本研究由复旦大学附属中山医院呼吸病研究所的Jian Xu、Yuhan Wang、Weiqi Mao、Tianchang Wei、Yufan Li、Juan Song、Cuiping Zhang、Xiaoyan Chen、Cuicui Chen、Qingyuan Xu、Xu Wu（通讯作者）和Yuanlin Song（通讯作者）团队主导。研究于2025年发表在学术期刊《Advanced Science》上，论文题为“代谢互作在急性肺损伤中的作用：PARK7整合FADS1/2依赖性多不饱和脂肪酸代谢和H3K14乳酸化以减轻内皮细胞铁死亡和功能障碍”。
本研究的学术领域属于呼吸危重症医学、细胞代谢、表观遗传学和细胞死亡交叉领域。研究的背景在于，急性呼吸窘迫综合征（ARDS）及其早期阶段急性肺损伤（ALI）是一种以严重炎症和肺水肿为特征的危重疾病，死亡率高且缺乏有效药物疗法。肺内皮细胞（EC）作为肺血管屏障的核心，其功能障碍是ARDS/ALI发病的关键环节。然而，ALI后内皮细胞代谢改变的特定模式及其与细胞损伤的具体关系尚不完全清楚。既往研究表明，脂质代谢在细胞稳态中起重要作用，ALI患者血浆中多不饱和脂肪酸（PUFA）水平显著下降，尤其是具有抗炎作用的Omega-3 PUFA。同时，铁死亡（Ferroptosis）作为一种铁依赖性的脂质过氧化驱动的细胞死亡方式，在ALI中的作用日益受到关注。此外，乳酸化（Lactylation）作为一种新兴的将代谢与表观遗传联系起来的翻译后修饰，在肺病中也被发现能调节细胞死亡。但PUFA代谢、铁死亡和乳酸化这三个关键代谢改变在ALI中是否存在内在联系，以及其调控枢纽是什么，是未知的。因此，本研究旨在探究ALI中内皮细胞的代谢重编程机制，特别是聚焦于PUFA代谢、乳酸化修饰和铁死亡之间的相互作用，并寻找关键的调控节点，以期为ARDS/ALI提供新的治疗靶点。
本研究的工作流程复杂而系统，综合运用了体内外模型、多组学技术和分子生物学手段，主要包含以下七个关键环节：
第一环节，通过转录组学（RNA-seq）和脂质组学分析，系统描绘LPS诱导的ALI模型中肺内皮细胞的代谢图谱。研究首先利用磁珠分选技术从LPS或PBS处理的模型小鼠肺组织中分离出纯化的内皮细胞（CD31+）。随后对分选出的细胞进行RNA-seq和脂质组学分析。RNA-seq鉴定了5627个差异表达基因，其中117个与脂质代谢相关，KEGG富集分析显示脂质代谢通路发生显著改变。关键发现是，负责PUFA合成的限速酶——脂肪酸去饱和酶1和2（FADS1/2）以及单不饱和脂肪酸去饱和酶SCD1在mRNA水平显著下调。脂质组学的主成分分析（PCA）显示脂质谱发生显著改变，总脂肪酸不饱和度降低，高度不饱和脂肪酸减少尤为明显，具体表现为Omega-3 PUFA（如EPA和DHA）含量显著下降，而单不饱和脂肪酸（MUFA）无显著变化。这一结果通过实时定量PCR（qPCR）和蛋白质印迹（WB）在分选的肺内皮细胞、体外内皮损伤模型以及临床ARDS患者血浆样本中得到了多层次的验证。临床数据显示，重症社区获得性肺炎（SCAP）和ARDS患者血浆不饱和脂肪酸（UFA）水平显著低于对照组，且与氧合指数（PaO2/FiO2）正相关，与住院时长和SOFA评分负相关。此环节明确了ALI背景下肺内皮细胞PUFA（尤其是Omega-3 PUFA）合成通路受损是其特征性代谢改变。
第二环节，在体外验证激活PUFA代谢通路对内皮细胞铁死亡和功能的保护作用。研究使用小鼠肺微血管内皮细胞（MPMECs）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）构建了LPS或LPS/尼日利亚菌素（Nigericin）诱导的损伤模型。在MPMECs中，LPS处理导致细胞活力下降、丙二醛（MDA）和总铁含量升高、还原型谷胱甘肽（GSH）降低、脂质过氧化增强，这些铁死亡相关表型可被铁死亡抑制剂Ferrostatin-1逆转。重要的是，使用FADS2抑制剂SC-26196会抵消Ferrostatin-1的保护作用，而补充Omega-3 PUFA（DHA）预处理则能直接减轻LPS诱导的铁死亡。在HUVECs中，过表达FADS1或FADS2能有效对抗铁死亡诱导剂Erastin或LPS/Nigericin联合处理引起的细胞毒性和铁死亡指标恶化。分子机制上，DHA处理或FADS1/2过表达可上调抗氧化核心转录因子Nrf2与抑制蛋白Keap1的比值，并上调关键的抗铁死亡蛋白GPX4。使用Nrf2抑制剂ML385可阻断DHA或FADS1/2过表达带来的保护作用。有趣的是，研究发现DHA对铁死亡的影响具有剂量和细胞类型依赖性：在内皮细胞中，低浓度DHA（<20 μM）能缓解铁死亡，而高浓度则诱导细胞死亡；在肺癌细胞系中，细胞对高剂量DHA耐受性更强，但DHA缓解铁死亡的效果不明显。此外，激活PUFA通路（通过DHA或过表达FADS1/2）还能在损伤后维持内皮细胞紧密连接蛋白（如ZO-1）的表达和超微结构完整性，增强体外血管生成能力（管形成实验），并上调内皮功能相关标志物（Tie2, VEGFR2）和机械敏感通道（Piezo1/2）。此环节证实了激活FADS1/2介导的PUFA代谢可通过调控Nrf2-GPX4轴来保护内皮细胞免受铁死亡并改善其屏障和功能。
第三环节，在体内验证内皮细胞特异性过表达FADS1/2对ALI的缓解作用。研究构建了携带Tie2启动子驱动FADS1或FADS2过表达序列的腺相关病毒（AAV，血清型Vec），通过气管内给药感染小鼠肺内皮细胞。感染四周后，通过qPCR和WB验证了肺内皮细胞中FADS1/2的特异性过表达。随后用LPS诱导ALI。结果显示，与接受对照AAV的小鼠相比，内皮细胞特异性过表达FADS1/2的小鼠体重下降减轻，肺组织病理损伤评分和湿干重比降低，支气管肺泡灌洗液（BALF）中的总细胞数、蛋白浓度以及促炎细胞因子（IL-1β, TNF-α, IL-6）水平均显著下降，血浆中TNF-α和IL-6水平也降低。免疫组化显示肺组织中髓过氧化物酶（MPO）阳性面积减少，表明中性粒细胞浸润减轻。此环节在活体水平证实了增强肺内皮细胞的FADS1/2表达足以对ALI产生保护效应。
第四环节，在体内验证全肺过表达FADS1/2联合Omega-3前体α-亚麻酸（ALA）补充的治疗策略。研究通过体内转染技术使小鼠全肺过表达FADS1/2（Fads-up）。随后建立治疗模型：对照组（Mock）、LPS损伤组、LPS+ALA补充组、Fads-up+LPS组、Fads-up+LPS+ALA组。ALA在LPS后24和48小时通过灌胃补充。结果显示，在未过表达FADS1/2的小鼠中，单独补充ALA对LPS诱导的ALI无缓解作用。然而，Fads-up本身能显著减轻肺损伤、水肿和炎症。更重要的是，在Fads-up的基础上联合补充ALA能产生叠加的保护效果，进一步改善各项指标。机制上，Fads-up增加了肺组织总UFA含量，降低了MDA并升高了GSH，恢复了肺内皮细胞中ZO-1、VE-钙粘蛋白和GPX4的表达，联合ALA效果更佳。值得注意的是，Fads-up也促进了Omega-6 PUFA-花生四烯酸（AA）的代谢，导致BALF中前列腺素E2（PGE2）和白三烯B4（LTB4）水平升高，而ALA补充可以部分抵消这种升高。此环节表明，恢复PUFA合成酶活性是发挥Omega-3脂肪酸保护作用的前提，联合干预策略（激活合成+补充底物）可能更有效且能平衡AA代谢的潜在副作用。
第五环节，探究FADS1/2的内源性调控因子。基于前期研究，团队将目光投向抗氧化蛋白PARK7（DJ-1）。临床数据显示ARDS患者血浆PARK7水平升高。在LPS处理的肺内皮细胞或损伤的HUVECs中，PARK7表达也上调。在HUVECs中敲低PARK7后进行RNA-seq，发现脂肪酸代谢相关通路（包括PUFA合成）的基因显著下调，其中就包括FADS1和FADS2。通过qPCR和WB证实，过表达PARK7能上调FADS1/2，而敲低PARK7则下调FADS1/2。功能上，过表达PARK7能增加GSH、降低铁含量，并恢复损伤后ZO-1、VE-钙粘蛋白和GPX4的表达，而同时敲低FADS1或FADS2则会取消PARK7的这些保护作用。这表明PARK7是FADS1/2的关键上游调节因子，并通过调控后者来影响内皮铁死亡和功能。
第六环节，深入阐明PARK7调控FADS1/2表达的分子机制。通过RNA-seq的基因集富集分析（GSEA），发现PARK7敲低后骨形态发生蛋白（BMP）信号通路显著下调。进一步实验证实，PARK7敲低导致BMP配体（BMP2/4）和受体（BMPR1A/B）表达下降，并减少了下游效应分子磷酸化Smad1/5/9（p-Smad1/5/9）的核转位。过表达PARK7则产生相反效果。BMP信号激动剂SB4可挽救PARK7敲低导致的p-Smad1/5/9和FADS1/2下调。染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）数据库分析和ChIP-qPCR验证证实，p-Smad1/5/9能直接结合到FADS1和FADS2基因的启动子区域，直接调控其转录。那么PARK7如何调控BMP通路呢？研究发现其通过双重机制：第一，通过其已知的相互作用伙伴Nrf2来促进BMP2/4的转录（ChIP-qPCR证实Nrf2直接结合BMP2/4启动子）；第二，通过维持RNA结合蛋白HuR的表达和活性来稳定BMPR1A/B的mRNA（PARK7敲低增加活性氧ROS，导致HuR下调；RNA免疫共沉淀RIP证实PARK7敲低削弱HuR与BMPR1A/B mRNA的结合）。这样，PARK7通过Nrf2和HuR分别调控BMP配体和受体，从而激活BMP-Smad1/5/9信号轴，最终上调FADS1/2的表达。
第七环节，揭示ALI中PARK7代偿性上调的机制——H3K14乳酸化驱动的反馈回路。研究人员观察到患者血浆PARK7水平与乳酸浓度呈正相关。在ALI模型中，肺内皮细胞的组蛋白H3第14位赖氨酸乳酸化（H3K14la）水平显著升高。抑制乳酸生成（用2-脱氧-D-葡萄糖2-DG或敲低LDHA）可同时降低H3K14la和PARK7的上调。有趣的是，抑制FADS1/2同样会导致H3K14la和PARK7升高，提示PUFA通路受损可能触发这一表观遗传调控。为了直接证明H3K14la对PARK7的转录调控，研究进行了H3K14la ChIP-seq分析，发现reads富集在基因转录起始位点（TSS）附近，并在小鼠Park7基因的TSS附近±1000 bp区域有显著富集峰。ChIP-qPCR在HUVECs中证实了H3K14la结合在PARK7基因启动子区域。双荧光素酶报告基因实验显示，乳酸水平变化可调控包含-1000至0区域（覆盖TSS）的PARK7启动子活性。为获得更特异性证据，研究利用Prime Editing基因编辑技术在293T细胞中将组蛋白H3.3的第14位赖氨酸定点突变为精氨酸（K14R），该突变体无法发生乳酸化。结果显示，突变细胞中H3K14la水平降低，乳酸对PARK7启动子的激活作用减弱，PARK7的基础表达虽未完全消失，但其在细胞损伤时的诱导性上调被显著削弱。此环节揭示了一个完整的反馈环路：ALI导致FADS1/2下调、PUFA合成减少；同时缺氧/炎症导致乳酸堆积，驱动H3K14la升高；H3K14la直接转录激活PARK7；上调的PARK7通过BMP-Smad通路恢复FADS1/2的表达，从而抵抗铁死亡、保护内皮功能。
本研究的主要结论是：在急性肺损伤中，肺内皮细胞发生了以FADS1/2介导的PUFA（特别是Omega-3 PUFA）合成抑制和组蛋白H3K14乳酸化增强为核心的代谢重编程。这两种代谢变化通过抗氧化蛋白PARK7相互整合，形成一个保护性反馈调节轴。具体而言，PUFA合成减少促进了H3K14乳酸化，后者又转录上调PARK7；PARK7通过激活BMP-Smad1/5/9信号通路（经由Nrf2和HuR双重机制）来恢复FADS1/2的表达。激活这一PARK7-FADS1/2轴能够通过上调Nrf2-GPX4通路来抑制内皮细胞铁死亡，从而改善内皮屏障功能障碍，最终减轻肺损伤。
本研究的科学价值和应用价值重大。在科学上，它首次系统性地将ALI中的PUFA代谢紊乱、表观遗传修饰（乳酸化）和特定细胞死亡方式（铁死亡）联系起来，揭示了PARK7作为核心枢纽整合代谢与表观遗传以维持内皮稳态的新机制，极大地深化了对ARDS/ALI内皮损伤机制的理解。在应用上，该研究明确了恢复内皮PUFA代谢（尤其是联合Omega-3补充）是潜在的治疗策略，并指出PARK7、FADS1/2、BMP信号或H3K14la均可作为干预靶点，为开发治疗ARDS/ALI的新药提供了坚实的理论依据和多个候选方向。
本研究的亮点突出：第一，发现新颖：首次揭示了“PUFA代谢-H3K14乳酸化-PARK7-BMP信号-FADS1/2”这一多层级调控轴在ALI内皮损伤中的核心作用。第二，机制深入：不仅描述了现象关联，更从转录、翻译后修饰、RNA稳定性、表观遗传等多个层面深入阐明了从乳酸到PARK7，再到FADS1/2，最终影响铁死亡的完整分子链条，逻辑严谨，证据链完整。第三，技术全面：综合运用了细胞分选、转录组学、脂质组学、ChIP-seq、Prime Editing基因编辑、多种体内外疾病模型等先进技术，方法学上具有很强说服力。第四，转化意义明确：从基础发现到体内治疗验证（内皮特异性过表达、全肺过表达联合营养干预），为后续转化研究奠定了坚实基础。第五，反馈环路的提出：揭示了损伤环境下细胞通过表观遗传机制启动保护性反馈的精细调节模式，具有重要的生物学普遍意义。