《Biochemical Pharmacology》：The FOXA2/ST3GAL4 axis regulates airway mucus hypersecretion by modulating the ERK/NF-κB pathway
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摘要气道黏液高分泌是一种由多种致病因素驱动的、以过度产生黏液为特征的病理生理过程，该过程通过增加发病率和死亡率，加重了易感人群的临床预后。MUC5AC是气道杯状细胞分泌的主要黏蛋白，是量化黏液高分泌严重程度的标志性生物标志物之一。叉头框A2（FOXA2）在高表达于气道和肺泡Ⅱ
摘要
气道黏液高分泌是一种由多种致病因素驱动的、以过度产生黏液为特征的病理生理过程，该过程通过增加发病率和死亡率，加重了易感人群的临床预后。MUC5AC是气道杯状细胞分泌的主要黏蛋白，是量化黏液高分泌严重程度的标志性生物标志物之一。叉头框A2（FOXA2）在高表达于气道和肺泡Ⅱ型上皮细胞中，其下调与黏液高分泌及黏液纤毛清除功能受损相关。虽然ST3β-半乳糖苷α-2,3-唾液酸转移酶4（ST3GAL4）是一种关键的糖基转移酶基因，在细胞间相互作用和免疫反应中发挥重要作用，但其在气道中的具体功能尚未被探索。本研究探讨了FOXA2与ST3GAL4在调节气道黏液高分泌中的相互作用。利用C57BL/6小鼠建立了黏液高分泌的体内模型，通过气管内灌注铜绿假单胞菌PAO1来评估MUC5AC、FOXA2和ST3GAL4的表达谱。此外，构建了FOXA2过表达小鼠，以评估PAO1暴露后的肺炎症、黏液分泌及相关蛋白表达情况。在体外，利用绿脓菌素（PCN）在NCI-H292细胞中诱导黏液高分泌模型，以检测FOXA2、ST3GAL4和MUC5AC的表达水平，并阐明其潜在的相互作用。体内和体外实验结果表明，FOXA2过表达显著抑制了ST3GAL4和MUC5AC的表达，从而减轻了肺部病理损伤。机制上，FOXA2过表达有效抑制了ERK/NF-κB信号通路，而ERK的药理学抑制则显著降低了MUC5AC的表达。综上所述，这些发现表明FOXA2通过调节ERK/NF-κB信号通路上调ST3GAL4来缓解气道黏液高分泌
引言
在生理条件下，人类气道表面覆盖着一层薄薄的液体黏液层，由黏蛋白、抗菌蛋白、代谢物、水和电解质的复杂混合物组成。该层在肺部先天免疫中发挥着关键作用，通过维持气道湿润和捕获吸入的颗粒物和病原体来实现。然而，病理性黏液高分泌是多种呼吸系统疾病的标志，包括支气管哮喘、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、肺动脉高压（PH）和肺纤维化（PF）[1], [2], [3]。此类高分泌导致气道阻塞，增加感染易感性，损害肺功能，从而显著影响患者预后[4], [5]。迄今为止，已鉴定出人类21个黏蛋白基因，其中MUC5AC和MUC5B是主要亚型[6], [7]。作为分泌性凝胶形成黏蛋白，MUC5AC是黏液纤毛清除系统的关键组成部分，其异常过表达与过度黏液积聚直接相关[8]。持续性黏液积聚导致纤毛功能障碍和局部宿主防御受损，形成恶性循环，促进细菌定植、加重感染并刺激进一步黏液分泌。因此，靶向MUC5AC表达是减轻黏液高分泌和阻止相关呼吸系统疾病进展的有前景的治疗策略[9], [10]。铜绿假单胞菌PAO1是铜绿假单胞菌（PA）的标准参考菌株，PAO1破坏气道防御机制[11], [12]，并通过生物膜形成、毒素分泌和诱导过度炎症来驱动病理性黏液高分泌[13], [14]。因此，PAO1是研究气道黏液高分泌机制的有效实验模型。
叉头框A2（FOXA2）是叉头框（FOX）家族的成员。作为转录因子，FOXA2参与调节多种细胞过程，包括参与胚胎发育、碳水化合物和脂质代谢、细胞增殖、分化的调节以及肿瘤发生和转移[15], [16], [17]。在气道上皮细胞中，FOXA2直接抑制黏蛋白基因MUC5AC和MUC5B的转录，其表达下调与黏液高分泌显著相关[18], [19]。研究表明，FOXA2基因敲除小鼠发生杯状细胞化生和黏液蛋白高分泌，证实了FOXA2作为黏液稳态核心抑制因子的作用[20]。此外，FOXA2与STAT6、SPDEF等因素形成调节网络，影响上皮细胞分化和炎症反应[21]。大量研究表明，FOXA2在气道黏液分泌中发挥着复杂的平衡作用，是调节黏液分泌的多种信号通路的汇聚点，FOXA2的条件性缺失导致肺泡结构畸形、杯状细胞化生、黏液过度产生以及Th2细胞炎症[22]。
ST3β-半乳糖苷α-2,3-唾液酸转移酶4（ST3GAL4）可参与唾液酸化修饰，影响细胞表面糖蛋白和糖脂的结构。它与癌症[23], [24], [25]、免疫调节[26]和慢性炎症[27]等过程相关。研究发现，在使用卵白蛋白诱导的过敏性气道疾病模型中，ST3GAL4基因缺失小鼠经气管内卵白蛋白挑战后，支气管肺泡灌洗液中嗜酸性粒细胞数量显著减少[28]。ST3GAL4鲜有报道，尤其是在肺部相关疾病中。
根据文献报道[29]，FOXA2结合的保守区序列为5′-RTAAAYA-3′（R=A/G，Y=C/T）。通过分析人糖基转移酶ST3GAL4基因启动子区域-1371至+66，发现-1234至-1199区域有八个连续结合序列，每一个都可能是FOXA2与ST3GAL4潜在启动子结合的区域。因此，我们预测FOXA2可能调节ST3GAL4的表达，进而调节黏蛋白MUC5AC的水平。
由于MUC5AC基因调控的复杂性，其相关靶点调控尚未得到明确阐明。因此，需要更多研究来拓展肺部MUC5AC的研究，以期为改善肺部疾病和患者生活质量提供可能。然而，ST3GAL4是否参与FOXA2下游MUC5AC表达的调节仍属未知。本研究的目的是探索ST3GAL4和FOXA2在降低MUC5AC表达和防止气道黏液高分泌中的可能作用。
章节摘要
试剂
绿脓菌素（PCN）（P0046）购自SIGMA-ALDRICH（美国密苏里州圣路易斯）。pAAV-CMV-Foxa2过表达慢病毒颗粒购自OBiO（中国上海）。MUC5AC（45 M1）（sc-21701）和ST3GAL4（IF4）（sc-293406）抗体购自Santa Cruz（美国加利福尼亚），FOXA2（22427-1-AP）、β-actin（66009-1-Ig）和Erk1/2（AF1051）、Phospho-Erk1（Thr202/Tyr204）/Erk2（Thr185/Tyr187）（AF1891）、NF-κBp65（AF1234）抗体购自Beyotime
FOXA2过表达对小鼠肺组织的影响
AB-PAS染色结果表明，对照组支气管内杯状细胞分布有限，黏液分泌极少。相比之下，PAO1模型组杯状细胞数量明显增加，黏液分泌增多（图1B）。定量数据显示，与对照组相比，PAO1感染显著增加了每毫米基底膜的AB-PAS阳性杯状细胞数量，而FOXA2过表达显著减少了这一数量
讨论
气道黏液主要由上皮细胞和黏膜腺分泌的黏蛋白以及水组成，其中黏蛋白是黏液的主要成分，对黏液的性质和功能具有决定性影响[30]。气道黏液高分泌是多种呼吸系统疾病共有的重要病理特征。过度黏液积聚可导致气道阻塞、气流受限、气体交换障碍、通气/血流比例失衡、反复呼吸道
CRediT作者贡献声明
Danli Zhu：撰写——初稿，验证，形式分析。Xiaochun Huang：可视化，软件，形式分析。Jintao Gan：软件，形式分析。Houqiang Huang：撰写——审阅与编辑。Jing Jia：撰写——审阅与编辑，资金获取。
伦理批准与参与同意
所有动物实验方案均经西南医科大学动物伦理委员会批准。本研究中对动物进行的实验遵循了西南医科大学实验动物管理委员会提供的指导原则（编号：20220812-032），所有方法均按照ARRIVE指南进行报告。
资金来源
本研究得到国家自然科学基金委员会（资助号：82000052）、西南医科大学与泸州政府联合基金（资助号：2025LZXNYDJC15）、西南医科大学校级项目基金（资助号：2024LCYXZX06）的支持。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在可能影响本文报道工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
Danli Zhu|Xiaochun Huang|Jintao Gan|Houqiang Huang|Jing Jia
西南医科大学附属安纳医院（泸州），四川省泸州市麻醉与重症医学重点实验室
