质网腔和胞质囊泡腔；分子功能富集于糖胺聚糖结合、细胞因子活性、氧化还原酶活性和铜离子结合。KEGG通路分析表明，DEGs主要富集于“细胞因子-细胞因子受体相互作用”、“PI3K-Akt信号通路”、“谷胱甘肽代谢”和“NF-κB信号通路”。
**4. WGCNA揭示与光损伤密切相关的共表达基因模块**
通过WGCNA分析，选取软阈值12构建无尺度网络，共鉴定出6个共表达模块。其中蓝色模块与光损伤表型相关性最强（r = –0.91，P = 4×10
?8），包含978个枢纽基因。
**5. 角质形成细胞ATP7A表达水平与ECM-粘附信号网络整合程度相关**
将蓝色模块978个基因、55个CRGs和509个DEGs取交集，仅获得一个枢纽基因：ATP7A（ATP酶铜转运α）。单细胞RNA-seq分析显示，UVB组角质形成细胞中ATP7A表达较对照组显著下调（p = 1.83×10
?5）。根据ATP7A中位表达水平，将角质形成细胞分为ATP7A高表达亚群和低表达亚群。CellChat分析表明，尽管两种亚群均处于细胞通讯网络的中心位置，但ATP7A高表达角质形成细胞与基质细胞（尤其是成纤维细胞和内皮细胞）的整合更强，主要体现在ECM和粘附相关的信号通路，包括胶原-受体（如COL1A1/1A2/4A1/6A1–CD44/SDC1/SDC4）、层粘连蛋白-受体（LAMA/LAMB/LAMC–CD44/DAG1）、纤连蛋白介导的粘附（FN1–整合素/CD44）以及血小板反应蛋白和腱糖蛋白相关相互作用。这些ECM驱动的信号对ATP7A高表达细胞的强度持续高于低表达细胞，提示UVB相关的ATP7A下调导致角质形成细胞对微环境结构和粘附信号的响应减弱。
**6. 体外实验验证结果**
（1）小鼠皮肤组织HE染色：与对照组相比，UVB组小鼠背部皮肤出现角质层增厚、角化过度以及浅中层真皮层淋巴细胞为主的炎性浸润，证实成功建立光损伤动物模型。
（2）qRT-PCR检测炎症因子：在UVB细胞模型中，IL-1β显著升高（P < 0.05），IL-6和TNF-α极显著升高（P < 0.01）；在UVB小鼠模型中，IL-6显著升高（P < 0.05），IL-1β和TNF-α极显著升高（P < 0.01），证实UVB成功诱导光损伤并引发炎症反应。
（3）ATP7A的mRNA和蛋白水平：qRT-PCR显示，与对照组相比，UVB组细胞和小鼠模型中ATP7A mRNA表达均显著下调（P < 0.05）；Western blot结果一致表明，UVB组ATP7A蛋白表达显著降低（P < 0.05）。这些实验验证结果与生物信息学分析预测一致。
**讨论与结论总结**
讨论部分指出，光损伤与铜死亡均涉及线粒体功能障碍，但此前缺乏直接关联研究。本研究的生物信息学分析首次揭示ATP7A作为枢纽基因连接二者。ATP7A是一种P型铜转运ATP酶，在正常生理条件下与铜转运蛋白1（copper transporter 1, CTR1）协同维持铜稳态。UVB照射可能损害ATP7A功能，导致细胞内Cu
+积累，后者通过芬顿样反应产生大量ROS，进一步破坏线粒体功能并可能触发铜死亡相关细胞死亡。单细胞分析进一步表明ATP7A下调降低了角质形成细胞与基质细胞之间的ECM-粘附信号交互，这可能是光损伤中组织微环境重塑的重要环节。实验验证证实了ATP7A在mRNA和蛋白水平的显著下调。
研究也存在局限性：生物信息学仅使用单一公共数据集；动物实验样本量较小（每组3只）；实验验证仅限于表达水平分析，未进行功能获得/缺失实验或通路干预。
**研究结论**
综上所述，基于整合的生物信息学分析以及使用qRT-PCR和Western blot在细胞和动物模型中的初步验证，本研究提示铜转运蛋白ATP7A可能与UVB诱导皮肤光损伤中的氧化应激反应有关。研究结果还表明，铜死亡可能与UVB诱导的光损伤有关，ATP7A可能参与ECM-粘附信号功能障碍。虽然这些结果将ATP7A确定为候选基因以供进一步功能研究，但仍需额外实验来确立其确切作用和治疗意义。
