二氧化碳和温度升高改变草花粉对人体鼻上皮转录组和功能的影响

《Allergy》：Elevated CO2 and Temperature Alter Grass Pollen's Ability to Modify Transcriptome and Function of the Nasal Epithelium

本研究通过体外实验揭示了未来气候条件下生长的草花粉可能比当前气候花粉更严重地损害人类鼻上皮功能，尤其影响纤毛功能和囊泡介导的信号传导，为评估气候变化加剧呼吸道过敏的机制提供了新见解。

　　

引言

气候变化的加剧预计将增加花粉浓度并延长花粉季节，从而推高植物花粉引起的呼吸道过敏发病率。有证据表明，升高的温度和二氧化碳（CO₂）浓度等气候相关因素可能影响花粉的特性，包括其数量、变应原含量及引发免疫反应的能力，但其对花粉触发上皮早期事件能力的具体影响尚不清楚。鼻上皮细胞是接触花粉等空气因素的第一道防线，它们不仅是物理屏障，还能通过改变基因表达和释放信号分子来感知外部环境变化并启动免疫反应。本研究假设：(i) 花粉会破坏鼻上皮的屏障功能并引发有害的分子事件；(ii) 在升高的温度和CO₂条件下生长会增加花粉损害上皮功能的能力；(iii) 两种草种（梯牧草和草原看麦娘）对气候相关生长条件的反应不同，导致其对上皮反应产生物种特异性影响。

方法

研究选取了梯牧草和草原看麦娘两种草种。植物在气候室内培育，模拟了当前气候和未来气候预测的四种条件：环境温度与环境CO₂、环境温度与高CO₂、高温与环境CO₂、高温与高CO₂。从成熟花序中手动摇动收集花粉，经处理后用于细胞实验。研究使用了来自五位非吸烟捐赠者的完全分化的人鼻上皮三维模型。暴露24小时后，测量了跨上皮电阻以评估屏障功能的变化，并通过蛋白质浓度测定、细胞活力、代谢活性和活性氧水平评估了毒性终点。使用Meso Scale Discovery平台和酶联免疫吸附测定法分析了多种细胞因子的分泌。对暴露后的细胞进行了RNA测序，并进行了差异表达分析、加权基因共表达网络分析及基因本体论分析，以探究花粉暴露引起的转录组变化及其与气候条件的关联。

结果

3.1 草花粉改变上皮屏障功能和蛋白质分泌

暴露于当前气候条件下生长的两种草花粉提取物后，鼻上皮组织的跨上皮电阻显著降低，表明上皮屏障完整性受到潜在损害。同时，梯牧草花粉暴露增加了上皮顶侧和基底侧的蛋白质产量。在代谢活性、活性氧水平或细胞膜通透性方面，暴露组与对照组之间未观察到显著变化。

3.2 草花粉暴露刺激组织修复因子的基因表达

与跨上皮电阻的发现相呼应，转录组分析显示，花粉暴露后，编码紧密连接蛋白、粘附连接和桥粒蛋白的基因表达呈上调趋势。差异表达分析揭示了大量基因在花粉暴露后发生改变。其中，上调的基因显著富集于与细胞增殖分化、血管生成刺激、趋化性调节等相关的生物过程，并编码了促炎细胞因子和多种生长因子。下调的基因则包括一些具有双重功能的促炎因子。在蛋白质水平上，MCP-1的分泌减少和IL-8的分泌增加与基因表达的变化一致，验证了基因组反应向蛋白质水平的转化。

3.3 在升高的CO₂和温度下生长的花粉对上皮功能的影响

暴露于高温处理（ETAC和ETEC）的草原看麦娘花粉后，鼻上皮细胞的代谢活性显著增加。暴露于ETAC处理的梯牧草花粉后，上皮顶侧的蛋白质释放显著减少。其他毒性参数或在不同气候条件下分泌的细胞因子水平没有显著差异。

3.4 气候变化改变了草原看麦娘花粉的转录潜能

加权基因共表达网络分析表明，气候变化因素改变了草原看麦娘花粉介导的鼻上皮基因表达。特别是，与高温条件相关的基因模块显示，与囊泡介导的运输以及转录和翻译过程相关的基因表达受到抑制。这提示未来气候条件下生长的花粉可能干扰细胞内的蛋白质定位和基因表达调控。

3.5 气候变化改变了梯牧草花粉的转录潜能

对于梯牧草花粉，分析发现多个基因模块的表达与气候变化参数显著相关。值得注意的是，与所有气候变化条件呈负相关的基因模块富集于纤毛组装、细胞器组装以及纤毛和囊泡组织等功能。这表明，在未来气候条件下生长的梯牧草花粉可能特别抑制鼻上皮细胞中与纤毛功能相关的基因表达，从而可能损害气道清除异物的能力。

讨论

本研究首次提供了全转录组水平的证据，表明升高的温度和CO₂会改变草花粉介导的人类鼻上皮中与转录、翻译和蛋白质囊泡运输定位相关基因的表达。特别值得注意的是，未来气候条件下的梯牧草花粉抑制了纤毛相关基因的表达，可能干扰正常的气道纤毛功能。这些发现强调了草花粉对未来过敏性疾病负担的潜在影响。

花粉暴露导致跨上皮电阻降低，提示屏障完整性受损，同时转录组数据显示紧密连接和组织修复相关基因表达增加，这可能是上皮细胞为应对花粉压力而激活的补偿性修复机制。研究还扩展了先前关于梯牧草花粉对基因和蛋白质表达影响的认知，并首次报道了草原看麦娘花粉的数据。

此外，气候变化改变了花粉的特性，使其可能模仿污染物的一些不良效应，例如干扰纤毛功能和细胞间通讯。虽然本研究使用的三维体外模型不能完全复现体内气道的复杂性，但它很好地模拟了鼻上皮的关键结构和功能特征，适用于机制研究。

从转化医学角度看，减弱的上皮完整性可能促进变应原渗透并影响早期免疫激活，从而影响过敏症状的发生或严重程度。如果这些基因表达变化在后续研究中得到验证，它们或可作为上皮应激的生物标志物。针对加强上皮极化、支持修复途径或稳定紧密连接的治疗策略，可能为缓解气候变化背景下过敏性气道疾病的免疫反应失调提供新途径。

总之，生长在未来气候条件下的草原看麦娘和梯牧草花粉，比生长在当前条件下的花粉更有可能破坏人类鼻上皮的纤毛功能和囊泡介导的信号传导。这种破坏可能阻碍适当的免疫反应激活和气道异物的清除。基因表达调控在多层次上的破坏还可能带来不利的系统性后果。这些结果对于评估草花粉（包括先前研究不足的草原看麦娘）引起的未来过敏性疾病负担具有重要意义。