夏機(jī)良, 郝香芬, 曾小明, 靳麗莎, 周 彤, 李學(xué)家, 孫云霄,饒軍華, 劉曉明, 彭白露,*
(1. 廣東省昆蟲研究所, 廣東 廣州 510260; 2. 廣東藍(lán)島生物技術(shù)有限公司, 廣東 廣州 510555)
食蟹猴心血管病風(fēng)險因素與心血管病相關(guān)基因在外周血白細(xì)胞表達(dá)的相關(guān)性
夏機(jī)良1, 郝香芬1, 曾小明2, 靳麗莎1, 周 彤2, 李學(xué)家1, 孫云霄1,饒軍華1, 劉曉明1, 彭白露1,*
(1. 廣東省昆蟲研究所, 廣東 廣州 510260; 2. 廣東藍(lán)島生物技術(shù)有限公司, 廣東 廣州 510555)
研究心血管病風(fēng)險因素和心血管病相關(guān)基因表達(dá)的相關(guān)性有助于心血管病風(fēng)險預(yù)警和早期診斷研究。該文采用溫和的動脈粥樣硬化膳食(0.053 mg膽固醇/千焦、40 %的能量來源于脂肪)喂養(yǎng)中老年雄性食蟹猴(Macaca fascicularis)(12個月), 根據(jù)傳統(tǒng)心血管病風(fēng)險因素篩選低、高風(fēng)險食蟹猴, 然后采用熒光定量PCR技術(shù)檢測113個心血管病相關(guān)基因在正常組、低風(fēng)險和高風(fēng)險組食蟹猴外周血白細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)差異。結(jié)果在食蟹猴外周血白細(xì)胞中共檢測到65個心血管病相關(guān)基因, 其中低、高風(fēng)險組有16個基因相對于正常組表達(dá)上調(diào)(P<0.05), 19個基因表達(dá)下調(diào)(P<0.05), 另外, 還有 15個基因表達(dá)模式特異(P<0.05)。此外, 還檢測到 42個心血管病相關(guān)基因在人和食蟹猴外周血白細(xì)胞內(nèi)均有效表達(dá), 其中22個基因在兩者之間表達(dá)模式一致。上述結(jié)果為進(jìn)一步研究心血管病風(fēng)險預(yù)警和早期診斷指標(biāo), 縮小了基因遴選范圍。
心血管病; 風(fēng)險預(yù)警; 早期診斷; 食蟹猴; 熒光定量PCR; 外周血白細(xì)胞
美國國家膽固醇教育計劃(National Cholesterol Education Program, NCEP)將心血管病危險性分為四個級別(Brewer et al, 2004):高度危險、中高度危險、中危險、低危險。其中中高以下患者大部分沒有臨床癥狀, 且診斷方法不成熟, 只能通過傳統(tǒng)的心血管病風(fēng)險因素對其進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測。
目前, 研究人員已開發(fā)出多種心血管病預(yù)測方法(Lisa et al, 2001; Carol et al, 2007; Cobain et al,2008), 且已廣泛應(yīng)用于臨床。年齡、體重指數(shù)(body mass index, BMI)、總膽固醇(total cholesterol, TC)、低密度脂蛋白膽固醇(low-density lipoprotein cholesterol, LDL-C)、甘油三酯(triglyceride, TG)、血糖(glucose, GLU) 和高密度脂蛋白膽固醇(highdensity lipoprotein cholesterol, HDL-C)等心血管病風(fēng)險因素均被應(yīng)用于心血管病風(fēng)險預(yù)測(Lisa et al,2001; Carol et al, 2007; Cobain et al, 2008)。當(dāng)血清HDL-C濃度大于1.81 mmol/L(60 mg/dL)時是一個負(fù)風(fēng)險因素, 可抵消掉一個正風(fēng)險因素; 濃度小于1.21 mmol/L(40 mg/dL)時是一個正風(fēng)險因素(Li,2002)。心血管病風(fēng)險預(yù)測模型缺陷也很明顯, 一是前瞻性不夠; 二是準(zhǔn)確性不高。因此, 尋找更多的心血管病診斷指標(biāo)對于心血管病早期預(yù)防意義重大。
外周血白細(xì)胞取材方便, 對機(jī)體無創(chuàng)傷性傷害,是一種理想的臨床診斷材料。已有研究人員發(fā)現(xiàn)隨著血脂變化白細(xì)胞內(nèi)相關(guān)基因也出現(xiàn)表達(dá)變化(Dempsey et al, 2007)。我們采用實時熒光定量PCR方法檢測113個心血管病相關(guān)基因在食蟹猴外周血白細(xì)胞中的表達(dá)狀態(tài)。期望找到一些表達(dá)量隨心血管病的危險程度變化而變化的基因,這些基因可作為心血管病風(fēng)險預(yù)測和早期診斷的候選指標(biāo)。
中老年雄性食蟹猴 35只由華南靈長類研究開發(fā)中心提供, 其中 30只采用溫和的動脈粥樣硬化膳食(0.053 mg膽固醇/千焦、40 %的能量來自于脂肪)單籠喂養(yǎng), 另外5只采用普通飼料喂養(yǎng)作為正常對照。5個正常男性和10個心血管疾病高風(fēng)險男性患者血液由廣州市花都區(qū)中醫(yī)院提供(均自愿)。所有飼料均由廣州飼料研究所生產(chǎn), 置于4 ℃冷庫中保存, 保質(zhì)期2個星期。紅細(xì)胞裂解液自己配制(1.6 mmol/L EDTA, 10 mmol/L KHCO3, 153 mmol/L NH4Cl, pH 7.4), Trizol 試劑購自 Invitrogen 公司,SYBR? Green染料及SYBR? Premix Ex TaqTM購自 TaKaRa公司、EasyScript First-Strand cDNA Synthesis SuperMix由TransGen Biotech公司提供,引物合成和測序由上海生工生物工程公司完成。
1.2.1 外周血血清和白細(xì)胞提取以及 RNA抽提和cDNA制備 實驗猴禁食18 h, 然后使用10 mL無菌注射器于股靜脈取血8 mL。其中5 mL血置于抗凝管中(含EDTA 1 g/L), 用于提取白細(xì)胞。其余3 mL血置于普通真空管中, 用于提取血清。外周血白細(xì)胞提取采用紅細(xì)胞裂解液(Dempsey et al, 2007)。采用Trizol提取白細(xì)胞RNA(Chomczynski & Sacchi,1987), 然后通過凝膠電泳檢測RNA的質(zhì)量。取大約 0.5 μg RNA, 采用兩步法, 用 EasyScript First-Strand cDNA Synthesis SuperMix將RNA逆轉(zhuǎn)錄成cDNA, 將制備好的cDNA置于?20 ℃保存?zhèn)溆谩⑵胀ㄕ婵展苤械难菏覝仂o置30 min, 然后4 ℃,3 000 g/ min離心15 min(eppendorf 5810),將上層血清取出, 用于生化指標(biāo)檢測。
1.2.2 血液生化指標(biāo)檢測 實驗猴血清提取出來后立刻送到廣州醫(yī)藥工業(yè)研究院(2004年通過了國家食品藥品監(jiān)督管理局 GLP檢查認(rèn)證)檢測血清TC、TG、LDL-C、HDL-C和GLU的濃度。
1.2.3 心血管病相關(guān)基因和引物設(shè)計 根據(jù)已有的人心血管病 PCR芯片和最新文獻(xiàn)報道, 挑選出113個心血管病相關(guān)基因。目前食蟹猴全基因組序列還沒公布。所以, 我們以恒河猴心血管病相關(guān)基因的mRNA序列作為引物設(shè)計模板。同時, 為了方便以后應(yīng)用于臨床, 我們將所有引物序列設(shè)計在人和恒河猴mRNA同源區(qū)域。以GAPDH和RPL13A作為內(nèi)參(Chen et al, 2005; Anton et al, 2007), 所有心血管病相關(guān)基因和內(nèi)參引物擴(kuò)增出的核酸序列長度在150~250 bp之間, 且擴(kuò)增效率基本一致。113個基因按功能分類, 如下所示:免疫應(yīng)答分子:CCR2、IL10、IL18、IFNG、IL1B、IL1RN、SAA1、CD40、CRLF1、IL6、NFKB1、CD40LG、NOS2A、CRP, IL8、PLA2G7、TNF、FAS、FASLG、IL6ST、LTA、LTB和VWF等 23個; 黏附分子:EVA1、ICAM1、VCAM1、ITGA1、ITGA10、ITGA4、ITGA2、ITGA2B、ITGA3、ITGA5、ITGA6、ITGA7、ITGA8、ITGA9、ITGAE、ITGAL、ITGAM、ITGAV、ITGAX、ITGB1、ITGB2、ITGB3、ITGB4、ITGB5、ITGB6、ITGB7、ITGB8、GLG1、SELE、SELL、SELP、SELPG、MSLN和PECAM1等34個; 血栓相關(guān)因子:F3、F7、FGA、FGB、FGG、PLAT、PLAU、PLUAR、
SERPINE1和THBD等10個; 脂代謝相關(guān)基因:APOA1、APOA2、APOA4、APOA5、APOB、APOC1、APOC2、APOC3、APOC4、APOD、APOE、APOF、APOH、LPA、PLTP、HSD11B1、OLR1和PPARG等18個; 細(xì)胞外基質(zhì):MMP1、MMP12、MMP13、MMP2、MMP9、PAPPA、TIMP1、AMH、CCL2、CRLF1、CTF1、EDN1、EDN2、EDN3、PON1、PON2、TNFRSF1A、GRN和MTHFR等19個; 血液循環(huán)相關(guān)基因:NPPA、NPPB、TNNI3、TNNT2、ACE和DBP等6個; 心機(jī)梗塞心力衰竭相關(guān)基因:CKM、MB和TNNC1等3個。
1.2.4 熒光定量 PCR 采用 SYBR Green染料(TaKaRa)在ABI StepOnePlus Real-Time PCR系統(tǒng)(ABI)上進(jìn)行熒光定量PCR。熒光定量PCR采用20μL 反應(yīng)體系:10 μL SYBR?PremixEx TaqTM(2×),0.4 μL PCR 上游引物(10 μmol/L), 0.4 μL PCR 下游引物(10 μmol/L), 2 μL PCR 模板, 0.4 μL ROX, 6.8μL ddH2O。熒光定量PCR步驟:(1)95 ℃, 30 s; (2)95℃, 5 s; 60 ℃, 34 s, 該步驟重復(fù)40個循環(huán); (3)溶解曲線分析, 反應(yīng)結(jié)束后先加熱到 95 ℃, 然后降至60 ℃, 再緩慢升溫至95 ℃, 記錄熒光信號的變化,得出擴(kuò)增產(chǎn)物的熔解曲線。所有基因PCR產(chǎn)物均純化回收, 并測序驗證, 然后, 將測序結(jié)果與華大基因食蟹猴數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)基因(未發(fā)表)比對驗證。所有熒光定量PCR反應(yīng)均重復(fù)3次。
1.2.5 數(shù)據(jù)分析 采用ABI StepOne Software v2.1對熒光定量PCR結(jié)果進(jìn)行初步分析, 首先, 調(diào)整閾值和基線, 將閾值設(shè)置在指數(shù)期的初期, 同一個基因閾值調(diào)成一樣。然后, 去除無表達(dá), 溶解曲線較差, 且 8>Ct或Ct>35、△Ct>13 的反應(yīng)。采用 2—△△Ct法(Kenneth & Thomas, 2001; Jason et al, 2003)比較低風(fēng)險組、高風(fēng)險組和正常實驗猴之間心血管病相關(guān)基因表達(dá)差異。首先, 優(yōu)化內(nèi)標(biāo)基因和目的基因擴(kuò)增條件, 分別測定內(nèi)參基因和目的基因的Ct值,取平均值; 然后, 通過內(nèi)標(biāo)基因?qū)δ康幕蜻M(jìn)行校正得到△△Ct; 最后, 通過 2-△△Ct估算目的基因的相對表達(dá)量和系統(tǒng)誤差。在計算相對表達(dá)量時, 分別以正常對照組樣本為參照, 即將其值轉(zhuǎn)換成1,低風(fēng)險組和高風(fēng)險組樣本再與其比較, 獲得相對表達(dá)值。采用EXCEL函數(shù)AVERAGE和AEDEV計算所有實驗結(jié)果的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。用SPSS17.0對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。
膳食誘導(dǎo)12個月后, 根據(jù)TC、LDL-C、TG、HDL-C、GLU、BMI和年齡等心血管病風(fēng)險因素, 從30只采用溫和的動脈粥樣硬化膳食喂養(yǎng)的實驗猴中篩選出7只心血管病風(fēng)險因素危險性較高的實驗猴作為高風(fēng)險組; 6只心血管病風(fēng)險因素危險性較低的實驗猴作為低風(fēng)險組; 5只采用普通飼料喂養(yǎng)的實驗猴作為正常組。各組實驗猴心血管病風(fēng)險因素平均值及其統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。BMI和年齡在三組實驗猴之間無顯著差異(P>0.05); 高風(fēng)險組實驗猴的血清TC、LDL-C、TG、GLU濃度均顯著高于正常組和低風(fēng)險組(P<0.05); 低風(fēng)險組血清TC、LDL-C顯著高于正常組(P<0.05), 但其HDL-C也顯著高于正常組, 而且低風(fēng)險組 HDL-C濃度達(dá)到(1.96±0.25)mmol/L, 可抵消掉一個正風(fēng)險因素。
采用ABI StepOne Software v2.1軟件對熒光定量PCR結(jié)果進(jìn)行初步分析, 結(jié)果顯示共有65個心血管病相關(guān)基因有效表達(dá)(表 2), 且這些基因的測序結(jié)果與華大基因食蟹猴基因數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)基因序列基本一致。看家基因GAPDH和RPL13A在三組實驗猴之間表達(dá)恒定(P>0.05), 我們以GAPDH作為看家基因, 正常對照組作為參照, 對心血管病相關(guān)基因進(jìn)行相對定量分析。結(jié)果顯示:低風(fēng)險組實驗猴有 45個心血管病相關(guān)基因相對于正常組出現(xiàn)表達(dá)差異(P<0.05); 高風(fēng)險組實驗猴與正常組相比有39個基因表達(dá)上調(diào)或者下調(diào)(P<0.05); 低、高風(fēng)險組實驗猴之間有 14個基因出現(xiàn)表達(dá)差異(P<0.05)。

表1 正常組、低風(fēng)險組和高風(fēng)險組實驗猴心血管病風(fēng)險因素比較結(jié)果Tab. 1 Comparison results of cardiovascular risk factors between normal, low-risk and high-risk crab-eating macaques
低、高風(fēng)險組共有 16個基因相對于正常組表達(dá)上調(diào), 19個基因表達(dá)下調(diào)(P<0.05), 其中CD40、PLTP、SELPG、IFNG在低風(fēng)險組中表達(dá)量明顯高于高風(fēng)險組(P<0.05),GRN、FASLG表達(dá)量顯著低于高風(fēng)險組(P<0.05)。
此外, 還有 15個心血管病相關(guān)基因出現(xiàn)表達(dá)差異, 但表達(dá)模式特異(P<0.05)。ACE、TNFRSF1A、IL1RN、ITGAV、PLAT、PLAUR、SERPINE1、NFKB1只在低風(fēng)險組和正常組之間出現(xiàn)表達(dá)差異, 其中ACE、TNFRSF1A在低風(fēng)險組的表達(dá)量顯著高于正常組, 其他基因表達(dá)量顯著低于正常組;APOE、ICAM1、TNF在正常組、低風(fēng)險組和高風(fēng)險組之間均出現(xiàn)表達(dá)差異, 其中APOE和ICAM1在高風(fēng)險組的表達(dá)量最高、正常組次之、低風(fēng)險組最低,TNF表達(dá)模式剛好與之相反;IL10、PPARG、SELL、MTHFR在低風(fēng)險組和高風(fēng)險組之間出現(xiàn)表達(dá)差異,其中IL10、PPARG、SELL在低風(fēng)險組的表達(dá)量顯著高于高風(fēng)險組, 而MTHFR在低風(fēng)險組的表達(dá)量顯著低于高風(fēng)險組, 而IL10在高風(fēng)險組表達(dá)量顯著低于正常組,PPAR在低風(fēng)險組表達(dá)量顯著高于正常組,SELL在低風(fēng)險組表達(dá)量顯著低于正常組。

表2 正常組、低風(fēng)險組和高風(fēng)險組實驗猴心血管病相關(guān)基因相對表達(dá)量Tab. 2 Relative expression quantity of cardiovascular disease-related genes between normal,low-risk and high-risk crab-eating macaques

續(xù)表
熒光定量PCR共檢測到42個心血管病相關(guān)基因在人和食蟹猴外周血白細(xì)胞內(nèi)均有效表達(dá)。分別以正常人和食蟹猴作為參照, 計算心血管病相關(guān)基因在心血管疾病高風(fēng)險人和食蟹猴中相對表達(dá)量。通過比較分析人和食蟹猴心血管病相關(guān)基因表達(dá)模式, 我們發(fā)現(xiàn)共有22個心血管病相關(guān)基因在人和食蟹猴中隨著心血管病危險性升高表達(dá)模式一致。其中APOA1、APOF、FGG、GLG1、IL6ST、LTA和PLTP在心血管疾病高風(fēng)險人和心血管疾病高風(fēng)險食蟹猴中表達(dá)量均顯著上調(diào)(P<0.05)(圖 1);CCL2、CD40LG、DBP等 13個基因均表達(dá)下調(diào)(P<0.05)(圖2); 此外,SERPINE1和TNFRSF1B在人和食蟹猴中均表達(dá)恒定(P>0.05)。

圖1 人和食蟹猴中表達(dá)均上調(diào)的心血管病相關(guān)基因Fig. 1 Up-regulated cardiovascular disease-related genes between human and crab-eating macaques

圖2 人和食蟹猴中表達(dá)均下調(diào)的心血管病相關(guān)基因Fig. 2 Down-regulated cardiovascular disease-related genes between human and crab-eating macaques
20世紀(jì) 70年代末誕生了基因診斷, 基因診斷可以揭示尚未出現(xiàn)癥狀時與疾病相關(guān)的基因狀態(tài),從而可以對表型正常的攜帶者及某種疾病的易感者作出診斷和預(yù)測。心血管病在出現(xiàn)明顯臨床癥狀之前有一個較長的潛伏期, 通常在出現(xiàn)癥狀時已進(jìn)入后期, 急性冠心病事件, 心肌梗塞等通常為突然發(fā)生, 常常來不及醫(yī)治(World Health Organization,2007; World Health Organization, 2003)。因此, 利用基因診斷技術(shù)對心血管病進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警和早期診斷對人類健康意義重大。
我們采用實時熒光定量PCR方法檢測低風(fēng)險、高風(fēng)險和正常組食蟹猴外周血白細(xì)胞內(nèi)心血管病相關(guān)基因表達(dá)狀態(tài), 結(jié)果共檢測到 65個心血管病相關(guān)基因。通過分析三組實驗猴心血管病危險性和基因表達(dá)的相關(guān)性, 我們發(fā)現(xiàn)如果用傳統(tǒng)的心血管病風(fēng)險因素對實驗猴進(jìn)行心血管病危險性評估, 高風(fēng)險組實驗猴心血管病危險性要顯著高于低風(fēng)險組和正常組實驗猴, 而低風(fēng)險組和正常組之間差異不大;但是實時熒光定量PCR結(jié)果顯示高、低風(fēng)險組之間只有14個心血管病相關(guān)基因出現(xiàn)表達(dá)差異,低風(fēng)險和正常組之間卻有 45個心血管病相關(guān)基因出現(xiàn)表達(dá)差異。該結(jié)果表明,心血管病早期心血管病相關(guān)基因表達(dá)變化的出現(xiàn)往往要早于傳統(tǒng)的風(fēng)險因素, 而那些在正常組和低風(fēng)險組之間出現(xiàn)表達(dá)差異的基因可作為心血管病風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)。
大量研究表明, 血脂異常、炎癥、血栓、內(nèi)皮損傷等都是心血管病的重要危險因素(Toru,2009)。炎癥因子(David et al, 2004)C-反應(yīng)蛋白、ICAM1、IL6、CD40LG、IL18, 以及載脂蛋白(Chen et al,2007)APOA1、APOB等已經(jīng)應(yīng)用于心血管病早期診斷和研究當(dāng)中。因此, 我們篩選出來的出現(xiàn)表達(dá)差異的基因不但能反映相應(yīng)的病理狀態(tài), 還能應(yīng)用于心血管病風(fēng)險預(yù)警和早期診斷當(dāng)中。16個表達(dá)明顯上調(diào)和 19個表達(dá)明顯下調(diào)的心血管病相關(guān)基因可用于區(qū)分正常和異常;CD40、PLTP、SELPG、IFNG、GRN、FASLG和15個表達(dá)模式特異的心血管病相關(guān)基因可用于區(qū)分低風(fēng)險和高風(fēng)險。
共有 42個心血管病相關(guān)基因在人和食蟹猴外周血白細(xì)胞內(nèi)均有效表達(dá), 其中 22個心血管病相關(guān)基因在人和食蟹猴之間表達(dá)模式一致, 這表明食蟹猴的研究結(jié)果也可應(yīng)用于人。有些基因在人和食蟹猴之間表達(dá)模式不一致, 這可能是由人猴差異或其他病理現(xiàn)象導(dǎo)致的, 我們正在研究其具體原因。
目前 PCR芯片技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于心血管病臨床診斷當(dāng)中, 但是其在心血管病風(fēng)險預(yù)警和早期診斷中的應(yīng)用還有待開發(fā)。通過進(jìn)一步研究確認(rèn)上述心血管病相關(guān)基因的表達(dá)模式, 然后將這些基因制備成 PCR芯片, 再結(jié)合傳統(tǒng)的心血管病風(fēng)險因素可更早、更準(zhǔn)確的對心血管病進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警和早期診斷。
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Correlation between cardiovascular risk factors and the expression
of cardiovascular disease related genes in cynomolgus monkeys
XIA Ji-Liang1, HAO Xiang-Fen1, ZENG Xiao-Ming2, JIN Li-Sha1, ZHOU Tong2, LI Xue-Jia1,SUN Yun-Xiao1, RAO Jun-Hua1, LIU Xiao-Ming1, PENG Bai-Lu1,*
(1.Guangdong Entomological Institute,Guangzhou510260,China;
2.Guangdong Landao Biological Technology Limited Company,Guangzhou510555,China)
The correlation between cardiovascular risk factors and cardiovascular disease related genes plays an important role in early-warning risk and early diagnosis. Thirty middle-aged male crab-eating macaques were fed a moderately atherogenic diet (0.053 mg cholesterol/kJ and 40% of calories as saturated fat) for twelve months. According to cardiovascular risk factors, we selected low-risk and high-risk crab-eating macaques, then analyzed the expression of 113 cardiovascular related genes by real-time PCR. A total of 65 genes were detected in peripheral blood leukocytes by real-time PCR. Sixteen up-regulated genes and nineteen down-regulated genes were detected in low-risk and high-risk crab-eating macaques compared to normal crab-eating macaques (P<0.05), in addition to fifteen genes that showed unique expression patterns (P<0.05). We also detected 42 genes in human peripheral blood leukocytes. The expression patterns of 22 genes were consistent between human and crab-eating macaques. These results narrowed the scope of genes for further research.
Cardiovascular diseases; Early-warning risk; Early diagnosis; Crab-eating macaque; Real-time PCR;Peripheral blood leukocytes
Q959.848; R54
A
0254-5853-(2011)03-0293-07
10.3724/SP.J.1141.2011.03293
2010-12-24;接受日期:2011-03-10
國家科技重大專項人類重大疾病靈長類動物模型資源平臺的建設(shè)項目(2011ZX09307-303-03); 廣州市科技計劃項目大型實驗動物國際認(rèn)證與外包服務(wù)項目(2009A1-E051)
?通訊作者(Corresponding author),E-mail: pengbailu@hotmail.com
夏機(jī)良(1983-), 男, 碩士, 專業(yè)方向:靈長類疾病模型制備和疾病早期診斷。E-mail:jiliangxia2009@163.com