Анализ ранних молекулярных изменений, ассоциированных с ХОБЛ, путем транскриптомного профилирования клеток A549 в эксперименте in vitro

Введение. Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) – распространенное заболевание с высокой социальной значимостью, в патогенезе которого существенную роль может играть реакция альвеолярного эпителия на сигаретный дым.
Цель. Комплексная характеристика транскриптомных изменений в клетках A549, возникающих в ответ на действие экстракта сигаретного дыма (ЭСД), включая анализ дифференциальной экспрессии генов и ключевых сигнальных путей, с оценкой их потенциальной роли в развитии патологического процесса при ХОБЛ.
Материалы и методы. Клетки A549 выращивали в среде DMEM до 80% конфлюэнтности, а затем инкубировали с 5% ЭСД или в контрольных условиях в течение 24 часов (n = 3 на каждое условие). Выделенную тотальную РНК подвергали обогащению для получения мРНК. Секвенирование выполняли на секвенаторе MGISEQ-200 в режиме SE50. Обработка данных включала картирование прочтений (Salmon), анализ дифференциальной экспрессии (DESeq2) и функционального обогащения генов (Cytoscape).
Результаты. Действие ЭСД сопровождалось признаками дезорганизации актинового цитоскелета (ингибирование Rho ГТФаз, даунрегуляция ACTB) и стресса эндоплазматического ретикулума с парадоксальной активацией mTORC1 сигналинга на фоне подавления транскрипции, пролиферации и апоптоза, что в совокупности может быть охарактеризовано как метаболически активный клеточный стазис. Одновременно с этим отмечалось усиление протеасомной деградации и антигенной презентации собственных, вероятно, дефектных белков с целью стимуляции иммунологического надзора. В то время как провоспалительный сигналинг, в целом, был ослаблен, увеличивалась экспрессия IL1A, SPP1 и CSF3, что может способствовать привлечению и активации нейтрофилов, макрофагов и моноцитов in vivo. Предполагаемые нарушения эффероцитоза (за счет апрегуляции ANXA5) и индукции апоптоза цитотоксическими T-клетками (вследствие нарушения эндоцитоза гранзимов и ингибирования каспаз) могут приводить к формированию хронического воспаления с аутоиммунным компонентом.
Заключение. Активация mTORC1 сигналинга и презентации аутоантигенов на фоне стресса эндоплазматического ретикулума, а также потенциальное снижение способности цитотоксических T-клеток вызывать апоптоз, может являться ключевыми механизмами патогенеза ХОБЛ, опосредующими повреждение альвеолярного эпителия под действием сигаретного дыма.

1. Wang Z., Lin J., Liang L., Huang F., Yao X., Peng K., Gao Y., Zheng J. Global, regional, and national burden of chronic obstructive pulmonary disease and its attributable risk factors from 1990 to 2021: an analysis for the Global Burden of Disease Study 2021 // Respir. Res. 2025. Vol.26, Iss.1. Article number: 2. https://doi.org/10.1186/s12931-024-03051-2

2. Ruaro B., Salton F., Braga L., Wade B., Confalonieri P., Volpe M.C., Baratella E., Maiocchi S., Confalonieri M. The history and mystery of alveolar epithelial type II cells: focus on their physiologic and pathologic role in lung // Int. J. Mol. Sci. 2021. Vol.22, Iss.5. Article number: 2566. https://doi.org/10.3390/ijms22052566

3. Hu Y., Hu Q., Ansari M., Riemondy K., Pineda R., Sembrat J., Leme A.S., Ngo K., Morgenthaler O., Ha K., Gao B., Janssen W.J., Basil M.C., Kliment C.R., Morrisey E., Lehmann M., Evans C.M., Schiller H.B., Königshoff M. Airway-derived emphysema-specific alveolar type II cells exhibit impaired regenerative potential in COPD // Eur. Respir. J. 2024. Vol.64, Iss.6. Article number: 2302071. https://doi.org/10.1183/13993003.02071-2023

4. Yu H., Lin Y., Zhong Y., Guo X., Lin Y., Yang S., Liu J., Xie X., Sun Y., Wang D., Li B., Ran P., Dai J. Impaired AT2 to AT1 cell transition in PM2.5-induced mouse model of chronic obstructive pulmonary disease // Respir. Res. 2022. Vol.23, Iss.1. Article number: 70. https://doi.org/10.1186/s12931-022-01996-w

5. Lee Y., Song J., Jeong Y., Choi E., Ahn C., Jang W. Meta-analysis of single-cell RNA-sequencing data for depicting the transcriptomic landscape of chronic obstructive pulmonary disease // Comput. Biol. Med. 2023. Vol.167. Article number: 107685. https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2023.107685

6. Lieber M., Smith B., Szakal A., Nelson-Rees W., Todaro G. A continuous tumor-cell line from a human lung carcinoma with properties of type II alveolar epithelial cells // Int. J. Cancer. 1976. Vol.17, Iss.1. P.62–70. https://doi.org/10.1002/ijc.2910170110

7. Yanagihara T., Zhou Q., Tsubouchi K., Revill S., Ayoub A., Gholiof M., Chong S.G., Dvorkin-Gheva A., Ask K., Shi W., Kolb M.R. Intrinsic BMP inhibitor Gremlin regulates alveolar epithelial type II cell proliferation and differentiation // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2023. Vol.656. P.53–62. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2023.03.020

8. Wickenden J.A., Clarke M.C., Rossi A.G., Rahman I., Faux S.P., Donaldson K., MacNee W. Cigarette smoke prevents apoptosis through inhibition of caspase activation and induces necrosis // Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 2003. Vol.29, Iss.5. P.562–570. https://doi.org/10.1165/rcmb.2002-0235OC

9. Takahara T., Amemiya Y., Sugiyama R., Maki M., Shibata H. Amino acid-dependent control of mTORC1 signaling: a variety of regulatory modes // J. Biomed. Sci. 2020. Vol.27, Iss.1. Article number: 87. https://doi.org/10.1186/s12929-020-00679-2

10. Mitani A., Ito K., Vuppusetty C., Barnes P.J., Mercado N. Restoration of corticosteroid sensitivity in chronic obstructive pulmonary disease by inhibition of mammalian target of rapamycin // Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2016. Vol.193, Iss.2. P.143–153. https://doi.org/10.1164/rccm.201503-0593OC

11. Carroll B., Nelson G., Rabanal-Ruiz Y., Kucheryavenko O., Dunhill-Turner N.A., Chesterman C.C., Zahari Q., Zhang T., Conduit S.E., Mitchell C.A., Maddocks O.D.K., Lovat P., von Zglinicki T., Korolchuk V.I. Persistent mTORC1 signaling in cell senescence results from defects in amino acid and growth factor sensing // J. Cell Biol. 2017. Vol.216, Iss.7. P.1949–1957. https://doi.org/10.1083/jcb.201610113

12. Wang A., Li Z., Sun Z., Liu Y., Zhang D., Ma X. Potential mechanisms between HF and COPD: new insights from bioinformatics // Curr. Probl. Cardiol. 2023. Vol.48, Iss.3. Article number: 101539. https://doi.org/10.1016/j.cpcardiol.2022.101539

13. Jun I., Choi Y.J., Kim B.R., Lee H.K., Seo K.Y., Kim T.I. Activation of the mTOR pathway enhances PPARγ/SREBP-mediated lipid synthesis in human meibomian gland epithelial cells // Sci. Rep. 2024. Vol.14, Iss.1. Article number: 28118. https://doi.org/10.1038/s41598-024-73969-6

14. Matsushita M., Futawaka K., Hayashi M., Murakami K., Mitsutani M., Hatai M., Watamoto Y., Yoshikawa N., Nakamura K., Tagami T., Moriyama K. Cigarette smoke extract modulates functions of peroxisome proliferator-activated receptors // Biol. Pharm. Bull. 2019. Vol.42, Iss.10. P.1628–1636. https://doi.org/10.1248/bpb.b18-00991

15. Bougarne N., Weyers B., Desmet S.J., Deckers J., Ray D.W., Staels B., De Bosscher K. Molecular actions of PPARα in lipid metabolism and inflammation // Endocr. Rev. 2018. Vol.39, Iss.5. P.760–802. https://doi.org/10.1210/er.2018-00064

16. Сугайло И.Ю., Наумов Д.Е., Гассан Д.А., Котова О.О., Конев А.В., Шелудько Е.Г. Уровень аденозинтрифосфата и капсаицин-индуцированные изменения мембранного потенциала митохондрий в мононуклеарах больных хронической обструктивной болезнью легких // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2025. Вып.96. P.33–44. https://doi.org/10.36604/1998-5029-2025-96-33-44

17. Yeap J.W., Ali I.A.H., Ibrahim B., Tan M.L. Chronic obstructive pulmonary disease and emerging ER stress-related therapeutic targets // Pulm. Pharmacol. Ther. 2023. Vol.81. Article number: 102218. https://doi.org/10.1016/j.pupt.2023.102218

18. Campellone K.G., Lebek N.M., King V.L. Branching out in different directions: emerging cellular functions for the Arp2/3 complex and WASP-family actin nucleation factors // Eur. J. Cell Biol. 2023. Vol.102, Iss.2. Article number: 151301. https://doi.org/10.1016/j.ejcb.2023.151301

19. Malinova D., Fritzsche M., Nowosad C.R., Armer H., Munro P.M., Blundell M.P., Charras G., Tolar P., Bouma G., Thrasher A.J. WASp-dependent actin cytoskeleton stability at the dendritic cell immunological synapse is required for extensive, functional T cell contacts // J. Leukoc. Biol. 2016. Vol.99, Iss.5. P.699–710. https://doi.org/10.1189/jlb.2A0215-050RR

20. Manoury B., Maisonneuve L., Podsypanina K. The role of endoplasmic reticulum stress in the MHC class I antigen presentation pathway of dendritic cells // Mol. Immunol. 2022. Vol.144. P.44–48. https://doi.org/10.1016/j.molimm.2022.02.007

21. Granados D.P., Tanguay P.L., Hardy M.P., Caron E., de Verteuil D., Meloche S., Perreault C. ER stress affects processing of MHC class I-associated peptides // BMC Immunol. 2009. Vol.10. Article number: 10. https://doi.org/10.1186/1471-2172-10-10

22. Williams M., Todd I., Fairclough L.C. The role of CD8 + T lymphocytes in chronic obstructive pulmonary disease: a systematic review // Inflamm. Res. 2021. Vol.70, Iss.1. P.11–18. https://doi.org/10.1007/s00011-020-01408-z

23. Tong M., Jun T., Nie Y., Hao J., Fan D. The role of the Slit/Robo signaling pathway // J. Cancer. 2019. Vol.10, Iss.12. P.2694–2705. https://doi.org/10.7150/jca.31877

24. Chi X., Wang S., Huang Y., Stamnes M., Chen J.L. Roles of rho GTPases in intracellular transport and cellular transformation // Int. J. Mol. Sci. 2013. Vol.14, Iss.4. P.7089–7108. https://doi.org/10.3390/ijms14047089

25. Hoxhaj G., Manning B.D. The PI3K-AKT network at the interface of oncogenic signalling and cancer metabolism // Nat. Rev. Cancer. 2020. Vol.20, Iss.2. P.74–88. https://doi.org/10.1038/s41568-019-0216-7

26. Sutherland C. What are the bona fide GSK3 substrates? // Int. J. Alzheimers Dis. 2011. Vol.2011. Article number: 505607. https://doi.org/10.4061/2011/505607

27. Moya I.M., Halder G. Hippo-YAP/TAZ signalling in organ regeneration and regenerative medicine // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2019. Vol.20, Iss.4. P.211–226. https://doi.org/10.1038/s41580-018-0086-y

28. DiGiovanni G.T., Han W., Sherrill T.P., Taylor C.J., Nichols D.S., Geis N.M., Singha U.K., Calvi C.L., McCall A.S., Dixon M.M., Liu Y., Jang J.H., Gutor S.S., Polosukhin V.V., Blackwell T.S., Kropski J.A., Gokey J.J. Epithelial Yap/Taz are required for functional alveolar regeneration following acute lung injury // JCI Insight. 2023. Vol.8, Iss.19. Article number: e173374. https://doi.org/10.1172/jci.insight.173374

29. Finigan J.H., Downey G.P., Kern J.A. Human epidermal growth factor receptor signaling in acute lung injury // Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 2012. Vol.47, Iss.4. P.395–404. https://doi.org/10.1165/rcmb.2012-0100TR

30. Sun Z., Shushanov S., LeRoith D., Wood T.L. Decreased IGF type 1 receptor signaling in mammary epithelium during pregnancy leads to reduced proliferation, alveolar differentiation, and expression of insulin receptor substrate (IRS)- 1 and IRS-2 // Endocrinology. 2011. Vol.152, Iss.8. P.3233–3245. https://doi.org/10.1210/en.2010-1296

31. Jiao Z., Ao Q., Ge X., Xiong M. Cigarette smoke extract inhibits the proliferation of alveolar epithelial cells and augments the expression of P21WAF1 // J. Huazhong Univ. Sci. Technolog. Med. Sci. 2008. Vol.28, Iss.1. P.6–10. https://doi.org/10.1007/s11596-008-0102-0

32. Tsutsumi A., Ozaki M., Chubachi S., Irie H., Sato M., Kameyama N., Sasaki M., Ishii M., Hegab A.E., Betsuyaku T., Fukunaga K. Exposure to cigarette smoke enhances the stemness of alveolar type 2 cells // Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 2020. Vol.63, Iss.3. P.293–305. https://doi.org/10.1165/rcmb.2019-0188OC

33. Yokohori N., Aoshiba K., Nagai A., Respiratory Failure Research Group in Japan. Increased levels of cell death and proliferation in alveolar wall cells in patients with pulmonary emphysema // Chest. 2004. Vol.125, Iss.2. P.626–632. https://doi.org/10.1378/chest.125.2.626

34. Uddin M.A., Barabutis N. P53 in the impaired lungs // DNA Repair (Amst). 2020. Vol.95. Article number: 102952. https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2020.102952

35. Hwang J.W., Rajendrasozhan S., Yao H., Chung S., Sundar I.K., Huyck H.L., Pryhuber G.S., Kinnula V.L., Rahman I. FOXO3 deficiency leads to increased susceptibility to cigarette smoke-induced inflammation, airspace enlargement, and chronic obstructive pulmonary disease // J. Immunol. 2011. Vol.187, Iss.2. P.987–998. https://doi.org/10.4049/jimmunol.1001861

36. Meng C., Wang S., Wang X., Lv J., Zeng W., Chang R., Li Q., Wang X. Amphiregulin inhibits TNF-α-induced alveolar epithelial cell death through EGFR signaling pathway // Biomed. Pharmacother. 2020. Vol.125. Article number: 109995. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2020.109995

37. Churg A., Wang R.D., Tai H., Wang X., Xie C., Wright J.L. Tumor necrosis factor-alpha drives 70% of cigarette smoke-induced emphysema in the mouse // Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2004. Vol.170, Iss.5. P.492–498. https://doi.org/10.1164/rccm.200404-511OC

38. Fujita M., Ouchi H., Ikegame S., Harada E., Matsumoto T., Uchino J., Nakanishi Y., Watanabe K. Critical role of tumor necrosis factor receptor 1 in the pathogenesis of pulmonary emphysema in mice // Int. J. Chron. Obstruct. Pulmon. Dis. 2016. Vol.11. P.1705–1712. https://doi.org/10.2147/COPD.S108919

39. Kang T.H., Park J.H., Yang A., Park H.J., Lee S.E., Kim Y.S., Jang G.Y., Farmer E., Lam B., Park Y.M., Hung C.F. Annexin A5 as an immune checkpoint inhibitor and tumor-homing molecule for cancer treatment // Nat. Commun. 2020. Vol.11, Iss.1. Article number: 1137. https://doi.org/10.1038/s41467-020-14821-z

40. Kawano M., Nagata S. Efferocytosis and autoimmune disease // Int. Immunol. 2018. Vol.30, Iss.12. P.551–558. https://doi.org/10.1093/intimm/dxy055

41. Xie B., Chen Q., Dai Z., Jiang C., Chen X. Progesterone (P4) ameliorates cigarette smoke-induced chronic obstructive pulmonary disease (COPD) // Mol. Med. 2024. Vol.30, Iss.1. Article number: 123. https://doi.org/10.1186/s10020-024-00883-y

42. Reddy N.M., Vegiraju S., Irving A., Paun B.C., Luzina I.G., Atamas S.P., Biswal S., Ana N.A., Mitzner W., Reddy S.P. Targeted deletion of Jun/AP-1 in alveolar epithelial cells causes progressive emphysema and worsens cigarette smokeindu ced lung inflammation // Am. J. Pathol. 2012. Vol.180, Iss.2. P.562–574. https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2011.10.029