基于生物信息学分析PM2.5对人支气管上皮BEAS-2B细胞基因表达的影响

职业与健康 ›› 2026, Vol. 42 ›› Issue (9): 1186-1193.

基于生物信息学分析PM_2.5对人支气管上皮BEAS-2B细胞基因表达的影响

哈志云¹, 魏美娜¹, 吴艳多¹, 王波²^,³, 马雪²^,³, 徐海明²^,³()

1.宁夏回族自治区第五人民医院职业卫生检测中心，宁夏石嘴山 753000
2.宁夏环境因素与慢性病控制重点实验室，宁夏银川 750004
3.宁夏医科大学，宁夏银川 750004

收稿日期:2025-08-31 修回日期:2025-09-25 出版日期:2026-05-01 发布日期:2026-05-22
通信作者: 徐海明，E-mail：xuhaiming1986@nxmu.edu.cn
作者简介:哈志云，男，公共卫生主治医师，主要从事职业卫生与职业医学研究工作。
基金资助:
宁夏自然科学基金优秀青年项目(2022AAC05027)

Analysis of the effects of PM_2.5 on gene expression in human bronchial epithelial BEAS-2B cells based on bioinformatics

HA Zhiyun¹, WEI Meina¹, WU Yanduo¹, WANG Bo²^,³, MA Xue²^,³, XU Haiming²^,³()

1. Occupational Health Testing Center，The Fifth People's Hospital of Ningxia Hui Autonomous Region，Shizuishan，Ningxia 753000，China
2. Ningxia Key Laboratory of Environmental Factors and Chronic Disease Control，Yinchuan，Ningxia 750004，China
3. Ningxia Medical University，Yinchuan，Ningxia 750004，China

Received:2025-08-31 Revised:2025-09-25 Online:2026-05-01 Published:2026-05-22
Contact: XU Haiming，E-mail：xuhaiming1986@nxmu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

目的利用生物信息学方法分析细颗粒物（particulate matter 2.5，PM_2.5）对人支气管上皮BEAS-2B细胞基因表达的影响，筛选出差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs），为PM_2.5所致呼吸系统损伤及机制提供参考依据。方法从美国国家生物技术信息中心（the National Center for Biotechnology Information，NCBI）的基因表达综合数据库（gene expession omnibus，GEO）中检索PM_2.5暴露BEAS-2B细胞相关的数据集（GSE158954），采用R语言对基因表达数据矩阵进行DEGs的筛选、基因本体论（gene ontology，GO）功能富集分析和京都基因与基因组百科全书（kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG）信号通路分析，同时采用STRING数据库和Cytoscape 3.8.0软件构建蛋白质-蛋白质相互作用网络，MCODE插件筛选关键基因，使用NCBI Gene数据库对DEGs进行相对表达水平分析。结果 GSE158954数据集中，包含6个样本，其中GSM4816385~GSM4816387为对照组，GSM4816388~GSM4816390为PM_2.5 暴露组。分析结果表明，DEGs共235个（矫正后P<0.05及|log2FC|≥1），其中上调基因121个，下调基因114个。GO分析结果表明，DEGs显著富集于多个生物学过程、细胞组分及分子功能模块。生物学过程方面，主要涉及巨噬细胞以及中性粒细胞的趋化性等过程，提示其在免疫细胞迁移调控中发挥潜在作用；细胞组分层面，集中定位于细胞膜、细胞质以及胞质溶胶区域，提示 DEGs 可能参与这些亚细胞结构相关的生理活动；分子功能模块显示，DEGs主要发挥蛋白质结合功能，这与其参与众多细胞内信号转导通路及分子间相互作用紧密相关。KEGG分析结果显示，除病毒相关信号通道外，DEGs主要参与PI3K-Akt等信号通路，进一步筛选得到27个关键基因，分别为PTGS2、CXCL8、CCL2、IL1B、TNFSF10、IL1A、JUN、IL-6、TLR3、TRIM21、USP18、IFIT5、MX1、EGFR、CASP1、STAT2、GBP1、SAMD9L、OAS2、PARP9、RTP4、IFI35、MX2、TRIM22、UBE2L6、SP110和CMPK2。多数DEGs相对表达水平在肺组织中较高。结论本研究揭示PM_2.5通过调控PTGS2以及CXCL8等27个关键基因影响PI3K-Akt等信号通路，可能介导呼吸道炎症反应及免疫调节失衡。这些发现为PM_2.5致呼吸损伤机制提供了新见解。

关键词: 细颗粒物, 人支气管上皮细胞, 生物信息学, 差异表达基因, 磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B信号通路, 炎症反应, 免疫调节

Abstract:

Objective To analyze the effect of particulate matter 2.5（PM_2.5） on gene expression in human bronchial epithelial cells（BEAS-2B） using bioinformatics methods，screen differentially expressed genes（DEGs），in order to provide reference for respiratory system injury and mechanism caused by PM_2.5. Methods A dataset related to BEAS-2B cells exposed to PM_2.5（GSE158954） was retrieved from the Gene Expression Omnibus（GEO） database of the National Center for Biotechnology Information（NCBI） in the United States. The R language was used to screen the gene expression data matrix by DEGs，enrich the Gene Ontology（GO） function and analyze the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes（KEGG） signal pathway. At the same time，the protein-protein interaction（PPI） network was constructed by using STRING database and Cytoscape3.8.0 software，the key hub genes were screened by MCODE plugin，and relative expression levels of DEGs were analyzed using the NCBI Gene database. Results The GSE158954 dataset included 6 samples：three controls（GSM4816385，GSM4816386，GSM4816387） and three PM_2.5-exposed BEAS-2B cell samples（GSM4816388，GSM4816389，GSM4816390）. The analysis results showed that a total of 235 DEGs were detected（P<0.05 and |log2fc|≥1 after correction）. Among them，there were 121 up-regulated genes and 114 down-regulated genes. GO analysis results showed that DEGs were significantly enriched in multiple biological processes，cell components and molecular function modules. In terms of biological processes（BP），they mainly involved processes such as chemotaxis of macrophages（AMs） and neutrophils，suggesting that they played a potential role in regulating immune cell migration；at the cell component（CC） level，they were concentrated in the plasma membrane，cytoplasm and cytosol regions，suggesting that DEGs might be involved in physiological activities related to these subcellular structures；the molecular function（MF） module showed that DEGs mainly played a protein binding function，which was closely related to their participation in many intracellular signal transduction pathways and molecular interactions. The KEGG analysis results showed that，in addition to virus related signaling channels，DEGs mainly participate in PI3K-Akt and other signaling pathways. Further screening identified 27 key genes，including PTGS2，CXCL8，CCL2，IL1B，TNFSF10，IL1A，JUN，IL-6，TLR3，TRIM21，USP18，IFIT5，MX1，EGFR，CASP1，STAT2，GBP1，SAMD9L，OAS2，PARP9，RTP4，IFI35，MX2，TRIM22，UBE2L6，SP110，and CMPK2. Most DEGs had relatively high expression levels in lung tissue. Conclusion This study reveals that PM_2.5 may mediate respiratory inflammatory responses and immune dysregulation by modulating 27 key genes（such as PTGS2 and CXCL8） and affecting signaling pathways such as PI3K-Akt. These findings provide novel insights into the mechanisms of PM_2.5-induced respiratory injury.

Key words: Particulate matter 2.5, BEAS-2B cells, Bioinformatics, Differentially expressed genes, PI3K-Akt signaling pathway, Inflammatory response, Immune regulation

中图分类号:

R122.26

哈志云, 魏美娜, 吴艳多, 王波, 马雪, 徐海明. 基于生物信息学分析PM_2.5对人支气管上皮BEAS-2B细胞基因表达的影响. [J]职业与健康, 2026, 42(9): 1186-1193.

HA Zhiyun, WEI Meina, WU Yanduo, WANG Bo, MA Xue, XU Haiming. Analysis of the effects of PM_2.5 on gene expression in human bronchial epithelial BEAS-2B cells based on bioinformatics. [J]OCCUPATION AND HEALTH, 2026, 42(9): 1186-1193.

图/表 10

图1 表达矩阵箱式图注：control和exposed分别表示对照组和PM2.5暴露组。

图2 表达矩阵PCA图注：PCA—主成分分析；control和exposed分别表示对照组和PM2.5暴露组。

图3 火山图

图4 DEGs热图注：control和exposed分别表示对照组和PM2.5暴露组；DEGs—差异表达基因。

图5 DEGs的GO富集分析结果注：A.生物过程（BP）中，cytokine-mediated signaling pathway—细胞因子介导的信号通路；positive regulation of transcription，DNA-templated—转录的正向调控（以DNA为模板）；apoptotic process—细胞凋亡过程；cell adhesion—细胞粘附；defense response to virus—病毒防御反应；cell differentiation—细胞分化；extracellular matrix organization—细胞外基质组织；innate immune response—固有免疫应答；positive regulation of transcription from RNA polymerase II promoter—RNA聚合酶II启动子转录的正调控；signal transduction—信号转导。B.细胞组分（CC）中，cell surface—细胞表面；integral component of plasma membrane—质膜的组成部分；membrane—膜；extracellular exosome—细胞外外泌体；nucleoplasm—核质；extracellular space—细胞外空间；extracellular region—胞外区；cytosol—胞液；cytoplasm—细胞质；plasma membrane—质膜。C.分子功能（MF）中，integrin binding—整合素结合；enzyme binding—酶结合；extracellular matrix structural constituent—细胞外基质结构成分；cytokine activity—细胞因子活性；receptor binding—受体结合；zinc ion binding—锌离子结合；protein homodimerization activity—蛋白质同源二聚化活性；calcium ion binding—钙离子结合；identical protein binding—同源蛋白结合；protein binding—蛋白质结合。

图6 DEGs的KEGG分析结果（气泡图）注：Viral protein interaction with cytokine and cytokine receptor—病毒蛋白与细胞因子及细胞因子受体的相互作用；Toll-like receptor signaling pathway—Toll样受体信号通路；TNF signaling pathway—TNF信号通路；Rheumatoid arthritis—类风湿性关节炎；PI3K-Akt signaling pathway—PI3K-Akt信号通路；Pertussis—百日咳；Pathways in cancer—癌症相关通路；Pathogenic Escherichia coli infection—致病性大肠杆菌感染；Osteoclast differentiation—破骨细胞分化；NOD-like receptor signaing pathway—NOD样受体信号通路；Necroptosis—坏死性凋亡；Measles—麻疹；MAPK signaling pathway—MAPK信号通路；Malaria—疟疾；Lipid and atherosclerosis—脂质与动脉粥样硬化；Leishmaniasis—利什曼病；Legionellosis—军团病；Kaposi sarcoma-associated herpesvirus infection—卡波济肉瘤相关疱疹病毒感染；JAK-STAT signaling pathway—JAK-STAT信号通路；Influenza A—甲型流感；Inflammatory bowel disease—炎症性肠病；IL-17 signaling pathway—IL-17信号通路；Hypertrophic cardiomyopathy—肥厚型心肌病；Human papillomavirus infection—人乳头瘤病毒感染；Human cytomegalovirus infection—人巨细胞病毒感染；HIF-1 signaling pathway—HIF-1信号通路；Hepatitis C—丙型肝炎；Hepatitis B—乙型肝炎；Hematopoietic cell lineage—造血细胞系；Focal adhesion—黏着斑；ErbB signaling pathway—ErbB信号通路；ECM-receptor interaction—ECM受体相互作用；Cytokine-cytokine receptor interaction—细胞因子-细胞因子受体相互作用；Coronavirus disease—冠状病毒疾病；Complement and coagulation cascades—补体和凝血级联反应；Colorectal cancer—结直肠癌；Chagas disease—恰加斯病；C-type lectin receptor signaling pathway—C型凝集素受体信号通路；Arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy—致心律失常性右心室心肌病；AGE-RAGE signaling pathway in diabetic complications—糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路。

图7 DEGs的PPI网络图注：DEGs—差异表达基因；PPI—蛋白质-蛋白质相互作用。

图8 PPI网络图关键基因模块注：PPI—蛋白质-蛋白质相互作用。

图9 DEGs的GO圈图注：response to virus—对病毒的反应；defense response to virus—对病毒的防御反应；defense response to symbiont—对共生体的防御反应；cytokine-mediated signaling pathway—细胞因子介导的信号通路；response to nutrient—对营养物质的反应；response to lipopolysacharide—对脂多糖的反应；positive regulation of defense response—防御反应的正向调控；response to molecule of bacterial origin—对细菌来源分子的反应；ossification—骨化；response to xenobiotic stimulus—对外源性刺激的反应；DEGs—差异表达基因；GO—基因本体论。

表1 DEGs的功能及其在肺组织中的相对表达水平

类别	关键基因	功能（侧重呼吸系统）	肺组织中相对表达水平
细胞因子类	CCL2	趋化因子是参与免疫调节和炎症过程的一类分泌蛋白的超家族，编码蛋白的表达升高与严重急性呼吸综合征冠状病毒 2（SARS-CoV-2）感染有关。	4.93
	CXCL8	该基因在下呼吸道感染的发病机理中发挥作用，这是由呼吸综合病毒（RSV）引起的常见呼吸道疾病。该促炎蛋白的过量生产被认为会导致与纤维化相关的肺部炎症。	18.89
	IL1A	该细胞因子是一种参与各种免疫反应，炎症过程和造血的多效细胞因子。	5.47
	IL1B	该细胞因子是炎症反应的重要介质，并且参与了各种细胞活性，包括细胞增殖，分化和凋亡。	1.72
	IL-6	该蛋白主要在急性和慢性炎症部位产生，在病毒感染中发现了升高的编码蛋白水平。	12.00
肿瘤坏死因子超家族成员	TNFSF10	可诱导肿瘤细胞凋亡，在肺部可能参与对抗肿瘤细胞及调节免疫反应。	7.91
模式识别受体相关基因	TLR3	可识别病毒双链RNA，激活免疫细胞，启动抗病毒免疫反应，在肺部抵御病毒感染中起作用。	2.63
免疫相关基因（干扰素诱导基因）	IFIT5	可被干扰素诱导表达，具有抗病毒功能，在肺部抵抗病毒感染中发挥作用。	1.78
	IFI35	可被干扰素诱导，可能在肺部细胞的抗病毒免疫和炎症调节中起作用。	4.40
	Mx1	主要参与抗病毒防御，可抑制流感病毒等在肺部细胞内的复制。	3.39
	Mx2	与MX1类似，具有抗病毒功能，有助于肺部抵御病毒感染。	1.11
	USP18	在干扰素信号通路中起调节作用，影响肺部细胞的抗病毒状态。	9.08
其他免疫调节基因	CASP1	可将无活性的炎症因子前体切割为有活性的形式，促进肺部炎症反应。	3.86
	EGFR	参与肺部上皮细胞的生长、增殖和修复，其异常与肺部肿瘤等疾病相关。	1.43
	TRIM21	参与细胞内的免疫防御，可能在肺部细胞抗病毒等免疫过程中发挥作用。	—
	TRIM22	参与细胞的抗病毒防御和免疫调节，在肺部免疫反应中发挥作用。	4.56
信号转导相关基因	JUN	作为转录因子，可调控许多与肺部炎症、细胞增殖等相关基因的表达。	—
	STAT2	是干扰素信号通路的关键转录因子，调节肺部细胞的抗病毒、免疫相关基因表达。	1.14
其他功能基因	CMPK2	参与核苷酸代谢，为细胞的增殖等活动提供原料，在肺部细胞的生长、修复等过程中起作用。	2.81
	GBP1	具有抗病毒、抗菌活性，在肺部感染时可发挥免疫防御作用。	4.35
	OAS2	在干扰素诱导的抗病毒反应中起作用，可激活RNA酶L来降解病毒RNA。	5.87
	PTGS2	可催化花生四烯酸生成前列腺素，在肺部炎症反应中起重要作用，参与调节气道平滑肌收缩等。	2.83
	PARP9	可能参与炎症和免疫调节，在肺部炎症等过程中可能有一定作用。	1.80
	RTP4	可能参与膜蛋白的转运等过程，在肺部可能与细胞的物质运输和信号转导有关。	1.31
	SAMD9L	可能参与细胞的生长调节和抗病毒反应，在肺部可能与维持细胞正常状态及抗病毒有关。	13.33
	SP110	可能参与核体的形成和基因转录调控，在肺部可能与免疫相关基因的表达调控有关。	1.29
	UBE2L6	参与蛋白质的泛素化修饰，可能在肺部细胞的信号转导、免疫调节等过程中起作用。	1.71

表1 DEGs的功能及其在肺组织中的相对表达水平

类别	关键基因	功能（侧重呼吸系统）	肺组织中相对表达水平
细胞因子类	CCL2	趋化因子是参与免疫调节和炎症过程的一类分泌蛋白的超家族，编码蛋白的表达升高与严重急性呼吸综合征冠状病毒 2（SARS-CoV-2）感染有关。	4.93
	CXCL8	该基因在下呼吸道感染的发病机理中发挥作用，这是由呼吸综合病毒（RSV）引起的常见呼吸道疾病。该促炎蛋白的过量生产被认为会导致与纤维化相关的肺部炎症。	18.89
	IL1A	该细胞因子是一种参与各种免疫反应，炎症过程和造血的多效细胞因子。	5.47
	IL1B	该细胞因子是炎症反应的重要介质，并且参与了各种细胞活性，包括细胞增殖，分化和凋亡。	1.72
	IL-6	该蛋白主要在急性和慢性炎症部位产生，在病毒感染中发现了升高的编码蛋白水平。	12.00
肿瘤坏死因子超家族成员	TNFSF10	可诱导肿瘤细胞凋亡，在肺部可能参与对抗肿瘤细胞及调节免疫反应。	7.91
模式识别受体相关基因	TLR3	可识别病毒双链RNA，激活免疫细胞，启动抗病毒免疫反应，在肺部抵御病毒感染中起作用。	2.63
免疫相关基因（干扰素诱导基因）	IFIT5	可被干扰素诱导表达，具有抗病毒功能，在肺部抵抗病毒感染中发挥作用。	1.78
	IFI35	可被干扰素诱导，可能在肺部细胞的抗病毒免疫和炎症调节中起作用。	4.40
	Mx1	主要参与抗病毒防御，可抑制流感病毒等在肺部细胞内的复制。	3.39
	Mx2	与MX1类似，具有抗病毒功能，有助于肺部抵御病毒感染。	1.11
	USP18	在干扰素信号通路中起调节作用，影响肺部细胞的抗病毒状态。	9.08
其他免疫调节基因	CASP1	可将无活性的炎症因子前体切割为有活性的形式，促进肺部炎症反应。	3.86
	EGFR	参与肺部上皮细胞的生长、增殖和修复，其异常与肺部肿瘤等疾病相关。	1.43
	TRIM21	参与细胞内的免疫防御，可能在肺部细胞抗病毒等免疫过程中发挥作用。	—
	TRIM22	参与细胞的抗病毒防御和免疫调节，在肺部免疫反应中发挥作用。	4.56
信号转导相关基因	JUN	作为转录因子，可调控许多与肺部炎症、细胞增殖等相关基因的表达。	—
	STAT2	是干扰素信号通路的关键转录因子，调节肺部细胞的抗病毒、免疫相关基因表达。	1.14
其他功能基因	CMPK2	参与核苷酸代谢，为细胞的增殖等活动提供原料，在肺部细胞的生长、修复等过程中起作用。	2.81
	GBP1	具有抗病毒、抗菌活性，在肺部感染时可发挥免疫防御作用。	4.35
	OAS2	在干扰素诱导的抗病毒反应中起作用，可激活RNA酶L来降解病毒RNA。	5.87
	PTGS2	可催化花生四烯酸生成前列腺素，在肺部炎症反应中起重要作用，参与调节气道平滑肌收缩等。	2.83
	PARP9	可能参与炎症和免疫调节，在肺部炎症等过程中可能有一定作用。	1.80
	RTP4	可能参与膜蛋白的转运等过程，在肺部可能与细胞的物质运输和信号转导有关。	1.31
	SAMD9L	可能参与细胞的生长调节和抗病毒反应，在肺部可能与维持细胞正常状态及抗病毒有关。	13.33
	SP110	可能参与核体的形成和基因转录调控，在肺部可能与免疫相关基因的表达调控有关。	1.29
	UBE2L6	参与蛋白质的泛素化修饰，可能在肺部细胞的信号转导、免疫调节等过程中起作用。	1.71

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