黃智琪,嚴(yán)鈺敏,郭 晶,郭繼深,朱杰寧,方咸宏,徐金東,單志新,
(1.華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510006;2.南方醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,廣東廣州 510515;3.華南理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院,廣東廣州 510006;4.南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院,廣東廣州 510280;5.廣東省心血管病研究所,廣東省人民醫(yī)院//廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院,廣東廣州 510080)
目前,心血管疾病已占所有疾病死因的31%,是全球患者死亡的主要原因之一。心肌纖維化是導(dǎo)致心力衰竭的主要病理基礎(chǔ),是公認(rèn)的導(dǎo)致高發(fā)病率和高死亡率的病因[1]。心肌纖維化是病理性細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)重塑的過(guò)程[2]。最初的心肌纖維化可促進(jìn)心肌傷口愈合和組織再生,細(xì)胞外基質(zhì)沉積可起到保護(hù)作用,但持續(xù)性的細(xì)胞外基質(zhì)沉積,尤其是I 型膠原分泌,導(dǎo)致基質(zhì)組成和質(zhì)量異常,進(jìn)而心肌功能受損[1-2]。已知多種疾病都會(huì)促進(jìn)心肌纖維化的發(fā)生,如高血壓性心臟病、糖尿病性肥厚型心肌病和特發(fā)性擴(kuò)張型心肌病[2-3],而心肌梗死后也常會(huì)引起心肌纖維化疤痕。環(huán)狀RNA經(jīng)反向剪接而成,相對(duì)于線性形式,circRNA 在細(xì)胞中有著豐富且穩(wěn)定的存在[4-5]。越來(lái)越多的證據(jù)表明circRNA 參與包括心肌纖維化[6-7]、心肌缺血/再灌注損傷[8-9]、心力衰竭[10-11]及其他多種心血管疾病過(guò)程[12]。因此,深入研究circRNAs 調(diào)節(jié)心肌纖維化的作用機(jī)制,可為心力衰竭的治療研究提供科學(xué)資料,具有重要意義。我們已證實(shí)小鼠源性的circRNA_005647 可吸附miR-27b-3p,并解除miR-27b-3p對(duì)靶基因PPAR-γ的抑制作用,進(jìn)而發(fā)揮抑制心肌纖維化的作用[13]。有趣的是,我們發(fā)現(xiàn)與circRNA_005647 同源的人circ_0036176 在心衰病人心肌組織中表達(dá)亦上調(diào),但circ_0036176 對(duì)心肌纖維化的調(diào)節(jié)作用尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究旨在初步探討circ_0036176 在心肌纖維化中的生物學(xué)功能,并了解其發(fā)揮作用的分子機(jī)制,或可為心肌病的臨床治療提供潛在干預(yù)靶點(diǎn)。
利用心衰患者和健康器官捐獻(xiàn)者的心肌組織進(jìn)行circ_0036176 和宿主基因Myo9a 表達(dá)的RTqPCR 檢測(cè)。本文所涉及的臨床樣本實(shí)驗(yàn)均經(jīng)廣東省人民醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)[批準(zhǔn)號(hào)No.GDREC20 19238H(R1)],所有患者均簽署知情同意書(shū),相關(guān)心肌組織標(biāo)本均由廣東省心血管病研究所進(jìn)行提供,病例資料信息同以往報(bào)道[14]。
SPF 級(jí)出生日齡1-3 d 的C57BL/6 乳小鼠,雌雄不限,由廣州中醫(yī)藥大學(xué)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心進(jìn)行繁育與提供,乳小鼠的生產(chǎn)許可證號(hào)為SCXK(粵)2013-0034。
特級(jí)澳洲胎牛血清與DMEM/F12 細(xì)胞培養(yǎng)基(BioInd);miR-218-5p、-100-5p、-27b-3p 等mimic(廣州銳博);轉(zhuǎn)染試劑Oligofectamine(Invitrogen);逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(TaKaRa);RNase R(ribonuclease R)(廣州吉賽生物);放線菌素D(生工有限公司);RIPA 裂解液(碧云天);SDS-PAGE 凝膠配制試劑盒(碧云天);抗GAPDH 抗體、抗TGF-β1抗體(Protein Technology);抗Ⅰ型膠原蛋白α1 鏈(type Ⅰcollagen α1,COL1A1)、抗Ⅲ型膠原蛋白α1 鏈(typeⅢcollagen α1,COL3A1)抗體(Invitrogen);抗α 平滑肌肌動(dòng)蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)抗體(Abcam);BCA 蛋白定量試劑盒(Thermo);蛋白Marker(Fermentas);ECL 發(fā)光液(Millipore);PVDF膜(What-man);血管緊張素Ⅱ(Sigma);其他生化試劑均為進(jìn)口分裝或國(guó)產(chǎn)分析純。
1.4.1 Masson 三色染色 從浸泡于冰生理鹽水中的人心肌組織標(biāo)本中切取出大小適宜的組織塊,放置在多聚甲醛中做固定處理,后將固定好的組織塊進(jìn)行脫水、透明、浸蠟和石蠟包埋操作,靜置凝固后進(jìn)行連續(xù)性切片,將切片厚度控制在4 μm。獲得組織切片后,利用Masson 染色試劑盒染色,最終將切片標(biāo)本置于顯微鏡下,觀察健康組與心衰病人組之間膠原纖維的沉積差異,并對(duì)其進(jìn)行拍照。
1.4.2 人心房肌成纖維細(xì)胞的原代分離、培養(yǎng) 從手術(shù)室中取得的左心耳用冷PBS清洗干凈,用滅菌的剪刀和鑷子清除脂肪及筋膜后將心耳組織剪碎,參照我們已報(bào)道的方法進(jìn)行HAF 的原代分離和培養(yǎng)[14]。本文實(shí)驗(yàn)使用的人心房肌成纖維細(xì)胞(human atrial fibroblasts,HAFs)為第3~5代。
1.4.3 小鼠心肌成纖維細(xì)胞的原代分離、培養(yǎng)、處理 基于已有報(bào)道的方法[15]并進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化,將小鼠心肌成纖維細(xì)胞的進(jìn)行原代分離、培養(yǎng)。準(zhǔn)備適齡的SPF 級(jí)別的C57BL/6 小鼠,利用眼科剪從乳鼠體內(nèi)取出完整心臟,隨后立即對(duì)組織進(jìn)行適當(dāng)修剪與破碎,添加濃度為2×104U/L DNA 酶和2.5 g/L 胰酶的混合液,在37 ℃的條件下進(jìn)行反復(fù)數(shù)次酶消化,隨后把分離得到小鼠心肌成纖維細(xì)胞(mouse cardiac fibroblasts,mCFs)做離心處理,并利用含有10%血清濃度(100 mL 完全培養(yǎng)基中含10 mL 胎牛血清)的DMEM培養(yǎng)基對(duì)離心獲得的細(xì)胞沉淀進(jìn)行輕柔的重懸,而后將其置于潔凈無(wú)菌的培養(yǎng)瓶中。當(dāng)小鼠成纖維細(xì)胞的接觸密度增長(zhǎng)到接近90%的時(shí)候,即可進(jìn)行傳代處理,細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中所用的mCFs代數(shù)均為P2。
1.4.4 Circ_0036176 重組腺病毒的構(gòu)建和包裝根據(jù)人circ_0036176 模板DNA 序列和腺病毒穿梭質(zhì)粒pAd-Track-cmv 多克隆位點(diǎn)序列,設(shè)計(jì)合成引物,通過(guò)PCR擴(kuò)增得到circ_0036176模板的DNA插入片段。參照已報(bào)道方法[12],將circ_0036176 模板DNA利用定向插入的方式,在pAd-Track-cmv載體上實(shí)現(xiàn)重組構(gòu)建。并進(jìn)一步將pAd-Track-cmvcirc_0036176 與pAd-Easy-I 在BJ5183E.Coli中 進(jìn)行重組。而后,利用PacI 酶將重組circ_0036176 腺病毒載體進(jìn)行酶切,利用轉(zhuǎn)染試劑將其轉(zhuǎn)染至293T細(xì)胞中,給予體積分?jǐn)?shù)5%血清的DMEM 培養(yǎng)基并于37 ℃恒溫下培養(yǎng),待綠色熒光蛋白顯著表達(dá)則提示該重組腺病毒完成包裝,并做進(jìn)一步的病毒擴(kuò)增。實(shí)驗(yàn)時(shí)以rAd-GFP 作為對(duì)照組腺病毒(circ_0036176和rAd-GFP的MOI均是5)。
1.4.5 RT-qPCR 利用Trizol 法提取CFs 的總RNA,而后取800 ng,將其與5×逆轉(zhuǎn)錄試劑進(jìn)行充分混合,同時(shí)使用Oligo(dT)15和random primers 進(jìn)行RNA 的逆轉(zhuǎn)錄,獲得cDNA。選擇GAPDH 作內(nèi)參照,用相應(yīng)的引物檢測(cè)TGF-β1 以及纖維化相關(guān)基因的mRNA 表達(dá)水平。在ViiA 7 Quantitative PCR System(Applied Biosystems)進(jìn) 行PCR 反 應(yīng)后,TGF-β1 和纖維化相關(guān)基因的相對(duì)表達(dá)程度用2-ΔΔCt法進(jìn)行計(jì)算。所涉及引物均經(jīng)Invitrogen 進(jìn)行合成,具體序列見(jiàn)圖1。
1.4.6 Western blot 取適量的1×PBS 對(duì)處理后的成纖維細(xì)胞進(jìn)行清洗,將蛋白裂解液分別均勻滴加入每個(gè)板孔中,靜置于冰上10 min,輕輕刮取、裂解細(xì)胞,用移液槍收集裂解液,于10 000×g的轉(zhuǎn)速下4 ℃離心13 min 使細(xì)胞沉淀聚集,隨后分裝上層澄清蛋白裂解液,沉淀?xiàng)壢ァ5鞍踪|(zhì)定量18 μg,加入等量的4×SDS-PAGE 緩沖液,99 ℃金屬浴加熱10 min,使蛋白質(zhì)完全變性。取樣品在恒壓條件下進(jìn)行SDS-PAGE 凝膠電泳,在恒流條件下進(jìn)行PVDF膜轉(zhuǎn)膜,在室溫環(huán)境下利用5%脫脂牛奶進(jìn)行封閉處理。按照蛋白對(duì)應(yīng)的不同位置,裁剪PVDF 膜條帶,并分別利用相應(yīng)的特異性抗體[COL1A1(1:2 000)、COL3A1(1:2 000)、TGF-β1(1:2 000)、α-SMA(1:2 000)]在4 ℃環(huán)境下緩慢均勻孵育過(guò)夜后將其取出,于常溫條件下分別與對(duì)應(yīng)的二抗稀釋液充分孵育1 h。最后利用ECL 發(fā)光試劑盒對(duì)目的蛋白進(jìn)行顯影處理。本文均使用GAPDH(1:5 000)作為內(nèi)參,借助ImageJ 對(duì)其灰度值做分析處理,對(duì)各目的蛋白進(jìn)行表達(dá)情況分析。
1.4.7 雙螢光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn) 利用特異的引物擴(kuò)增出circ_0036176 堿基片段,并將擴(kuò)增得到的片段通過(guò)定向克隆的方式,連接至pGL3-promoter 載體上,構(gòu)建雙螢光素酶報(bào)告質(zhì)粒pGL3-circ_0036176。將HEK293 細(xì)胞均勻接種于24 孔板中,穩(wěn)定培養(yǎng)24 h 后,利用Lipofectamine 2000 對(duì)400 ng重組螢光素酶報(bào)告質(zhì)粒、0.9 ng pRL-TK(可在細(xì)胞中表達(dá)出海腎螢光素酶,作為內(nèi)參照質(zhì)粒)、100 nM miRNA 進(jìn)行包裹,20 min后分別共轉(zhuǎn)染至細(xì)胞,恒溫培養(yǎng)24 h。測(cè)定螢火蟲(chóng)螢光(Firefly luciferase,F(xiàn)L)和海腎螢光(Ranilla luciferase,RL)強(qiáng)度,由FL/ RL 比值推斷circ_0036176 與不同微小RNA間的結(jié)合能力的強(qiáng)弱。
表1 PCR引物序列Table.1 The sequences of the primers for PCR
采用Image J 和GraphPad Prism8 分析與作圖,用SPSS 21.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,當(dāng)兩組間作比較時(shí),采用t檢驗(yàn);當(dāng)多組間作比較時(shí),采用單因素方差分析;在組間兩兩做比較時(shí),則用Bonferroni 校正的t檢驗(yàn)。當(dāng)P<0.05時(shí),則為數(shù)據(jù)間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
Masson 染色結(jié)果顯示心衰病人心肌組織中的微血管外周及細(xì)胞間質(zhì)膠原沉積,較健康人組有增加趨勢(shì),并出現(xiàn)了較高程度的心肌纖維化(P<0.001;圖1A)。RT-qPCR 結(jié)果顯示,circ_0036176在心力衰竭患者心肌組織中表達(dá)上調(diào)(P<0.05),而其宿主基因Myo9a 的表達(dá)變化不明顯(圖1B)。在Ang-Ⅱ處理的HAFs 心肌纖維化的細(xì)胞模型中,發(fā)現(xiàn)circ_0036176 和Myo9a 的表達(dá)一致性降低(P<0.01;圖1C)。分別以人cDNA 和基因組DNA 為模板,PCR結(jié)果顯示,從人cDNA和gDNA中可PCR擴(kuò)增到Myo9a 基因產(chǎn)物,而circ_0036176 只能從人cDNA 中擴(kuò)增到(圖1D)。通過(guò)DNA 測(cè)序的方法,在PCR 產(chǎn)物中成功檢測(cè)出circ_0036176 的特異接頭序(TATGACTCTGAGCCGTTATTTTACCAAGAA)(圖1E)。
圖1 Circ_0036176在心衰心肌組織中表達(dá)增加Fig.1 Upregulation of circ_0036176 in the myocardium of patients with heart failure
定量PCR 和FISH 檢測(cè)結(jié)果顯示,circ_0036176除了富集于細(xì)胞質(zhì)中,在細(xì)胞核內(nèi)也有分布(圖2A、B)。RT-qPCR 結(jié)果顯示,在放線菌素D 和RNase R 處理的人心肌細(xì)胞AC16 中后,Myo9a mRNA 水平相對(duì)于circ_0036176,發(fā)生較大程度的下降,此結(jié)果表明circ_0036176 具有較好的環(huán)狀RNA典型的穩(wěn)定性(P<0.05;圖2C、D)。
圖2 Circ_0036176在AC16心肌細(xì)胞中的分布及RNA穩(wěn)定性鑒定Fig.2 Cellular distribution and RNA stability of circ_0036176 in AC16 cardiomyocytes
利用重組circ_0036176 腺病毒感染HAFs 24 h后,共表達(dá)的綠色熒光蛋白(GFP)提示circ_0036176 已在成纖維細(xì)胞中成功過(guò)表達(dá)(圖3A)。通過(guò)RT-qPCR 對(duì)HAFs 中纖維化相關(guān)基因的表達(dá)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示,過(guò)表達(dá)circ_0036176 后可起到明顯的抑制作用(P<0.05;圖3B)。進(jìn)一步的,利用Western-blot,發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)circ_0036176 后,COL1A1、COL3A1、TGF-β1 和α-SMA 的蛋白表達(dá)同樣受到了抑制(P<0.01;圖3C)。
圖3 circ_0036176在HAFs中具有下調(diào)纖維化相關(guān)基因表達(dá)的生物學(xué)功能Fig.3 Circ_0036176 inhibited the expression of fibrosis-related genes in HAFs
生物信息學(xué)預(yù)測(cè)(https://circinteractome.nia.nih.gov/index.html;http://starbase.sysu.edu.cn/starbase2/index.php)結(jié)果顯示,circ_0036176 序列上有多個(gè)潛在的miRNAs 結(jié)合位點(diǎn),并選擇12個(gè)心肌中高表達(dá)miRNAs,分別為:miR-7-5p、miR-99b-5p、miR-100-5p、miR-154-3p、miR-200b-3p、miR-200c-3p、miR-218-5p、miR-330-3p、miR-429、miR-485-3p、miR-487a-3p 和miR-665 進(jìn) 行鑒 定(圖4A)。以miR-27b-3p 作為無(wú)關(guān)對(duì)照組,將上述miRNA 的模擬物和pGL3-circ_0036176 共轉(zhuǎn)染至HEK293 細(xì)胞中進(jìn)行檢測(cè)。雙螢光素酶報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)提示,circ_0036176 與5 個(gè)微小RNA 發(fā)生較為明顯的結(jié)合,其分別為miR-154-3p、miR-200b-3p、miR-218-5p、miR-487a-3p 和miR-665(P<0.05;圖4B)。
進(jìn)一步通過(guò)RAP 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)circ_0036176 與miR-154-3p、miR-200b-3p、miR-218-5p、miR-487a-3p 和miR-665 間結(jié)合能力的差異,利用circ_0036176 特異的生物素標(biāo)記寡核苷酸探針下拉AC16 細(xì)胞中circ_0036176,提取RNA 檢測(cè)circ_0036176 結(jié)合的相關(guān)miRNA 水平。RAP 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)circ_0036176 可有效地結(jié)合miR-218-5p 和miR-665,而結(jié)合miR-218-5p 量的相對(duì)更多(P<0.001;圖4C)。
為了明確miR-218-5p 是否參與介導(dǎo)circ_0036176發(fā)揮抑制心肌纖維化表型的作用,將miR-218-5p 模擬物轉(zhuǎn)染mCFs。Western blot 結(jié)果顯示,與Scramble 組相比,過(guò)表達(dá)miR-218-5p 可以促進(jìn)COL3A1、COL1A1、TGF-β1 和α-SMA 的表達(dá)(P<0.01;圖4D)。而在mCFs 中同時(shí)過(guò)表達(dá)circ_0036176 和miR-218-5p,miR-218-5p 可有效逆轉(zhuǎn)circ_0036176 對(duì)心肌纖維化相關(guān)基因表達(dá)的抑制作用(P<0.05;圖4E)。
圖4 circ_0036176以結(jié)合miR-218-5p方式抑制mCFs中纖維化相關(guān)基因表達(dá)Fig.4 Circ_0036176 inhibited fibrosis-related gene expression through sponging miR-218-5p in mCFs
本文中,我們發(fā)現(xiàn)circ_0036176 在心衰心肌中表達(dá)上調(diào),但在經(jīng)AngII 處理的HAFs 中表達(dá)下調(diào)。與之相似的,課題組前期工作中發(fā)現(xiàn)微小RNA miR-214-3p 在Ang-Ⅱ刺激下的小鼠整體模型與細(xì)胞模型中的表達(dá)出現(xiàn)相反趨勢(shì)[16-17];KLHL20 是環(huán)形RNA circRNA_100395 的宿主基因,兩者在發(fā)生纖維化的人心耳組織中表達(dá)一致降低,而在經(jīng)過(guò)了Ang-Ⅱ處理的人心耳成纖維細(xì)胞中,兩者的表達(dá)一致增加[15]。針對(duì)circ_0036176在AngⅡ刺激下的HAFs 中表達(dá)下調(diào),而在心衰心肌中表達(dá)增加的現(xiàn)象,其可能的原因是,相對(duì)于原代分離出來(lái)的細(xì)胞,整體水平的心肌中存在多種類型的細(xì)胞和復(fù)雜的病理刺激因素,如氧化應(yīng)激、急慢性炎癥等,在這些因素綜合作用,最終引起心衰心肌中circ_0036176 表達(dá)增加,但其中具體的調(diào)節(jié)機(jī)制仍有待深入探討。
我們以往報(bào)道了小鼠源性circRNA_005647 具有抑制纖維化相關(guān)基因表達(dá)的作用[13],而本文證實(shí)來(lái)自同一宿主基因Myo9a 的人源性circ_0036176同樣可以抑制心肌纖維化。我們既往已明確circRNA_005647可以特異吸附miR-27b-3p的方式發(fā)揮其生物學(xué)功能,盡管circRNA_005647 與人circ_0036176 的堿基序列比較相似(92.75%),但本文未發(fā)現(xiàn)circ_0036176 上具有miR-27b-3p 潛在的結(jié)合序列,提示同源的circRNA 即使有相同的生物學(xué)功能,但介導(dǎo)其生物學(xué)功能的分子機(jī)制可能不同。
在細(xì)胞RNA 的核質(zhì)分離實(shí)驗(yàn)中,我們證實(shí)circ_0036176 主要存在于mCFs 細(xì)胞質(zhì)中,這提示了此環(huán)形RNA 可能會(huì)通過(guò)經(jīng)典的特異吸附微小RNA 途徑來(lái)抑制心肌纖維化[18-19],因此,我們借助生物信息學(xué)對(duì)circ_0036176 上潛在的miRNA 結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行分析,篩選了12 個(gè)可在心肌中高表達(dá)的miRNAs 進(jìn)行鑒定。根據(jù)雙螢光素酶實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)circ_0036176 可與12 個(gè)潛在微小RNA 中的5個(gè)發(fā)生有效結(jié)合,其分別為miR-154-3p、miR-200b-3p、miR-218-5p、miR-487a-3p 和miR-665;而RAP 實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)circ_0036176 對(duì)miR-218-5p 的結(jié)合作用最顯著。功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明miR-218-5p 具有促進(jìn)心肌纖維化相關(guān)基因表達(dá)的作用,并能有效逆轉(zhuǎn)circ_0036176 起到的抑制作用。因此,微小RNA miR-218-5p 可介導(dǎo)環(huán)形RNA circ_0036176 行使抑制纖維化的功能。既往研究證實(shí)miR-218-5p 可通過(guò)靶向RE1 沉默轉(zhuǎn)錄因子(RE1-silencing transcription factor,REST)發(fā)揮促進(jìn)心肌肥厚的作用[20];降低miR-218-5p 的表達(dá)可以有效減緩大鼠心肌損傷及纖維化的發(fā)生進(jìn)程,同時(shí)可促進(jìn)血管生成[21]。但對(duì)于本文中參與生物學(xué)功能調(diào)控的miR-218-5p下游中起主導(dǎo)作用的目的基因,仍需進(jìn)一步探究。
綜上,本文明確了人源circ_0036176 可特異吸附miR-218-5p 來(lái)抑制纖維化相關(guān)基因的表達(dá),不同于同源的小鼠circRNA_005647 發(fā)揮抑制心肌纖維化作用的分子機(jī)制,目前尚未見(jiàn)有關(guān)同源circRNA 通過(guò)結(jié)合不同miRNA 發(fā)揮一致生物學(xué)作用的報(bào)道。本文尚存在一定局限性,還需在細(xì)胞水平明確circ_0036176 對(duì)mCFs 增殖和遷移的影響,并且我們擬繼續(xù)在整體動(dòng)物水平驗(yàn)證circ_0036176對(duì)心肌纖維化的抑制作用,并進(jìn)一步明確其下游作用靶基因和相關(guān)信號(hào)通路。
中山大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)科學(xué)版)2022年1期