PKM2调控细胞自噬参与香烟介导COPD气道炎症的作用机制研究

Cigarette smoke (CS)-induced abnormal airway inflammation is a major risk of consistent airflow limitation and exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). CS-induced autophagy in bronchial epithelia may initiate and exaggerate airway inflammation, but the mechanism that regulates autophagy is unclear. Our previous study validated increased level of pyruvate kinase M2 (PKM2) expression in both CS-exposed human airway epithelial cells and mice lung tissue, while the inhibitor of PKM2 could decrease the release of inflammatory cytokines and activation of autophagy. Therefore, we hypothesized that, PKM2 may play a role in regulating CS-induced airway inflammation through modulating autophagy. Moreover, HIF-1α/HMGB1/ERK signaling may mediate this process. Based on our previous study, we will investigate the association between PKM2 and airway inflammation in COPD patients, CS-exposed mice and airway epithelial cells, and confirm the role of PKM2 in regulation of autophagy and CS-induced airway inflammation through overexpression and inhibition of PKM2. We will also explore how HIF-1α/HMGB1/ERK patway participate in PKM2-induced autophagy activation, thus, to map new molecular mechanisms and provide potential therapeutic targets for airway inflammation in COPD.

香烟引起的异常气道炎症是导致慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者持续气流受限及病情进展性恶化的重要原因。研究表明，气道上皮内自噬激活可加重香烟诱导的气道炎性反应，但自噬的调控机制尚不清楚。我们前期发现，丙酮酸激酶M2（PKM2）在香烟诱导的人气道上皮细胞和小鼠气道肺组织中均明显升高，且抑制PKM2表达不仅降低细胞炎性因子释放，还降低了自噬激活水平。我们推测，香烟介导的PKM2表达上调可能参与自噬的调控，促进气道炎症反应，而HIF-1α/HMGB1/ERK信号可能在此发挥介导作用。本项目拟在前期研究基础上，利用COPD患者标本、香烟暴露小鼠及人气道上皮细胞模型，探讨PKM2与气道炎症的相关性；通过功能获得和缺失实验，验证PKM2对自噬及香烟介导气道炎症的调控作用，以及HIF-1α/HMGB1/ERK信号在PKM2调节自噬中的作用机制；为揭示COPD气道炎症新的调节机制和治疗靶点提供重要依据。

香烟烟雾暴露导致的细胞氧化应激和气道炎症是慢性阻塞性肺疾病（COPD）发生肺气肿、成纤维细胞积累和气道重塑的直接原因。新近研究发现，在吸烟人群支气管上皮细胞中，丙酮酸激酶 M2（PKM2）表达明显上调，而PKM2也被证实与多种炎性疾病的发生发展显著相关。同时，在COPD患者肺组织及香烟烟雾诱导的体内外气道炎症模型中均有细胞自噬的过度激活。但香烟诱导的肺内细胞，特别是气道上皮内PKM2的高表达，是否会通过与自噬相互作用调控气道炎症从而参与气道重塑尚不清楚。.本项目利用香烟介导的COPD动物模型和香烟烟雾提取物(CSE)刺激的气道上皮细胞，验证了在香烟介导的COPD气道炎症和气道重塑中，肺组织PKM2的表达水平升高和分布情况，发现气道上皮细胞内PKM2表达升高，表明PKM2参与了香烟介导的气道炎症和气道重塑。利用体外PKM2功能缺失实验，进一步发现PKM2基因沉默后，香烟介导自噬/线粒体自噬、氧化应激、炎症反应和上皮-间质转化（EMT）水平明显降低；结合既往研究结果，我们推测，PKM2可能通过调控自噬和线粒体自噬的激活调节香烟诱导的炎症反应，促进COPD气道重塑的发展。在深入探讨PKM2与香烟诱导的自噬/线粒体自噬之间的可能串话机制中，我们发现PKM2基因沉默可抑制HMGB1 mRNA表达水平，而利用siRNA下调HMGB1表达，则显著降低了ERK蛋白磷酸化水平和CSE诱导的IL-8释放。我们既往研究已显示，ERK通路参与调节香烟诱导的自噬激活。因此以上结果表明，抑制气道上皮内PKM2表达，可能通过影响HMGB1/ERK信号通路，进而调节香烟诱导气道上皮内自噬激活和炎症反应。同时，在COPD动物模型中，PKM2抑制剂紫草素（shikonin）进行干预，可以显著减轻香烟诱导的小鼠肺组织炎症反应、炎性因子释放和胶原沉积。综上，本项目研究结果提示，通过特异性抑制剂或天然化合物抑制PKM2、自噬/线粒体自噬及其间串话因子可能成为治疗COPD气道重塑的新方法和思路。