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基础免疫学·
TNBS/乙醇溃疡性结肠炎大鼠模型差异表达miRNA与mRNA共表达分析
钦丹萍 周毅骏 杨雪静 张春丽 李艳平 代群 孙佩娜
DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5101.2015.10.005基金项目:国家自然科学基金资助项目(81273903)
作者单位:310006杭州,浙江中医药大学附属第一医院消化内科(钦丹萍),中心实验室(杨雪静,李艳平,代群),病理科(张春丽);浙江中医药大学第一临床医学院(钦丹萍,周毅骏,孙佩娜)
通信作者:钦丹萍,Email:qindp19841@sina.com,电话:0571-87068001
medicine可数吗【摘要】 目的 研究2,4,6-三硝基苯磺酸(TNBS)/乙醇溃疡性结肠炎(UC)大鼠中,UC相关miRNA的调控作用,即miRNA与mRNA互作关系。方法 用TNBS/乙醇灌肠,诱
导UC大鼠模型。经过造模与14d生理盐水灌胃后,解剖处死。留取正常组与模型组大鼠相应的结肠组织。通过大体及镜下观察,验证造模效果。同时对相应结肠组织进行miRNA芯片检测,根据芯片结果及相关文献报道,筛选出与UC发病密切相关的miRNA并对其进行RT-PCR验证。另外,利用miRWalk数据库对差异miRNA的靶基因进行预测。为了验证预测结果与实际情况的相符度,又同步进行了mRNA水平的表达谱芯片实验,筛选出与差异miRNA确有互作作用的mRNA。为了更好地说明miRNA与mRNA的互作关系,又利用David数据库对靶基因进行注释,最终形成miRNA与mRNA共表达网络。结果模型组大鼠结肠大体及镜下表现均符合UC的发病特征。通过miRNA芯片筛选出了68个差异miRNA[倍数变化(foldchange)>2,P <0.05,表达值(expressionmean)>7],结合相关文献报道,筛选出6个与UC发病密切相关的miRNA。同时对这6个miRNA进行了RT-PCR实验,结果提示,与正常组相比,4个差异miRNA(miR-146a-5p、miR-146b-5p、miR-126a-3p和miR-21-5p)表达明显上调(P <0.01,P <0.05),2个差异miRNA(miR-200b-3p、miR-145-5p)表达明显下调(P <0.01)。结合miRWalk数据库对这6个差异miRNA的靶基因预测结果和表达谱芯片结果,本研究发现IL-6、Ccl5、Mapk3、Smad7这4个mRNA与上述6个miRNA有互作关系。最终通过David数据库对这种互作关系进行注释,以阐明其在UC发病中的重要作用。结论 一个miRNA可以调控多条信号通路,而一条信号通路又受到多个miRNA的调控。如果仅仅单纯抑
制某条信号通路,可能并不能从根本上抑制炎症的发生。而从其上游出发,研究miRNA作用,阐明相互关系,并调控mRNA的作用,可能可以从根本上逆转疾病的进程。
【关键词】 miRNA;TNBS/乙醇溃疡性结肠炎(UC)大鼠模型;表达谱;共表达分析
Analysis of the co -expression of miRNA and mRNA in rats with TNBS /ethanol induced ulcerative
colitis Qin Danping *
,Zhou Yijun ,Yang Xuejing ,Zhang Chunli ,Li Yanping ,Dai Qun ,Sun Peina .*
Department of Gastroenterology ,the First Affiliated Hospital of Zhejiang Chine Medical University ,Zhe -jiang 310006,China
Corresponding author :Qin Danping ,Email :qindp19841@sina .com
【Abstract 】 Objective ToinvestigatethecorrelationsbetweenmiRNAandmRNA(theregulatoryeffectsofmiRNA)inaratmodeloftrinitro-benzene-sulfonicacid(TNBS)/ethanolinducedulcerativecolitis
(UC).Methods TNBSandethanolwereusedtoinducethedevelopmentofUCinrats.Afterthemodelingprocedureandoraladministrationofnormalsaline(NS)for14days,ratsfromthecontrolandmodelgroupsweredissectedtocollectthesamplesofcolonicmucosa.GeneralandhistologicalevaluationswereperformedtovalidatethemodelingofUC.TheexpressionofmiRNAwasprofiledusingmiRNAmicroarray.ThetargetmiRNAsthatwerecloselyrelatedtothepathogenesisofUCwereselectedoutaccordingtotheresultsofmi-croarrayandrelatedliteratures.RT-PCRwasperformedtoverifythedifferentiallyexpressedmiRNAs.The
mirWalkdatabasewasusedtopredictthetargetgenesofmiRNAs.Inordertoverifywhetherthepredictedresultswereinaccordancewiththeactualresults,
themicroarraytechnologywasusedformRNAexpressionprofiling.ThegenesthatshowedinteractionswiththosemiRNAswerescreenedout.TheDaviddatabasewas
usedforgeneannotation.AninteractionnetbetweenmiRNAandmRNAwasformed.ResultsGeneralandhistologicalmanifestationofcolontissuesamplesfromthemodelgroupwereinaccordancewiththefeaturesofUC.Sixty-eightmiRNAswereidentifiedtobedifferentiallyexpressedinratsfromthemodelgroupandthecontrolgroup(foldchange>2,P<0.05,expressionmean>7).SixcandidatemiRNAswereselectedashav-ingcloserelationstothepathogenesisofUCreferringtoreportedliteratures,theexpressionofwhichwascheckedandverifiedbyreal-timepolymerasechainreaction(PCR).Comparedwiththecontrolgroup,4
miRNAs(miR-146a-5p,miR-146b-5p,miR-126a-3pandmiR-21-5p)wereup-regulated(P<0.01,P<0.05)and2miRNAs(miR-200b-3pandmiR-145-5p)weredown-regulated(P<0.01)inratswithTNBS/ethanolinducedUC.FourmRNAs(IL-6,Ccl5,Mapk3andSmad7)thatinteractedwiththe6miRNAswereidentifiedbasedontheresultsoftargetgenepredictionoftheabove6miRNAsandgeneexpressionpro-filing.TheDaviddatabasewasusedtoannotatetheinteractionsforelucidatingtheirsignificanceinthepath-ogenesisofUC.ConclusionAmiRNAcanregulatemanysignalingpathwaysandasignalingpathwaycanalsoberegulatedbymanymiRNAs.Therefore,simplyinhibitingcertainpathwaysmaynotradicallystoptheprocessofinflammation.StudyingthefunctionsofmiRNAsandelucidatingthecorrelationsbetweenmiRNAandmRNAmightfundamentallyinhibitthedevelopmentofUC.
【Key words】 miRNA;AratmodelofTNBS/ethanolinducedUC;Geneexpressionprofile;Co-ex-pressionanalysis
溃疡性结肠炎(ulcerativecolitis,UC)是炎症性肠病(IBD)的一种,它是一种结肠黏膜的特发性、慢性、炎症性疾病,病变常连续,可受累直肠、乙状结肠、左半结肠甚至全结肠。目前认为环境、遗传和宿主免疫三者高度互动的关系对维持肠道稳态有重要意义。三者关系一旦失衡,就会导致共生细菌之间的稳态失衡和肠黏膜系统免疫力异常,引起UC。
microRNA(miRNA)是一种由19~22个核苷酸组成的非编码微小内源性RNA,它可以调控基因表达。miRNA由真核生物细胞核内的DNA编码,作用于3′非编码区(3′untranslatedregion,3′UTR),最终通过抑制mRNA转录或目标mRNA降解的方式,使得靶基因表达下调;或者开放某些mRNA的转录,使得靶基因表达上调[1]。到目前为止,人类基因组中近一半的基因受到将近2558个成熟miRNA的调控[2]。
最近有研究证实,因miRNA绑定方式的多样性,miRNA在UC的发病过程中扮演重要角色[3]。但是,至今为止,miRNA对UC发病机制的调控尚未完全阐明。因此,筛选出差异表达的miRNA,并且找出其作用的靶基因,可以为进一步揭示UC的病理生理学过程提供实验资料。
2,4,6-三硝基苯磺酸(TNBS)/乙醇大鼠模型为研究UC的极佳对象,因抗原接种可引起大鼠免疫系统致敏[4]。乙醇可以破坏肠黏膜屏障,而TNBS作为一种半抗原物质,可以导致肠道对自体或异体蛋白致敏,对宿主免疫系统产生攻击。TNBS引起的结肠黏膜水肿可导致肠道急性炎症反应,引起Th1细胞因子(IFN-γ、TNF-α、IL-12)和Th2细胞因子(IL-4、IL-5、IL-13)的失衡[5]。一旦TNBS/乙醇被灌注后,可引起炎症细胞浸润及溃疡。与此同时,大鼠结肠在形态学上与人体的结肠相似,引起的炎症反应与UC患者体内的疾病进程也相似,为研究UC的极佳模型。
尽管目前针对IBD患者差异表达的miRNA研究很多[6],但对差异表达miRNA的靶基因研究也仅仅停留在预测阶段,而针对TNBS/乙醇UC大鼠模型中miRNA差异表达的研究迄今仍尚未涉及,对差异表达miRNA的靶基因的认识也尚未完善。因此本文尝试通过miRNA及表达谱芯片的研究手段,探讨TNBS/乙醇UC大鼠模型中miRNA与mRNA的共表达互作网络,为深入研究UC发病机制提供资料。
材料和方法
动物:SPF级雄性Wistar大鼠30只,体重(200±20)g,由浙江中医药大学动物中心提供,常规饲养。
试剂与仪器:5%TNBS(Sigma公司,生产批号:SLBG2566V);10%水合氯醛(浙江中医药大学附属第一医院,生产批号:20131205);无水乙醇(杭州龙山精细化工有限公司,生产批号:20131206);中心静脉导管(上海景年医疗器械有限公司,标准编号:YZB/USA3966-2011)。
利莫那班模型建立:大鼠适应性喂养1周左右,使体重到(200±20)g,禁食24h。10%水合氯醛3ml/kg腹腔麻醉后,将石蜡油润滑过的深静脉置管由肛门缓慢插入肛门8cm处,模型组按每只大鼠0.2ml/100g5%TNBS+0.25ml50%乙醇进行灌肠,正常组按0.2ml/100g生理盐水+0.25ml生理盐水进行灌肠,灌肠结束加推0.3ml空气,用棉签堵住大鼠肛门,轻柔大鼠腹部1min并倒置5min,造模结束
后将大鼠平放,自然清醒后常规饮食。
动物分组及给药:将30只健康Wistar大鼠分为2组,分别为正常组、模型组,每组15只。造模成功后第4天,按10ml/kg分别给予相应剂量的生理盐水。每天1次,连续14d。
标本采集:末次给药24h后,处死大鼠,留取距离肛门8cm处病变最明显的组织(模型组)和相应的正常组织(正常组),进行相关检测。
结肠大体及病理学检测:结肠炎严重度评价由两位病理学专家双盲法完成读片。通过大体观察及拍照,判定造模情况。留取溃疡组织(模型组)与相应的正常组织(正常组),将其固定于4%福尔马林溶液中。固定后的组织用石蜡包埋并切片。经过
HE染色后进行镜下观察。
miRNA芯片实验流程:利用mirVanaTMmiRNAisolationkit(Cat#AM1560,Ambion,Austin,TX,US)抽提总RNA。用AgilentBioAnalyzer2100(AgilentTechnologies,SantaClara,CA,UnitedStates)对抽提的RNA进行质检。而后进行miRNA芯片实验。一张miRNA芯片包含miRBase数据库19.0版本的719个大鼠miRNA。利用mirVanaTMmiRNAlabelingkit(Cat#5190-0456,Agilenttechnol-ogies,SantaClara,CA,US)标记样本。在42℃环境下杂交16h,然后进行洗片,最后用信号方法器放大。利用GeniomWizardSoftware(FebitGmbH)来分析芯片。
表达谱芯片实验流程:按前述方法抽提总RNA。采用Affymetrix表达谱芯片配套试剂盒Ge-neChip3′IVTPLUSReagentKit(Cat#902416,Affy-m
etrix,SantaClara,CA,US)对样品总RNA中的mRNA进行放大、标记和纯化,获得带有生物素(bi-otin)标记的cRNA。按照Affymetrix表达谱芯片配套提供的杂交标准流程和配套试剂盒完成杂交洗涤工作。芯片结果采用GeneChip®Scanner3000(Cat#00-00212,Affymetrix,SantaClara,CA,US)进行扫描,用CommandConsoleSoftware4.0(Affymetrix,SantaClara,CA,US)读取原始数据,质控合格的数据采用GeneSpringSoftware11.0(Agilenttechnolo-gies,SantaClara,CA,US)进行归一化处理,所用的算法为MAS5.0。
RT-PCR实验流程:按RNA抽提试剂盒说明书提取总RNA,紫外分光光度计测定总RNA浓度,重复测定3次,取500ngRNA按逆转录试剂盒说明书(QIAGEN,USA)进行逆转录反应合成cDNA,用ABI7500PCR仪(AppliedBiosystems,FosterCity,CA,USA)按RT-PCR说明书将cDNA进行PCR扩增,以U6为内参。miRNA的相对表达量以2-ΔΔCt的形式表达。
统计学方法:采用SPSS17.0统计软件处理数据。数据以-x±s或图表形式表示,各组数据间采用单因素方差分析检验,P<0.05为差异有统计学意义。
结果
1.形态学观察结果:与正常组的组织相比,模型组大体特征为:明显深凹溃疡,周边黏膜组织明显充血水肿,黏膜粗糙;模型组组织学特征为:透壁性坏死,水肿,黏膜层散在炎症细胞浸润。结肠黏膜上皮有灶性溃疡,可达黏膜肌层,伴有肠上皮细胞缺失。具体大体及镜下照片见图1。
2.TNBS/乙醇UC大鼠模型中miRNA差异表达情况:为了研究模型组与正常组miRNA表达的差异情况,各组选取了3个样本进行miRNA芯片实验,6张芯片的检出率为9.46%,共有68个miRNA被筛选出具有显著差异(筛选标准为:倍数变化>2,P<0.05,表达值>3),具体的芯片热图结果见图2。结合相关文献报道,我们选出6个与IBD发病密切相关的miRNA,其中4个表达上调(miR-146a-5p、miR-146b-5p、miR-126a-3p和miR-21-5p),2个表达下调(miR-200b-3p和miR-145-5p),同时对这6个miRNA进行了RT-PCR验证,将正常组的各差异表达的miRNA相对表达量设为1,通过管家基因U6,校正得出模型组各差异miRNA的相对表达量。miR-146a-5p、miR-146b-5p、miR-126a-3p、miR-21-5p、miR-200b-3p及miR-145-5p在模型组中的相对表达量分别为3.08±0.32、8.75±0.14、2.05±0.22、2.13±0.09、0.01±0.39和0.43±0.51。具体结果见图3。
3.TNBS/乙醇UC大鼠模型中mRNA差异表达情况:与此同时,为了研究miRNA对mRNA的作用,采用上述做miRNA芯片的样本同步做了表达谱芯片实验。两组中共有4180个差异mR深化文化体制改革
NA被筛选出(筛选标准:变化倍数>2,P<0.05,表达值>7),具体的芯片热图结果见图4。我们将miRWalk数据库对miRNA芯片筛选出的6个miRNA的靶基因mRNA预测的结果和实际的表达谱芯片结果进行比对,筛选出了4个与IBD发病密切相关的靶基因mRNA(IL-6、Mapk3、Smad7、Ccl5),具体的芯片信号
注:A:正常组结肠组织显示了正常结肠黏膜的形态:没有坏死及溃疡;B:模型组结肠组织出现一个1.3cm线性溃疡(黑色箭头)及一处小的点状溃疡;C:正常组结肠组织显示了正常结肠组织镜下形态:完整清晰的肠上皮细胞,完整的腺体结构(×100);D:模型组结肠组织可见炎症侵及黏膜层、黏膜下层及黏膜肌层,杯状细胞在上皮细胞表面完全缺失(×100)。1:黏膜层;2:黏膜下层;3肌层;4:浆膜层
图1 各组大鼠结肠组织大体及镜下形态学表现
Fig 1
.Generalandhistologicalmanifestationsofratcolontissuesfromdifferentgroups
图2 miRNA芯片筛选出的68个显著差异表达的miRNA热图Fig 2.Hierarchicalclusteringanalysisof68differentially
expressedmiRNAs
注:与正常组比较,aP <0.01,bP <0.05。1:rno-miR-146a-5p;2:rno-miR-146b-5p;3:rno-miR-126a-3p;4:rno-miR-21-5p;5:
rno-miR-200b-3p;6:rno-miR-145-5p
图3 6个差异表达的miRNART-PCR结果
Fig 3.RT-PCRanalysisof6differentiallyexpressedmiRNAs
值及变化倍数值见表1。
4.miRNA 及mRNA 共表达分析:根据miRNA芯片与mRNA水平的表达谱芯片结果,我们尝试建立miRNA与mRNA的互作关系网络;同时为了研究这些靶基因mRNA在UC发病中的分子机制,我
们又借助David数据库对其进行了注释,即pathway分析,具体分析结果见表2。miRNA与mRNA及信号通路之间的互作网络关系图,详见图5。
图4表达谱芯片筛选出的4180个显著差异表达的mRNA热图
Fig4.Hierarchicalclusteringanalysisof4180differentiallyex-pressedmRNAs
透明图片格式表1靶基因信号值和变化倍数值
Table1.Signalandfoldchangevaluesfortargetgenes
项目变化倍数模型组(信号值)正常组(信号值)
IL-635.1410.06±0.22a4.58±1.39我们来找茬
Ccl54.4311.84±0.34a9.66±0.48
Mapk30.3910.11±0.37b11.50±0.23
Smad70.499.11±0.31b10.14±0.22
注:与正常组比较,a表示表达明显升高,P<0.05,b表示表达明显降低,P<0.05
讨论
炎症性肠病(IBD)的发病机制尚未阐明,主流观点认为,IBD的发病是环境、遗传和宿主免疫三者互动关系失衡所致。最新研究发现,miRNA在IBD的发病中发挥重要作用,其可通过绑定mRNA3′UTR端,抑制IBD相关基因的表达[3]。同时,肠道相关miRNA表达的缺失已
被证实可以破坏肠上皮细胞及上皮屏障功能,最终导致急性炎症[14]。
正是基于上述理论基础,我们首先建立了TNBS/乙醇UC大鼠模型,模型组在造模后,出现了精神萎靡、饮食减少、毛发稀疏、大便次数增多,伴有黏液脓血便等UC相关症状。实验结束后解剖大鼠,病变结肠与周围组织黏连,出现较大的溃疡病
使用用英语怎么说表2差异miRNA信号通路分析结果一览
Table2.AnalysisofsignalingpathwaysmediatedbydifferentiallyexpressedmiRNAs
信号通路miRNAs目的基因
Jak-STATrno-miR-146a-5pIL-6↑[7]
MAPKrno-miR-146a-5pMapk3↓[8]
rno-miR-146b-5pMapk3↓[8]
rno-miR-21-5pMapk3↓[9]
rno-miR-145-5pMapk3↓[10]
NOD-类受体rno-miR-146a-5pIL-6↑,Ccl5↑[11],Mapk3↓
rno-miR-146b-5pMapk3↓,Ccl5↑[11]
rno-miR-21-5pMapk3↓
rno-miR-145-5pMapk3↓
TGF-βrno-miR-146a-5pSmad7↓[12],Mapk3↓
rno-miR-146b-5pSmad7↓[12],Mapk3↓
rno-miR-21-5pSmad7↓[13],Mapk3↓
专业技术报告rno-miR-145-5pSmad7↓[12],Mapk3↓
Toll样受体rno-miR-146a-5pIL-6↑,Ccl5↑,Mapk3↓
rno-miR-146b-5pCcl5↑,Mapk3↓
小水电站
rno-miR-21-5pMapk3↓
rno-miR-145-5pMapk3↓
注:在TNBS/乙醇UC大鼠模型中,相关miRNA的改变,引起相应靶基因的改变,↑表示表达明显上调
,↓表示表达明显下调
图5TNBS/乙醇UC大鼠模型中IBD相关miRNA与mRNA互作网络关系图
Fig5.Co-expressionanalysisofmiRNAandmRNAinratswithTNBS/ethanolinducedUC
灶,周围组织充血水肿,高倍镜下可见结肠黏膜水肿,浆膜层及浆肌层可见大量炎症细胞浸润,溃疡形成,表面可见坏死层,伴肉芽组织增生。大鼠一般情况,大体及镜下表现均证实造模成功。接着,为了研究miRNA与mRNA的互作关系,我们首先进行了miRNA芯片实验,根据芯片数据及相关文献报道,筛选出了6个与UC发病密切相关的miRNA。同时利用RT-PCR的方法对差异表达的miRNA进行了验证。另外,我们还利用miRWalk数据库(http://www.ma.uniheidelberg.de/apps/zmf/mirwalk/)对差异miRNA的靶基因进行预测。为了验证预测结果与实际情况的相符度,同步进行了mRNA水平的表达谱芯片实验,筛选出与差异miRNA确有互作作用的mRNA。为了更好地说明miRNA与mRNA的互作关系,利用David数据库[15]对靶基因进行注释,最终形成miRNA与mRNA共表达网络。