Hic-5驱动上皮细胞机械转导并促进支气管收缩的正反馈循环

《Nature Communications》：Hic-5 drives epithelial mechanotransduction promoting a feed-forward cycle of bronchoconstriction

本研究聚焦于哮喘中支气管收缩引发的病理机制，揭示了关键调控蛋白Hic-5在气道上皮细胞机械转导中的核心作用。研究人员通过体外机械压缩模型模拟支气管收缩，结合单细胞RNA测序数据分析，发现Hic-5在压缩和TGF-β1刺激下表达上调，并通过TGF-β受体-ERK轴介导。Hic-5敲低显著减弱了细胞对压缩的响应，包括应力纤维形成、差异基因表达以及强效支气管收缩剂内皮素-1(ET-1)的分泌减少。该研究阐明了Hic-5通过驱动ET-1分泌，建立了一个支气管收缩的正反馈循环，为理解哮喘发病机制和开发新疗法提供了重要依据。

　　

当我们呼吸时，肺部气道会随着呼吸节奏扩张和收缩，这是维持生命所必需的正常生理活动。然而，对于哮喘患者而言，这种机械力可能变得具有破坏性。哮喘发作时，气道平滑肌过度收缩导致支气管管腔变窄，挤压内层的气道上皮细胞。这种过度的机械压缩不仅直接损伤上皮细胞，还会激活细胞内的“机械转导”过程，即细胞将机械信号转化为生物化学信号，进而引发基因表达改变、炎症因子释放等一系列病理反应。尽管机械力在哮喘发病中的作用逐渐被认识，但将机械压缩信号转化为特定病理反应的关键分子开关仍不清楚。这限制了我们开发针对这一过程的有效治疗方法。发表在《Nature Communications》上的这项研究，由Chimwemwe Mwase、Wenjiang Deng、Hyo Jin Kim等研究人员完成，他们发现了一个名为Hic-5的蛋白质，在气道上皮细胞的机械转导中扮演了核心角色，并揭示其如何推动一个加剧支气管收缩的“恶性循环”。

为了深入探究这一问题，研究人员运用了几项关键技术。他们使用了原代人气道上皮细胞在气液界面培养形成的分化良好的上皮模型，并施加模拟支气管收缩的机械压力。通过RNA测序和单细胞RNA测序数据再分析，在体外模型和哮喘患者样本中验证了关键分子的表达变化。利用反义寡核苷酸技术特异性敲低Hic-5的表达，并结合蛋白质印迹、免疫荧光、酶联免疫吸附试验等分子生物学技术，系统评估了Hic-5缺失对细胞骨架、基因表达和分泌功能的影响。

TGFB1I1表达在体外受机械压缩和TGF-β1诱导，并在人类哮喘急性发作期间上调

研究人员首先关注了Hic-5的编码基因TGFB1I1。在来自六位无呼吸道疾病史供体的原代人气道上皮细胞中，RNA测序分析显示，模拟支气管收缩的机械压缩在压缩后3小时和24小时均显著上调了TGFB1I1的表达。qPCR时间进程实验进一步证实，TGFB1I1的mRNA在压缩后3小时达到峰值诱导。鉴于TGF-β1在哮喘患者中水平升高，且TGFB1I1最初被鉴定为TGF-β1诱导基因，研究团队发现用重组人TGF-β1处理气道上皮细胞24小时，同样能显著诱导TGFB1I1的表达。为了建立体外发现与临床的相关性，他们重新分析了已发表的关于过敏原挑战后人类哮喘急性发作的单细胞RNA测序数据。分析显示，在经历支气管收缩的哮喘患者中，过敏原挑战后，TGFB1I1表达在气道基底细胞中显著增加。对另外两个公共单细胞RNA测序数据集的分析也证实，TGFB1I1在人气道基底细胞中富集表达。

Hic-5蛋白诱导由TGF-β受体-ERK轴介导，以响应机械压缩和TGF-β1

在蛋白质水平上，研究发现Hic-5在气道上皮细胞分化过程中表达逐渐降低。然而，在分化良好的细胞中，机械压缩和TGF-β1处理均能诱导Hic-5蛋白表达，但动力学有所不同：压缩诱导的Hic-5在24小时达到平台期，而TGF-β1诱导的Hic-5则随时间持续增加。通过药理学抑制剂，研究人员发现机械压缩和TGF-β1诱导Hic-5均依赖于TGF-β受体和ERK信号通路，而不依赖于EGFR通路。进一步分析下游信号发现，TGF-β1主要激活经典的SMAD2/3通路，而机械压缩则优先触发非经典的TGF-β受体-ERK通路。

Hic-5调控HBE细胞中的机械响应基因

为了探究Hic-5的功能，研究团队使用反义寡核苷酸在分化良好的气道上皮细胞中成功敲低了Hic-5的表达。RNA测序分析显示，在Hic-5野生型细胞中，机械压缩诱导了445个基因上调和159个基因下调。而在Hic-5敲低细胞中，压缩响应的基因数量显著减少。比较压缩条件下的野生型和敲低细胞，发现有193个压缩诱导的基因在敲低细胞中表达下调，其中包括TGFB1I1自身、PDGFB和EDN1。基因本体分析表明，Hic-5调控的生物学过程涉及肌动蛋白结合、细胞形态发生调控、伤口愈合以及凝血活性等。

Hic-5缺陷保护细胞免受机械压缩引起的应力纤维形成和细胞形状改变

免疫荧光染色显示，机械压缩诱导Hic-5野生型细胞中基底细胞应力纤维形成和顶侧细胞伸长。这些细胞骨架重塑现象在Hic-5敲低细胞中被显著减弱，表明Hic-5对于机械压缩触发的细胞骨架重构至关重要。

Hic-5缺陷减弱内皮素-1分泌

研究人员进一步验证了RNA测序中排名靠前的两个基因PDGFB和EDN1。qPCR证实，在Hic-5野生型细胞中，机械压缩显著诱导了PDGFB和EDN1的mRNA表达。然而，在Hic-5敲低细胞中，这种诱导作用被完全或显著 abolished。更重要的是，酶联免疫吸附试验检测发现，机械压缩和TGF-β1诱导的内皮素-1蛋白分泌在Hic-5敲低细胞中也大幅减少。

综上所述，这项研究确立了Hic-5作为气道上皮细胞机械转导的关键调节因子。研究表明，在哮喘支气管收缩过程中，施加于气道上皮的机械力通过TGF-β受体-ERK轴诱导Hic-5表达。Hic-5进而驱动细胞骨架重组和特定基因的表达，其中包括编码强效支气管收缩剂ET-1的EDN1基因。上皮细胞分泌的ET-1又可以进一步促进气道平滑肌收缩，从而形成一个“正反馈循环”，加剧和维持气道狭窄。这一机制将急性的机械应力事件与哮喘的慢性炎症和气道重塑联系起来。该研究不仅深化了我们对哮喘，特别是难治性哮喘发病机制的理解，揭示了机械力作为疾病主动驱动者的重要性，而且将Hic-5定位为一个潜在的治疗靶点。例如，通过吸入式反义寡核苷酸靶向气道上皮中的Hic-5，可能为中断这一恶性循环提供新的策略。此外，Hic-5在机械转导中的核心作用可能对其他由机械力失调驱动的慢性疾病，如特发性肺纤维化、心血管疾病等，也具有重要的启示意义。