基于miRNA測序研究阿托伐他汀干預THP-1源性泡沫細胞模型的機制

周瑩 古展鑫 盧夢月 劉華盛 劉銳

(1廣西中醫(yī)藥大學,廣西 南寧 530200;2廣西中醫(yī)藥大學附屬瑞康醫(yī)院)

動脈粥樣硬化(AS)是一種復雜的慢性進展性病理生理過程,與脂質(zhì)代謝紊亂、內(nèi)皮細胞損傷、炎癥反應和免疫功能障礙等危險因素密切相關(guān)〔1〕。當單核細胞被受損血管內(nèi)皮細胞分泌的多種因子吸引募集到動脈壁上分化成巨噬細胞,巨噬細胞再經(jīng)受體介導,吞噬大量氧化低密度脂蛋白(ox-LDL),進一步轉(zhuǎn)化成為泡沫細胞,泡沫細胞導致的一系列炎癥反應將是AS發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵〔2〕。阿托伐他汀是當前臨床上用于治療冠心病的主要藥物之一。研究表明阿托伐他汀不僅通過調(diào)控免疫細胞水平抑制炎癥反應,同時降低膽固醇調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝來改善患者的臨床癥狀體征,減緩疾病進展〔3,4〕。微小RNA(miRNA)是一種小片段非編碼RNA,長度為18～25 nt,它可通過堿基對與相關(guān)靶基因結(jié)合,調(diào)控轉(zhuǎn)錄后在AS進程中參與調(diào)控脂質(zhì)代謝和炎癥反應的靶基因及目的蛋白的表達〔5～7〕。有研究證實〔8～10〕,阿托伐他汀通過調(diào)控相關(guān)miRNA影響靶基因與靶蛋白的表達進而對心血管疾病發(fā)揮治療作用,但其對泡沫細胞miRNA表達譜的影響尚未可知。本研究旨在比較阿托伐他汀干預THP-1源性泡沫細胞模型前后miRNA表達譜并篩選出差異miRNA,繪制miRNA-靶基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析相關(guān)信號通路,以期為后續(xù)臨床應用和研發(fā)防治AS新藥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1實驗動物與細胞 SPF級健康SD大鼠20只,雌性,體質(zhì)量(180±20)g,統(tǒng)一購自湖南斯萊克景達實驗動物有限公司〔SCXK(湘)2018-0002〕。自然晝夜光照,進食飲水自由,飼養(yǎng)于廣西中醫(yī)藥大學SPF級動物房〔SYXK(桂)2019-0001〕;人急性白血病單核細胞系THP-1,源于ATCC,購于卓一生化技術(shù)有限公司。

1.2實驗藥物 阿托伐他汀鈣片20 mg/粒(生產(chǎn)批號:H20051408)購自輝瑞制藥有限公司。以超純水為溶劑,研磨粉碎后置于超聲振蕩器震蕩混勻,配制成每毫升含阿托伐他汀鈣片0.2 mg備用。

1.3實驗試劑 RPMI1640培養(yǎng)基(貨號:C11875-500BT)與澳洲進口胎牛血清(FBS,貨號:10099141C)皆購于Gibco公司;ox-LDL(貨號:H7950)、佛波酯(PMA,貨號:SP9830-1 mg)、飽和油紅O染色液(G1260-500 ml)、甘油明膠封片劑(S2150-10 ml)、4%組織細胞固定液(P1110-500 ml)和磷酸鹽緩沖液(PBS,貨號:P1020-500 ml)皆購于北京Solarbio公司;異丙醇(CAS:67-63-0)購于廣東西隴化工;總RNA 提取試劑盒(LS1040)購于上海Progmega公司;RNA 分析試劑盒(DNF-471)購于美國AATI公司。

1.4實驗儀器 HR1200-ⅡB2生物安全柜(青島海爾),MCO-18AIC CO2細胞培養(yǎng)箱(日本Sanyo公司),ST16R22高速離心機(美國Thermo公司),DMI3000B倒置顯微鏡(德國Leica公司),BCD-268WBCS普通儲存海爾冰箱(青島),IQ7000 Milli-Q1純水儀系統(tǒng)(德國Merck公司),ND-2000 NanoDrop(Thermo Scientific),安捷倫2100生物分析儀(美國Agilent公司),FA-12 Fragment Analyzer分析儀(美國AATI公司),BGISEQ-500測序平臺(深圳華大基因)。

1.5含藥血清的制備 將20只SD大鼠隨機分為阿托伐他汀(西藥組)與空白對照組,連續(xù)7 d定時灌胃1次。灌胃1 w后對大鼠進行禁食處理,次日早晨再對大鼠灌胃1次。末次灌胃1 h后,以3.5 ml/kg劑量的10%水合氯醛對大鼠進行腹腔注射,于無菌環(huán)境采集大鼠腹主動脈血。將各組全血標本于4 ℃環(huán)境下靜置3 h后,以4 ℃ 3 000 r/min條件在離心機中離心15 min,血清分離后對同組血清進行混勻操作,再進行56 ℃滅活30 min處理。最后使用0.22 μm濾菌器對血清過濾除菌后EP管分裝,-80 ℃超低溫冰箱冷凍備用。

1.6誘導分化THP-1細胞 取生長狀態(tài)較佳的THP-1細胞以含10% FBS的RPMI1640培養(yǎng)基與終濃度為320 mmol/L的PMA混勻共同培養(yǎng),在設(shè)定為37 ℃、5% CO2的細胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后取出細胞,在顯微鏡下觀察細胞分化狀態(tài)。

1.7建立泡沫細胞模型并鑒定 待THP-1細胞被成功刺激,分化成巨噬細胞之后,替換終濃度為80 mg/L的ox-LDL完全培養(yǎng)基,于37 ℃,5%CO2條件下繼續(xù)培養(yǎng)48 h進行油紅O染色鑒定。細胞培養(yǎng)48 h后將其取出培養(yǎng)箱,棄舊培養(yǎng)基,使用PBS沖洗兩次細胞,加4%多聚甲醛進行時長為20 min的固定后棄液,用60%異丙醇沖泡1 min,再按3∶2油紅O染色液與PBS比例配液并著色20 min,加入異丙醇分化10～15 s,PBS洗滌兩遍。取出細胞爬玻片,用濾紙吸干多余液體后滴加甘油明膠,蓋上載玻片輕按排氣泡后置于顯微鏡下觀察鑒定是否成功建立泡沫細胞模型。

1.8含藥血清干預 取狀態(tài)優(yōu)良的THP-1細胞重懸濃度至1×106個/ml,于6孔板內(nèi)每孔加入2 ml種板,經(jīng)PMA誘導24 h后貼壁,再經(jīng)80 mg/L的ox-LDL刺激48 h轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽毎?將細胞分為模型組與西藥組,分別加入終濃度為10%的大鼠空白血清及西藥組血清予以37 ℃、5%CO2條件下培養(yǎng)干預48 h。

1.9總RNA 提取 干預時間結(jié)束后,棄原培養(yǎng)基,用PBS對細胞緩慢沖洗兩次,直接在6孔板中加RNA裂解液裂解2～3 min后轉(zhuǎn)移至無核酶EP管稀釋混勻,室溫以12 000 r/min離心5 min。離心后,細胞沉淀物沉于底部,轉(zhuǎn)移上清至新無核酶EP管加0.5倍體積無水乙醇混合均勻,將混合液吸取至新過濾柱,12 000 r/min離心1 min,棄去濾液后,向過濾柱加600 μl RNA洗液以12 000 r/min離心45 s,再棄去濾液,室溫條件下加50 μl DNA酶Ⅰ孵育液靜置孵育15 min。孵育結(jié)束后,加600 μl RNA洗液,12 000 r/min離心2 min,重復洗2次。將過濾柱置于洗脫管加60 μl無核酶水室溫靜置2 min,12 000 r/min離心1 min,最后提取分離出的液體即各組細胞總RNA,將RNA保存在-80 ℃冰箱備用。

1.10miRNA高通量測序 先將總RNA樣品用Agilent Bioanalzyer 2100生物分析儀進行濃度和完整度的檢測,并用NanoDrop檢測是否存在鹽離子污染。對品控合格的總RNA分離出小RNA并富集后連接單鏈DNA雜交擴增,使用聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)去除副產(chǎn)物并回收PCR后的目的條帶構(gòu)建文庫。使用Agilent Bioanalzyer 2100生物分析儀對構(gòu)建文庫進行定量,將雙鏈PCR產(chǎn)物變性為單鏈后加環(huán)化引物,經(jīng)phi29酶作用形成DNA納米球,采用聯(lián)合探針錨定聚合技術(shù)使DNA分子錨和熒光探針與DNA納米球聚合并通過BGISEQ-500測序平臺完成miRNA測序。

1.11數(shù)據(jù)分析處理與差異基因篩選 對測序后的原始數(shù)據(jù)進行過濾和標準化處理,用AASRA比對軟件將處理后數(shù)據(jù)與參考基因組和其他小RNA數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)對比,且對小RNA的表達水平用每百萬條reds的轉(zhuǎn)錄本(TPM)算法進行標準均一化處理后,默認差異表達基因篩選條件為差異倍數(shù)絕對值|log2(fold change)|≥2、Q值<0.01進行篩選,對篩選結(jié)果進行層次聚類分析。

1.12數(shù)據(jù)的生物信息學分析 通過6個不同靶基因預測數(shù)據(jù)庫(miRDB、Targetscan、miRWalk、miRPathDB、miRTarBase、microT-CDS)對篩選出的差異miRNA分別進行靶基因預測,最終選取靶基因在數(shù)據(jù)庫里的交集≥3并且被miRNA調(diào)控≥2的靶基因作為預測結(jié)果,根據(jù)預測結(jié)果進行基因本體論(GO)、京都基因與基因組百科全書(KEGG)富集分析,進一步了解差異基因所影響的信號通路和生物學功能。

2 結(jié) 果

2.1THP-1細胞分化的巨噬細胞 經(jīng)過濃度為320 mmol/L的PMA刺激誘導分化24 h后,THP-1細胞在倒置顯微鏡下觀察,可見大多數(shù)細胞已經(jīng)由漂浮狀態(tài)變成貼壁狀態(tài)生長,其形態(tài)表現(xiàn)為圓形或梭形或帶有較長偽足的不規(guī)則形,說明THP-1細胞經(jīng)PMA誘導,分化為巨噬細胞成功。見圖1。

圖1 PMA誘導分化后的巨噬細胞形態(tài)(×10)

2.2泡沫細胞模型建立 油紅O染色結(jié)果顯示,巨噬細胞因大量吞噬了ox-LDL而引起細胞內(nèi)脂質(zhì)蓄積,細胞內(nèi)脂滴被染為紅色,而巨噬細胞在無ox-LDL情況下紅色脂滴少見或未見,證明泡沫細胞模型成功建立。見圖2。

圖2 巨噬細胞和泡沫細胞脂質(zhì)蓄積情況(油紅O染色,×10)

2.3差異miRNA篩選與聚類分析 篩選出的差異miRNA有56條,其中有37個上調(diào),19個下調(diào)。為排除假陽性,進一步提高篩選條件為|log2(fold change)|≥2、P值<0.01、且在模型組或西藥組的其中一組或兩組同時miRNA表達量>1,篩選出8個差異miRNA。差異倍數(shù)顯著且表達量豐富的上、下調(diào)miRNA分別為hsa-miR-3184-3p與hsa-miR-423-5p。見表1,圖3。

表1 模型組與西藥組miRNA差異表達

圖3 差異基因聚類熱圖

2.4差異 miRNA 靶基因 的GO 與 KEGG 分析 對上述8個差異miRNA進行靶基因預測,經(jīng)過預測并排除重復后得到1 713個靶基因,使用Cytoscape 3.8.0設(shè)定條件為Degree≥5以構(gòu)建miRNA-靶基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),其中調(diào)控靶基因最多的miRNA為hsa-miR-3184-3p、hsa-miR-423-5p、hsa-miR-5581-3p,被顯著調(diào)控關(guān)聯(lián)的基因為POU域類2轉(zhuǎn)錄因子(POU2F)1,N-甲基-D-天冬氨酸受體2B亞基(GRIN2B)、RNF217。見圖4。

圖4 miRNA-靶基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

將預測所得的靶基因通過DAVID數(shù)據(jù)庫進行GO富集分析,分析結(jié)果顯示,這些靶基因主要參與轉(zhuǎn)錄DNA模板、RNA聚合酶Ⅱ啟動子轉(zhuǎn)錄的正向調(diào)控、蛋白酶體介導的泛素依賴性蛋白分解過程、細胞因子產(chǎn)生過程等18種生物學過程(BP),有染色質(zhì)結(jié)合劑、鋅離子結(jié)合劑、RNA聚合酶Ⅱ核心啟動子近端區(qū)域序列特異性DNA結(jié)合等15種分子功能(MF),細胞組分(CC)分析顯示,共含早期內(nèi)膜體、核質(zhì)、細胞核等7種組分類型,見圖5。通過KEGG分析發(fā)現(xiàn),有20條信號通路參與,其中MAPK信號通路、Hippo信號通路、Wnt信號通路差異較顯著(P<0.01),其交集基因數(shù)量分別為35、25、22個。

圖5 GO富集分析

3 討 論

近年來測序技術(shù)發(fā)展迅猛,因高通量測序技術(shù)能準確檢測出低表達的基因,具有成本低重復率高的優(yōu)點,對生物醫(yī)學研究起到極大助力作用〔11〕。本實驗中37個上調(diào)的miRNA中hsa-miR-3184-3p上調(diào)最為突出。關(guān)于miR-3184的研究大多與癌癥相關(guān)〔12～16〕,且其反向互補序列miR-3184-5p研究較多。有研究表明,乳腺癌細胞和脂肪細胞的相互作用會增加促炎細胞因子分泌,而miR-3184-5p下調(diào)與miR-181c過表達可以通過靶向叉頭盒轉(zhuǎn)錄因子(FOX)P4和過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARα)來抑制脂肪細胞誘導的乳腺癌細胞增殖和遷移〔13〕。作為miR-3184的直接靶點,磷脂酶Cβ(PLCB)1過表達會對肝細胞癌起促進作用,而PLCB1在心肌細胞中過表達會導致心肌細胞肥大,并可能通過干擾促炎細胞因子來調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞炎癥〔14,15〕。目前未有miR-3184-3p與心血管疾病相關(guān)的研究,相關(guān)炎癥機制如何參與AS進程有待進一步探討。本研究中19個下調(diào)的差異miRNA里hsa-miR-423-5p下調(diào)最為明顯。研究證明miR-423-5p是早期心肌壞死〔17〕和冠狀動脈患者風險分層〔18〕的生物標志物,循環(huán)miR-423-5p可以反映患者心臟缺血狀態(tài)〔19〕。在AS的進程中,過表達miR-423-5p會引起心肌損傷,導致心肌細胞凋亡,但miR-423-5p可以通過抑制靶向心肌細胞中的成髓細胞瘤轉(zhuǎn)錄因子第2亞型(MYBL2)來激活Wnt/β-連環(huán)蛋白(catenin)信號通路,減少缺氧再復氧環(huán)境下誘導的心肌細胞損傷〔20〕。AS發(fā)病機制中,血管內(nèi)皮細胞損傷是導致AS的經(jīng)典機制之一。研究認為,miR-423會在缺氧和腫瘤壞死因子(TNF)-α炎癥因子處理后的血管內(nèi)皮細胞中表達〔21〕。有實驗結(jié)果表明,miR-423-5p被過表達的分化拮抗非蛋白編碼RNA靶向下調(diào),由此減輕ox-LDL誘導的內(nèi)皮細胞凋亡,減少炎癥因子分泌〔22〕,而miR-423-5p靶向下調(diào)ALDH2也可以通過減輕脂多糖誘導的內(nèi)皮細胞損傷和凋亡來改善AS〔23〕。以上研究皆表明miR-423-5p對心血管疾病具有一定調(diào)節(jié)作用。

KEGG通路分析顯示,所預測靶基因富集于絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路、Hippo信號通路、Wnt信號通路等通路。由于目前對miRNA的研究尚未全面發(fā)展,大部分研究多偏向于癌癥領(lǐng)域,所以miRNA的靶基因和功能富集也會產(chǎn)生偏向,導致癌癥相關(guān)途徑會在KEGG通路富集結(jié)果中占有一席之地〔24〕,故應對分析結(jié)果進行挑選。有研究表明,巨噬細胞會被ox-LDL刺激產(chǎn)生活性氧從而激活MAPK信號通路,加重脂質(zhì)沉積引起巨噬細胞泡沫化,王不留行黃酮苷可以通過減少脂質(zhì)沉積改善AS〔25〕。另一研究認為,細胞增殖和凋亡可以被MAPK信號通路所調(diào)節(jié),通過降低p38、細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)1/2、c-Jun氨基末端激酶(JNK)1/2的磷酸化水平來阻斷MAPK信號通路,減少人臍靜脈內(nèi)皮細胞被棕櫚酸所刺激引起的脂毒性損傷〔26〕。Hippo信號通路可以控制細胞增殖和凋亡,其下游因子Yes相關(guān)蛋白(YAP)過表達會誘導白細胞介素(IL)-1β募集巨噬細胞進而加速AS發(fā)展,抑制YAP表達可以改善由ox-LDL誘導的內(nèi)皮細胞凋亡和炎癥進展〔27,28〕。信號傳導及轉(zhuǎn)錄激活蛋白(STAT)家族成員中,激活STAT1會促進巨噬細胞促炎反應,激活STAT3會抑制免疫反應,缺乏Wnt信號通路關(guān)鍵因子β-catenin會使STAT1激活并促進巨噬細胞炎癥反應加劇AS,而Wnt信號通路激活劑Wnt3a可以激活STAT3并聯(lián)合IL-4共同作用消退炎癥反應以改善AS〔29,30〕。

綜上所述,高通量測序篩選阿托伐他汀含藥血清干預THP-1源性泡沫細胞模型的差異表達miRNA 為hsa-miR-3184-3p與hsa-miR-423-5p,富集顯著的關(guān)鍵通路為MAPK信號通路、Hippo信號通路與Wnt信號通路。由于miRNA可以調(diào)控的靶基因較多,加上AS機制的復雜,具體作用于AS的靶基因?qū)嶒灁?shù)據(jù)尚未完全,因此仍需對阿托伐他汀干預泡沫細胞的機制進行深入研究。