高氧诱导急性肺损伤候选关键基因的生物信息学筛选与实验验证

《Gene》：Bioinformatics screening and experimental validation of candidate key genes in hyperoxia-induced acute lung injury

　　

摘要

高氧诱导的急性肺损伤（HALI）是长时间暴露于氧气下的严重后果，其特征为氧化应激、炎症反应和肺功能受损，但其潜在的分子机制尚未完全阐明。本研究旨在通过整合转录组学分析和实验验证， delineate 涉及 HALI 的候选基因和相关信号通路。分析了微阵列数据集 GSE237260，其中包括六个对照组和六个高氧暴露小鼠肺样本，以鉴定差异表达基因（DEGs）。共鉴定出 981 个 DEGs，随机森林分析鉴定出 20 个特征基因，其中 Sult1a1、Fibin、Ednrb、Tcim 和 Ptpru 显著高表达。功能富集分析表明与缺氧、炎症反应、mTORC1 信号通路、p53 信号通路以及通过 NF-κB 的 TNF-α 信号通路有关联。建立了使用 A549 细胞和人肺微血管内皮细胞（HPMECs）的高氧诱导小鼠和细胞模型进行实验验证。高氧暴露诱导了炎性浸润、肺水肿、气体交换受损、细胞活力降低、凋亡增加以及活性氧水平升高。Sult1a1、Fibin 和 Ednrb 在体内和体外均持续上调。高氧还增加了 mTOR、NF-κB p65 和 S6K 的磷酸化，而药理学抑制 mTORC1 或 NF-κB 相关信号通路以及 Ednrb 敲低则减轻了细胞损伤并降低了这些信号蛋白的磷酸化。相反，Ednrb 过表达加剧了高氧诱导的细胞损伤，并增加了 mTOR、NF-κB p65 和 S6K 的磷酸化。综上所述，这些发现鉴定了与 HALI 相关的候选关键基因和信号通路，并提供了实验证据支持 Ednrb 在高氧相关细胞损伤及 mTORC1/NF-κB 相关信号通路中的潜在参与。

引言

高氧常应用于危重患者和新生儿呼吸支持以改善组织氧合；然而，持续暴露于高浓度吸入氧，特别是在吸入氧浓度（FiO₂）水平约为 60% 或更高且持续数小时至 24 小时或更长时间的情况下，会增加肺氧毒性的风险，并导致高氧诱导的急性肺损伤（HALI）(Lileen et al., 2023, Minkove et al., 2023, Ripa et al., 2025)。HALI 涉及肺泡上皮和内皮结构的损伤，伴随气体交换受损、肺水肿和进行性呼吸功能障碍，从而限制了临床实践中氧气补充的治疗益处。越来越多的证据表明，过度氧暴露通过氧化应激、炎症激活和肺稳态破坏导致肺损伤 (Chen et al., 2024)，凸显了进一步阐明其分子基础的必要性。

HALI 的发病机制是多因素的，涉及过量活性氧（ROS）产生、炎症细胞募集、肺泡毛细血管屏障破坏和细胞存活信号失调 (Gu et al., 2024, Wang et al., 2024b)。高氧引起的持续性氧化应激可能导致肺泡上皮和肺内皮结构损伤，放大炎症反应，并最终损害组织修复和再生 (Ren et al., 2024, Fu et al., 2026)。尽管以往研究强调了炎症信号和氧化损伤在实验性肺损伤中的参与，但导致 HALI 进展的分子决定因素以及与高氧介导的组织损伤相关的调节通路仍理解尚不完全。

近期在转录组分析和计算方法方面的进展为鉴定复杂肺部疾病中的疾病相关分子特征和候选治疗靶点提供了新机遇 (Deng et al., 2025, Hu et al., 2025)。结合基因表达分析与机器学习算法的整合策略能够系统优先排序生物学相关的基因和通路，从而促进急性肺损伤的机制探索和生物标志物发现。然而，专门研究 HALI 中关键分子调节因子的研究仍然有限。

在本研究中，结合了转录组分析和机器学习方法来筛选关键的 HALI 相关基因，并在高氧诱导的细胞和小鼠模型中检查了它们的表达模式。应用功能富集来表征相关的分子功能和信号机制，随后对代表性候选物进行机制探索。这些发现扩展了对 HALI 的当前理解，并可能支持未来高氧相关肺损伤中分子标志物发现和干预开发的策略。

章节片段

转录组数据的下载与分析

GSE237260 转录组数据集通过基因表达综合（GEO）数据库访问。GSE237260 是使用 Illumina NovaSeq 6000 平台（GPL24247, Mus musculus）生成的高通量表达分析 RNA 测序（RNA-seq）数据集。该数据集包括 12 个肺组织样本，其中包括 6 个来自高氧诱导的急性肺损伤（HALI）小鼠模型的样本和 6 个来自野生型小鼠的样本。使用 Sangerbox 3.0 进行基因 ID 转换 (https://sangerbox.com/home.html

HALI 中差异表达基因的鉴定及候选基因表征

火山图分析显示 HALI 组中共有 981 个差异表达基因，包括 549 个上调和 432 个下调基因（图 1A）。随后使用随机森林分析根据变量重要性评分来优先排序与 HALI 相关的候选基因。鉴定出了排名前 20 的候选基因，包括 Sult1a1、Fibin、Tcp11l2、Igfbp5、Ednrb、Slc15a2、Scd1、Hbb-b1、Sema7a、Cep85、Ccng2、Entrep1、Kalrn、Oasl2、Tcim、Erbb3、Tspan18、Scgb1a1、Ptpru 和 Snhg11（图。

讨论

在本研究中，我们采用了一种结合转录组学分析、机器学习和实验验证的整合策略来调查与 HALI 相关的分子改变。我们的发现表明，HALI 的特征是炎症信号、细胞应激反应和代谢适应的协调紊乱，并伴随几个候选基因，特别是 Sult1a1、Fibin 和 Ednrb 的持续失调。这些发现总体上

结论

本研究通过转录组分析、机器学习和实验验证，提供了与 HALI 相关的分子改变的综合表征。我们的发现鉴定了 HALI 中炎症反应、氧化应激相关细胞损伤和应激适应性信号的协调变化。此外，候选基因，特别是 Ednrb，在转录组、动物和细胞模型中的一致性失调凸显了其潜在相关性

数据和材料的可用性

本研究使用的 GEO 公共数据集和数据仓库中的数据集登录号如下：GSE237260。

CRediT 作者贡献声明

Jing Yu: 撰写 – 原稿，资金获取，数据管理，概念化。Shaohua Wang: 调查，形式分析。Tong Su: 方法学，调查。Jun Gao: 验证，形式分析。Xuan Zhao: 方法学，形式分析。Qiongling Sun: 方法学，数据管理。Shiwei Kang: 验证，资源。Kun Tang: 验证，调查。Zhiming Zhao: 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理。Wensen Pan: 撰写 – 审阅与编辑，监督，

伦理批准和参与同意

本研究中的所有方法和程序均依照动物研究的相关指南和法规进行。研究期间动物福利也得到了严格保护。本研究获得了河北医科大学第二医院实验动物福利与伦理委员会的批准，批准决定编号为 2025-AE193。

资金

本研究由以下拨款资助：河北省医学科学研究项目计划，2022（项目编号：20221094），科技厅健康与养生创新特别项目，2021（项目编号：21377702D），河北省医学科学研究项目计划，2023（项目编号：20230065），以及中医药科研课题项目，2023（项目编号：2023074）。

利益冲突声明

作者声明无已知可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Jing Yu|Shaohua Wang|Tong Su|Jun Gao|Xuan Zhao|Qiongling Sun|Shiwei Kang|Kun Tang|Zhiming Zhao|Wensen Pan