HMOX1：呼吸道疾病中的“矛盾卫士”——上调表达揭示新型保护机制

CRSwNP、AR和AS是常见的上、下呼吸道疾病，严重影响全球健康、生活质量和社会经济地位。CRSwNP影响大约14%的美国成年人、大约10.9%的欧洲成年人和大约8%的中国成年人。CRSwNP患者常常出现鼻塞、嗅觉丧失和面部疼痛，导致生活质量下降，并因反复感染和手术而增加医疗费用。AR影响全球多达30%的成人和40%的儿童，表现为打喷嚏、瘙痒、鼻塞和流鼻涕等症状。这些症状会扰乱日常活动和睡眠，并因医疗费用和生产力损失造成沉重的经济负担。AS影响着全球超过3亿人，其特征是发作性哮鸣、气短、胸闷和咳嗽。这种疾病不仅导致严重的发病率和死亡率，而且由于频繁住院和医疗保健使用而产生巨大的经济成本。

从GEO中鉴定出健康鼻黏膜和CRSwNP之间的差异表达基因（DEG）。使用基因集富集分析（GSEA）和随机森林（RF）算法进一步筛选候选基因。使用TwoSampleMR分析进行候选基因与上、下呼吸道疾病（CRSwNP、AR和AS）之间的因果推断。scRNA-seq数据用于确定候选基因的细胞定位和细胞间相互作用。分子对接用于鉴定潜在的治疗药物。

BulkRNASeq分析显示，与对照组相比，CRSwNP组有1514个增加的DEGs，1303个减少的DEGs（图2C）。GSEA富集分析表明CRSwNP中的基因在REACTOME_SIGNALING_BY_INTERLEUKINS和REACTOME_INTERLEUKIN_4_AND_INTERLEUKIN_13_SIGNALING通路中富集（图2D-E）。DEGs与IL4-IL13通路之间有28个相交基因（图2F-G）。RF算法显示这些基因表现出高稳定性和较少的样本残差，其中HMOX1获得最高的重要性得分（图2H-I）。最后，在其他四个队列中验证了HMOX1以确保其普遍性（所有P<0.05）（图2J-M）。

TwoSampleMR分析表明，使用逆方差加权（IVW）方法，HMOX1与鼻息肉和AS发病率呈负相关（图3A）。散点图显示了每种MR方法的效应大小，结果显示随着HMOX1表达的增加，CRSwNP、AR和AS的发病率逐渐下降（图3B-D）。留一分析表明，在依次删除单个SNP后，HMOX1对CRSwNP、AR和AS的因果效应与主要MR研究结果一致（图3E-G）。森林图、漏斗图均支持HMOX1是这三种呼吸道疾病的保护因素的结论。随后进行了反向MR研究，结果显示没有反向因果关系的证据。

Bulk-seq结果显示Control组和CRSwNP组之间的免疫细胞浸润存在差异。CRSwNP组中浆细胞(P <0.05)、静息记忆CD4T细胞(P <0.01)和活化NK细胞(P <0.01)浸润减少，而CRSwNP组中M2巨噬细胞(P <0.001)、活化树突状细胞(P <0.05)和中性粒细胞(P <0.01)浸润增加(图4A-B)。相关性分析显示HMOX1和M2巨噬细胞浸润之间存在很强的正相关性(图4C)。

scRNA-seq结果显示CRSwNP中上皮细胞、NK细胞、单核细胞、成纤维细胞和内皮细胞的比例降低，而CRSwNP中T细胞、肥大细胞、B细胞和M2巨噬细胞的比例增加（图5D），且炎症基因的表达水平在CRSwNP中升高（图5F）。scRNA-seq还显示HMOX1分布在M2巨噬细胞和单核细胞中（图5G）。此外，在THPA数据库发现HMOX1在脾脏、淋巴结、肺和肝脏中高表达（图6A），在肺、骨髓和其他器官中的免疫组织化学染色评分最高（图6B）。THPA数据库免疫组织化学图像显示正常肺组织中的巨噬细胞中HMOX1呈中高强度染色（图6C-F），与THPA数据库中的肺scRNA数据一致（附加文件1：图S8）。肺巨噬细胞作为气道巨噬细胞的主要来源，表现出高HMOX1表达，进一步表明HMOX1和巨噬细胞在呼吸道疾病中的重要作用。

作者利用PPI分析来识别HMOX1与其他调节氧化应激的基因的相互作用。结果表明，HMOX1与抗氧化基因（如SOD3、GPX2和GPX3）有直接和间接的相互作用（附加文件1：图S9）。此外，还筛选了可能增强HMOX1表达的小分子化合物并进行了分子对接模拟。发现乙酰半胱氨酸和槲皮素等15种抗氧化剂可增加HMOX1的表达（图7）（附加文件1：表S13）。

免疫荧光染色显示，CRSwNP中HMOX1+CD163+双阳性M2巨噬细胞数量明显高于健康对照组（图8A-B）。此外，作者之前建立了小鼠CRS模型，并对小鼠鼻黏膜进行了转录组测序，结果显示CRS小鼠鼻黏膜组织中HMOX1和抗氧化基因如SOD3、GPX2、GPX3的表达水平明显高于对照组（图8C-D）。