蔣昌科,龔 放
miR-148a在5-aza誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞心肌樣分化中的調(diào)控作用及機(jī)制*
蔣昌科,龔 放
(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院兒科,重慶402160)
目的:探討miR-148a在5-aza誘導(dǎo)人骨髓間充質(zhì)(hMSCs)成心肌樣分化中的表達(dá)及miR-148a對(duì)hMSCs體外成心肌樣分化的生物學(xué)作用。方法:免疫熒光檢測5-aza誘導(dǎo)hMSCs分化后心肌細(xì)胞特異性標(biāo)志物α-MHC表達(dá)水平;qRT-PCR和Western blot分別檢測miR-148a和DNMT1在hMSCs成肌樣分化中的表達(dá)水平。利用Lipofectamine TM 2000將miR-148a mimics和miR-148a inhibitor分別瞬時(shí)轉(zhuǎn)染hMSCs,Western blot檢測心肌細(xì)胞特異性標(biāo)志物α-MHC的蛋白表達(dá)水平。利用生物信息學(xué)技術(shù)預(yù)測miR-148a的靶基因結(jié)合位點(diǎn)利用雙熒光素酶報(bào)告基因系統(tǒng)鑒定其對(duì)靶基因3’UTR的結(jié)合序列。通過DNMT1 shRNA和miR-148a inhibitors共轉(zhuǎn)到hMSCs中,研究miR-148a在hMSCs成心肌樣分化中的調(diào)控作用。結(jié)果:hMSCs經(jīng)5-aza誘導(dǎo)分化后,心肌細(xì)胞特性標(biāo)志物α-MHC蛋白水平明顯上調(diào)。miR-148a在hBMSCs成肌樣分化中顯著性增加(p<0.01),DNMT1表達(dá)水平顯著降低。過表達(dá) miR-148a能提高h(yuǎn)BMSC中心肌細(xì)胞特異性標(biāo)志物α-MHC表達(dá)水平,而抑制miR-148a則能降低其水平(p<0.01)。DNMT1沉默可以阻斷miR-148a對(duì)hMSCs的誘導(dǎo)成肌樣分化作用。結(jié)論:miR-148a在hMCCs成肌樣分化中表達(dá)上調(diào),通過靶定和調(diào)控DNMT1基因的表達(dá),并對(duì)hMSCs心肌向分化具有正向調(diào)控作用。
miR-148a;骨髓間充質(zhì);心肌樣分化;DNMT1
骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是骨髓內(nèi)除造血干細(xì)胞之外的另一類干細(xì)胞,是骨髓造血微環(huán)境的重要組成部分,由于其比較原始,在一定條件下可被誘導(dǎo)分化為多種細(xì)胞,并且具有免疫耐受性且來源于自體骨髓,由其誘導(dǎo)而成的組織進(jìn)行移植不會(huì)出現(xiàn)免疫排斥和倫理道德問題,因此在組織工程細(xì)胞移植的研究中,MSCs是繼造血干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞后的又一研究熱點(diǎn),體外培養(yǎng)擴(kuò)增后的MSCs是組織工程中理想的種子細(xì)胞[1]。目前,心腦血管疾病是威脅人類健康的主要疾病之一,而心肌細(xì)胞是終末分化細(xì)胞,缺乏分化和增殖的能力,一旦損傷便不能再生[2],因此,將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞誘導(dǎo)分化為心肌細(xì)胞,并利用體外組織工程技術(shù)構(gòu)建工程化心肌組織如心臟瓣膜,為臨床上心臟疾病的治療提供全新的治療思路和策略,控制和優(yōu)化MSCs心肌向分化具有深遠(yuǎn)意義。
MSCs分化是多基因參與和多階段累積的復(fù)雜過程,它涉及細(xì)胞發(fā)育過程中眾多基因在不同時(shí)間和空間上的時(shí)序精確表達(dá),并受多種轉(zhuǎn)錄因子和細(xì)胞內(nèi)分子的調(diào)控。作為廣泛存在的可對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)的重要分子,微小RNA(microRNA,miRNA)參與到生物體的生長、發(fā)育、衰老和死亡等多種過程的調(diào)控[3]。近年來,其在干細(xì)胞的增殖分化中所起的調(diào)控作用受到廣泛關(guān)注。microRNA是一類內(nèi)源性的19~22個(gè)核苷酸的動(dòng)植物細(xì)胞內(nèi)自然產(chǎn)生的單鏈非編碼小RNA,是重要的細(xì)胞基因調(diào)控因子,它主要通過與靶基因信使RNA(message RNA,mRNA)的 3’端非編碼區(qū)域(untranslated region,UTR)上的位點(diǎn)互補(bǔ)結(jié)合,從而在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因的表達(dá)[4,5]。研究在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞心肌向分化過程中異常表達(dá)的miRNA并明確其在MSCs心肌向分化過程中的作用,有助于MSCs的定向分化控制條件的研究,具有重要的臨床意義。
本研究基于前期通過miRNA芯片,篩選出5-氮雜胞苷(5-azacytidine,5-aza)誘導(dǎo) MSCs分化后表達(dá)異常的微小 RNA-148a(microRNA-148a,miR-148a),通過生物信息學(xué)預(yù)測,DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1(DNA methyltransferase 1,DNMT1)是 miR-148a的潛在靶基因,揭示miR-148a通過靶向DNMT1在MSCs心肌向分化過程中的調(diào)控作用,提升其心肌向分化的效率和效能,為真正實(shí)現(xiàn)MSCs移植替代受損心肌組織,改善心功能促進(jìn)臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
骨髓源自重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院血液內(nèi)科行骨髓穿刺檢查的患者,已排除腫瘤、傳染病以及其他血液系統(tǒng)疾病。本研究經(jīng)重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn),組織來源對(duì)象均簽署知情同意書。
L-DMEM(Invitrogen),TRIzol(Invitrogen),青霉素 /鏈霉素(Invitrogen),5-aza(Sigma),胎牛血清(GBI-CO),miRNA分 離 試 劑 盒 (Applied Biosystems),NanoVue plus(GE Healthcore),miRNA mimics和引物(金唯智),Western blot抗體(Santa Cruz),cDNA反轉(zhuǎn)錄試劑盒(TaKaRa),熒光定量 PCR試劑盒(Applied Biosystems)。
Tab.1PCR primer sequence
采用密度梯度離心法進(jìn)行分離。將胸骨穿刺抽取的3~5 ml骨髓移入分離管,與 percoll以1∶1混合,2 500 r/min離心30 min,吸取中間乳白色云霧狀細(xì)胞層,PBS洗細(xì)胞兩次,加入完全細(xì)胞培養(yǎng)液重懸,以1 500 r/min離心10 min,棄上清,獲得人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(human mesenchymal stem cells,hMSCs)。利用含有10%胎牛血清、1%雙抗和1%L-谷氨酰胺的L-DMEM培養(yǎng)基,置于37℃、5%CO2培養(yǎng)箱中進(jìn)行原代培養(yǎng),4 d后半量換液,原代培養(yǎng)約7 d后按1∶3傳代,第3代細(xì)胞用于后續(xù)研究。
將hMSCs接種于6孔板中,待細(xì)胞融合到80%~90%,用 3μmol/L 5-aza分別孵育 12 h、24 h、48 h后換完全細(xì)胞培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)24 h,相差顯微鏡觀察細(xì)胞形態(tài)變化,電鏡下細(xì)胞胞漿出現(xiàn)散在肌絲樣結(jié)構(gòu)。
將生長良好、處于對(duì)數(shù)生長期的hMSCs接種至6孔板中,實(shí)驗(yàn)細(xì)胞分為3組,分別為對(duì)照組(control)、抑制組(miR-148a inhibitors)及過表達(dá)組(miR-148a mimics)。待到細(xì)胞生長至融合度達(dá)60%~70%時(shí),棄上清,用含有Lipofectamine 2000的無血清Opti-MEM稀釋的 control mimics/miR-148a inhibitors/miR-148a mimics,進(jìn)行細(xì)胞轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)染6 h后換正常的完全細(xì)胞培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)48 h后進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
取100 ml培養(yǎng)瓶中的細(xì)胞常規(guī)方法進(jìn)行提取總RNA,用分光光度計(jì)測定RNA含量,-80℃保存。取總RNA反轉(zhuǎn)錄cDNA,以實(shí)時(shí)定量miRNA特異引物和第一鏈cDNA為模版進(jìn)行PCR反應(yīng),U6和βactin為內(nèi)參照。參照GenBanK數(shù)據(jù)庫,采用Primer primer5.0計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)引物(表1)。由金唯智公司合成,反應(yīng)條件參考產(chǎn)品說明書。
通過 targetscan,miRase等軟件預(yù)測DNMT1 mRNA的3’-UTR片段與 miR-148a有結(jié)合位點(diǎn),根據(jù)DNMT1 3’-UTR序列設(shè)計(jì)特異性引物以及突變型引物,以人的DNMT1 cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,再將PCR產(chǎn)物與psiCHECK-2 vector經(jīng)酶切后純化、連接、轉(zhuǎn)化以酶切鑒定。構(gòu)建野生型和突變型DNMT1 3’-UTR-熒光素酶報(bào)告載體,然后與 miR-148a mimics、control mimics或者miR-148a inhibitors共轉(zhuǎn)到293細(xì)胞中,轉(zhuǎn)染3 d后收獲細(xì)胞。按Promega公司雙熒光素酶活性檢測試劑盒說明書檢測細(xì)胞熒光素酶活性。計(jì)算相對(duì)熒光素酶活性=熒火蟲熒光素酶活性值/海腎熒光素酶活性值。
提取細(xì)胞總蛋白,BCA法測定蛋白濃度。取15 μg蛋白樣品進(jìn)行10%SDS-PAGE凝膠電泳,電轉(zhuǎn)移至PVDF膜后用5%脫脂牛奶封閉2 h,加入兔源一抗 DNMT1(1∶500)、α-MHC(1∶800)、CD90(1∶300)、CD29(1∶500)4℃孵育過夜。TBST洗膜后,加入二抗鼠抗兔 IgG(1∶2 000)室溫孵育 1.5 h,TBST洗膜后,加入ECL超敏發(fā)光劑,X線片曝光,顯影,定影。
取轉(zhuǎn)染后的hMSCs細(xì)胞接種于預(yù)先放置蓋玻片的12孔板中進(jìn)行細(xì)胞爬片待細(xì)胞貼壁48 h后用4%的多聚甲醛固定30 min,吸去固定液用PBS洗3遍,加 10%羊血清、0.3%TritonX-100、0.1%疊氮化鈉的封閉液,37℃封閉1 h。吸去封閉液,加入稀釋好(1∶100)的一抗:熒光標(biāo)記小鼠α-MHC(FITC標(biāo)記),4℃孵育過夜。吸去一抗PBS洗3次,加入熒光標(biāo)記的二抗,室溫孵育1 h,DAPI染細(xì)胞核,熒光封片劑封片,熒光顯微鏡下觀察拍照。
數(shù)據(jù)均用均值 ±標(biāo)準(zhǔn)差(ˉx±s)表示,采用Graphpad統(tǒng)計(jì)作圖軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,ANOVA方差分析,比較組區(qū)間差異。
hMSCs在5-aza誘導(dǎo)條件下,qRT-PCR檢測心肌細(xì)胞特異性標(biāo)志物α-MHC的表達(dá)水平。結(jié)果表明,隨著5-aza誘導(dǎo)的時(shí)間增加,α-MHC表達(dá)水平明顯升高(p<0.01,圖1A)。免疫熒光分析得到同樣的結(jié)果(圖1B)。同時(shí),我們對(duì)miR-148a和 DNMT1的表達(dá)水平也進(jìn)行檢測,結(jié)果顯示,隨著5-aza誘導(dǎo)時(shí)間的延長,miR-148a的表達(dá)明顯提高(圖 1C),但是DNMT1的蛋白表達(dá)水平顯著性降低(p<0.01,圖1D)。因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)中我們將以 5-aza(3μmol/L)誘導(dǎo)48 h為實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分析。
Fig.1 Expression of miR-148a and DNMT1 in the process of myogenic differentiation induced by 5’-aza in hMSCs A:mRNA level ofα-MHC in differentiation groups;B:Cell immunofluorescence detection ofα-MHC in differentiation groups;C:Expression of miR-148a in differentiation groups;D:Expression of DNMT1 in differentiation groups;E:Expression of DNMT1 in different groups;w0:Control group;w3:5’-aza induced group**p<0.01 vs control group
為了進(jìn)一步研究miR-148a在hMSCs成肌樣分化中的生物學(xué)調(diào)控作用,將細(xì)胞分成3組:對(duì)照組(control)、抑制組(miR-148a inhibitors)和過表達(dá)組(miR-148a mimics),圖 2A顯示轉(zhuǎn)染 miR-148a inhibitors后,miR-148a的表達(dá)明顯降低,反之,轉(zhuǎn)染miR-148a mimics能顯著上調(diào) miR-148a水平(p<0.01)。同時(shí)心肌細(xì)胞特異性標(biāo)志物的表達(dá)。結(jié)果顯示,miR-148a的上調(diào)可以提高心肌細(xì)胞特異性標(biāo)志物α-MHC的mRNA和蛋白表達(dá)水平,與之相反,miR-148a的水平降低能下調(diào)心肌細(xì)胞特異性標(biāo)志物α-MHC的 mRNA和蛋白表達(dá)水平(p<0.01,圖 2B,C),即miR-148a促進(jìn)hMSCs的成肌樣分化。
利用生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫篩選潛在靶基因,發(fā)現(xiàn)DNMT1的3’-UTR區(qū)是 miR-148a的潛在結(jié)合位點(diǎn)(圖3)。利用雙熒光素酶報(bào)告基因系統(tǒng)驗(yàn)證miR-148a可以直接靶定DNMT1。結(jié)果表明miR-148a可以抑制野生型DNMT1的表達(dá),但是miR-148a不能抑制突變型DNMT1的表達(dá)(表2),說明 DNMT1是miR-148a的靶定基因。
Fig.2 miR-148a promotes hMSCs myogenic differentiation A:mRNA level of miR-148a in differentiation groups;B:mRNA level ofα-MHC in differentiation groups;C:Cell immunofluorescence detection ofα-MHC in differentiation groups(×40);N:Control group;mimics:miR-148a mimics group;inhibitors:miR-148a inhibitors group**p<0.01 vs control group
設(shè)計(jì)并合成DNMT1-shRNA研究敲除DNMT1后miR-148a在hMSCs成肌樣分化中的作用,分成3組:對(duì)照組(control),miR-148a抑制組(miR-148a inhibitors),DNMT1敲降組(miR-148a inhibitors+DNMT1-shRNA)進(jìn)行探究分析。我們首先利用 qRTPCR檢測miR-148a的表達(dá)水平,結(jié)果如表3所示,miR-148a在miR-148a抑制組和DNMT1敲降組是顯著性降低。利用qRT-PCR和Western blot分析三組細(xì)胞中DNMT1的mRNA和蛋白表達(dá)情況,結(jié)果顯示,DNMT1在miR-148a抑制組中表達(dá)顯著增加,但是在DNMT1敲降組中表達(dá)明顯降低(表3,圖4A)。隨后我們利用qRT-PCR和Western blot技術(shù)檢測心肌細(xì)胞特異性標(biāo)志物(α-MHC)和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞特異性標(biāo)志物(CD90,CD29)的表達(dá)情況。結(jié)果顯示,miR-148a inhibitors能抑制心肌細(xì)胞特異性標(biāo)志物α-MHC的表達(dá)水平,但是能提高h(yuǎn)MSCs表面標(biāo)志物(CD90,CD29)的表達(dá)水平然而,在DNMT1敲降后出現(xiàn)與miR-148a inhibitors相反的作用(表3,圖4B)。綜上說明沉默DNMT1能夠阻止miR-148a的成肌樣作用。
Fig.4A Protein expression levels of DNMT1 by miR-148a inhibitors and miR-148a inhibitors+DNMT1-shRNA administration
Fig.4B Protein expression levels of intracellular related molecules by miR-148a inhibitors and miR-148a inhibitors+DNMT1-shRNA administration α-MHC:α-myosin heavy chain
利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)能夠獲得患者需要或者疾病特異的多能干細(xì)胞,可以避免移植過程中的免疫排斥問題。但目前人骨髓干細(xì)胞在心肌定向分化以及心肌再生領(lǐng)域的研究目前尚處于探索階段,誘導(dǎo)分化效率較低,分化機(jī)制不明等問題一直困擾著臨床探究。本研究利用5-aza誘導(dǎo)骨髓干細(xì)胞成肌樣分化,探究miR-148a在這一過程中的作用。
我們的研究結(jié)果表明,在5-aza誘導(dǎo)hMSCs成肌樣分化過程中,miR-148a是顯著上調(diào),同時(shí)發(fā)現(xiàn),miR-148a是通過靶定DNMT1促進(jìn)5-aza誘導(dǎo)的hMSCs成肌樣分化,沉默 DNMT1能阻止 miR-148a對(duì)hMSCs成肌樣分化的生物學(xué)調(diào)控作用。因此,本研究明確miR-148a在5-aza誘導(dǎo)hMSCs成肌樣分化的分子機(jī)制。
Tab.3 Expression levels of intracellular related molecules by miR-148a inhibitors and miR-148ainhibitors+DNMT1-shRNA administration
到目前為止,已有約1 000個(gè)動(dòng)物的miRNA被報(bào)道,其中約30%的基因被預(yù)測為miRNA的靶基因,能夠被miRNA所直接調(diào)控[6-8]。有研究表明,許多miRNA在心臟發(fā)育及心肌細(xì)胞分化過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用[9]。例如,miRNA-1能夠通過Notch信號(hào)通路的DLL-1配體調(diào)控胚胎干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化,并促進(jìn)心肌縫隙鏈接蛋白 connexin43的表達(dá)[10,11],過表達(dá) miRNA-1后,骨髓間充質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)心肌重要轉(zhuǎn)錄因子GATA4、NKx2.5和MEF2C以及心肌特異蛋白cTnI表達(dá)均有明顯上調(diào),心肌特異蛋白cTnI表明miRNA-1能夠促進(jìn)MSCs向心肌樣細(xì)胞分化[12]。另有研究表明,miR-16能夠通過抑制細(xì)胞周期關(guān)鍵蛋白CDK6的表達(dá)而使細(xì)胞周期阻滯于GI期,降低S期和G2/M期細(xì)胞的百分含量,從而促進(jìn)微環(huán)境中MSCs向心肌表型細(xì)胞分化[13]。此外,miR-148-3p能夠在臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)肝病治療起關(guān)鍵性作用[14]。miR-148a對(duì)于干細(xì)胞的增殖和分化有著重要調(diào)節(jié)[15,16]。因此,miR-48a對(duì)細(xì)胞分化有重要調(diào)節(jié)作用。本研究發(fā)現(xiàn),miR-148a在hMSCs被5’-aza誘導(dǎo)后顯著性增加。然后,miR-148a mimics轉(zhuǎn)染hMSCs后,發(fā)現(xiàn)能夠促進(jìn)hMSCs成肌樣分化。我們還發(fā)現(xiàn)hMSCs成肌樣分化后,DNMT1的水平顯著性降低。進(jìn)而利用雙熒光素酶報(bào)告基因系統(tǒng)驗(yàn)證DNMT1是miR-148a的靶基因。最后發(fā)現(xiàn),通過沉默DNMT1可以阻止miR-148a促進(jìn)hMSCs成肌樣分化。以上結(jié)果表明,miR-148a是通過靶定DNMT1促進(jìn)hMSCs成肌樣分化。
綜上,我們的研究表明在hMSCs心肌向分化的過程中,miR-148a能促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞心肌向分化,miR-148a的正調(diào)節(jié)作用是通過抑制DNMT1的轉(zhuǎn)錄后翻譯起作用的。本研究為基因修飾增強(qiáng)hMSCs的成肌樣分化能力提供新的靶點(diǎn),也加深我們對(duì)5-aza誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成肌樣分化的分子機(jī)制的理解,為真正實(shí)現(xiàn)MSCs移植替代受損心肌組織,改善心功能促進(jìn)臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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Regulation and mechanism of miR-148a on cardiomyocyte differentiation induced by 5-aza in mesenchymal stem cells
JIANG Chang-ke,GONG Fang
(Department of Pediatrics,Yongchuan Hospital Affiliated to Chongqing Medical University,Chongqing402160,China)
Objective:To investigate the expression of miR-148a in the process of myocardial differentiation of human mesenchymal stem cells(hMSCs)induced by 5-azacytidine(5-aza)and study the effects of miR-148a on myocardial differentiation of hMSCs.Methods:The immunofluorescence analysis was used to detect the expressionsof the associated mark genes of cardiac specific protein(α-MHC)in the processof myocardial differentiation of hMSCs induced by 5-aza.qRT-PCR and Western blot were used to analysis the expressions of miR-148a and DNA methyltransferase1(DNMT1)after myocardial differentiation of hMSCs,respectively.The expression ofα-MHCafter transfection with synthetic miR-148 mimics and miR-148ainhibitor wasexamined by Western blot.Weused bioinformatics analysis to predict the potential target of miR-148a,and thedual luciferase report gene system wasused to verify the predication.After co-transfected with DNMT1 shRNA and miR-148a inhibitors,hMSCs were used to explore the regulatory role and mechnism of miR-148a in the process of myocardial differentiation of hMSCs.Results:α-MHCwas increased significantly after induced by 5-azacytidine.miR-148a was increased significantly in cardiomyocyte differentiation of hMSCs,while the gene and protein expression levels of DNMT1 weredecreased significantly in this progress(p<0.01).The expression ofα-MHCwasup-regulated significantly in hMSCs when miR-148a wasinduced into cardiomyocytedifferentiation and overexpressed.Instead,downregulation of miR-148asuppressedα-MHCexpression(p<0.01).Knockdown of DNMT1 blocked the role of miR-148a in differentiation of hMSCs.Conclusion:miR-148a was upregulated in cardiomyocyte differentiation of hMSCs,and miR-148a promoted myocardial differentiation of hMSCs via targeting DNMT1.
miR-148a; mesenchymal stem cells; cardiac differentiation; DMNT1
R329.2
A
1000-6834(2017)06-514-06
10.12047/j.cjap.5570.2017.122
2015年重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2015jcyjA10042);2015年重慶市永川區(qū)自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目(Ycstc,2015nc5003)
2017-02-24
2017-10-17
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