王麗,邱心悅,孟春,劉光輝
糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR)是糖尿?。╠iabetes mellitus,DM)常見的微血管并發(fā)癥,我國作為全球DM 患者人數(shù)最多的國家,DR 患病率逐年增加,致盲率也在逐年升高,給社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。DR 根據(jù)病程分為非增殖期和增殖期,增殖性DR 是患者出現(xiàn)視力損害和失明的主要原因。DR 一旦進(jìn)入增殖期則不可逆轉(zhuǎn),因此,對(duì)DR 進(jìn)行積極有效的早期干預(yù)是防治DR 的重要策略。中醫(yī)藥在DR 的早期防治中扮演了重要的角色[2]。本團(tuán)隊(duì)的前期臨床研究[3-5]發(fā)現(xiàn),益景湯治療早期DR 具有較好的療效,能夠在一定程度上改善患者視網(wǎng)膜微循環(huán)、減輕黃斑水腫、調(diào)控血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的水平,基礎(chǔ)研究[6-8]發(fā)現(xiàn),益景湯能夠抑制DM 大鼠視網(wǎng)膜周細(xì)胞的凋亡,緩解視網(wǎng)膜毛細(xì)血管床的減少,改善視網(wǎng)膜血供,減輕視網(wǎng)膜滲漏。近年來,多項(xiàng)研究[9-12]表明,微小RNA(micro RNA,miRNA)在DR 發(fā)生發(fā)展及治療方面發(fā)揮重要作用。為進(jìn)一步探討益景湯干預(yù)早期DR 的分子機(jī)制,本研究擬通過小RNA 測序篩選出可能參與益景湯干預(yù)早期DR 發(fā)生發(fā)展的miRNA,為中醫(yī)藥防治早期DR提供新的方法和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
30 只SPF 級(jí)健康雄性SD 大鼠,2 月齡,體質(zhì)量(200±20)g,購買自福州諾頓斯生物科技有限公司,許可證號(hào)為SYXK(閩)2020-0002,飼養(yǎng)于福建中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心。實(shí)驗(yàn)前適應(yīng)性喂養(yǎng)7 d,自由進(jìn)食,室溫20~22 ℃,晝夜循環(huán)照明。本研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及實(shí)驗(yàn)所用條件符合國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理?xiàng)l例》相關(guān)規(guī)定。
鏈脲佐菌素(美國Sigma 公司,V900890-100MG),TruSeq 小RNA 樣本制備試劑盒(美國Illumina公司,RS-200-0012),mirVana?miRNA 分離試劑盒(美國Ambion 公司,AM1561),SuperScript Ⅱ逆轉(zhuǎn)錄酶、Qubit RNA 定量檢測試劑盒(美國Invitrogen 公司,18064-014、Q10211),RNA 分析試劑盒、高靈敏度DNA 芯片(美國Agilent 公司,5067-1511、5067-4626),Qubit DNA 高靈敏度熒光定量試劑盒(美國Invitrogen 公司,Q32854),通用型SYBR快速定量試劑盒、DNA 文庫定量試劑盒(美國KAPA Biosystem 公司,KK4602、KK4808)。2100 生物分析儀(美國Agilent 公司,J06-02),Qubit 2.0 熒光計(jì)(美國Invitrogen公司,Q32871),紫外透色儀(美國Clare Chemical Research 公司,D195M),聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)熱循環(huán)儀(美國MJ公司,B01-01)。
益景湯由生黃芪、山藥、茯苓、生地黃、玄參各15 g,赤芍10 g,蒼術(shù)、當(dāng)歸各9 g,川芎6 g,桃仁、紅花各5 g 組成,中藥材由福建中醫(yī)藥大學(xué)附屬人民醫(yī)院提供。每次取益景湯1 劑,用10 倍體積純凈水浸泡30 min 后煮1.5 h,靜置冷卻過濾,加入圓底燒瓶,使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮,制成1 g/mL 益景湯藥液,滅菌玻璃瓶灌裝,密封避光4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
20 只動(dòng)物禁食12 h 后,將鏈脲佐菌素使用0.1 mmol/L、pH 為4.5 的無菌檸檬酸緩沖液溶解,配置成1%溶液后,以70 mg/kg 劑量進(jìn)行一次性腹腔注射。72 h 后大鼠尾靜脈取血檢測血糖水平,血糖濃度≥16.7 mol/L即視為DM模型制備成功。
將造模成功的20 只大鼠采用隨機(jī)數(shù)字表法分為模型組(model group,MG)和益景湯組(YijingDecoction group,YJG),另將常規(guī)喂養(yǎng)的大鼠設(shè)為對(duì)照組(control group,CG),每組10 只。根據(jù)人與大鼠的臨床等效劑量,YJG 組大鼠每日灌胃益景湯12.50 g/kg,并于取材前1 h給藥1次;CG組、MG組大鼠灌胃等體積0.9%氯化鈉注射液,處死前1 h 灌胃1次,3組均干預(yù)16周。
3 組大鼠干預(yù)16 周后,記錄體重,麻醉處死,立即摘除雙側(cè)眼球,在冰水中剝離視網(wǎng)膜后,置于-80 ℃冰箱中保存,以備小RNA及PCR檢測使用。
視網(wǎng)膜組織研磨并分離核酸蛋白后提取RNA,采用紫外分光光度計(jì)測定RNA 純度,通過瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA 的質(zhì)量,生物分析儀檢測RNA 完整值(RNA integrity number,RIN)。確定總RNA 合格后,對(duì)其進(jìn)行定量,利用6%聚丙烯酰胺凝膠電泳分離并回收純化22~30 nt范圍內(nèi)的小RNA。
構(gòu)建小RNA 文庫,具體過程是分別在小RNA加上3'接頭和5'接頭,利用與3'接頭反向互補(bǔ)的引物反轉(zhuǎn)錄擴(kuò)增出cDNA,最后進(jìn)行15 個(gè)循環(huán)的PCR擴(kuò)增獲得小RNA 文庫,采用6%聚丙烯酰胺凝膠電泳分離并回收純化。然后采用高靈敏度DNA 片段生物分析儀對(duì)文庫進(jìn)行質(zhì)控,以保證PCR 切膠產(chǎn)物片段大小符合后續(xù)測序要求。最后采用高通量測序技術(shù)對(duì)該文庫進(jìn)行測序。
將測序獲得的序列與miRBase v22 數(shù)據(jù)庫中大鼠已知的miRNA 進(jìn)行對(duì)比,采用分析軟件Bowtie 1.1.1、miRDeep2、R 語言對(duì)已知miRNA 及預(yù)測miRNA 進(jìn)行表達(dá)量標(biāo)準(zhǔn)化及相關(guān)性分析,采用R 包(EdgeR、Limma)對(duì)各組樣本進(jìn)行miRNA 差異表達(dá)分析。然后利用Ensemble 數(shù)據(jù)庫、miRanda 靶基因預(yù)測軟件對(duì)差異miRNA 進(jìn)行靶基因預(yù)測,并對(duì)靶基因進(jìn)行基因本體論(gene ontology,GO)、Pathway 分析,以判定差異miRNA 主要影響的生物學(xué)功能和通路。
根據(jù)小RNA 測序初篩結(jié)果,進(jìn)一步選擇差異倍數(shù)較大的miRNA 進(jìn)行PCR驗(yàn)證,所有引物序列如表所示(表1)。取適量RNA 在逆轉(zhuǎn)錄體系中合成cDNA,以此為模板加入靶基因上下游引物,進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。使用Sequence Detector System 軟件進(jìn)行分析擴(kuò)增反應(yīng)所得的數(shù)據(jù),以U6 為內(nèi)參基因,釆用Ct法確定各miRNA的相對(duì)表達(dá)量。
表1 PCR實(shí)驗(yàn)相關(guān)引物信息
應(yīng)用HiSeq 2000 測序統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,篩選樣本間差異表達(dá)的miRNA,采用顯著性P值和差異倍數(shù)(fold-change,F(xiàn)C)作為差異表達(dá)的判斷標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)P<0.05,且FC≥Log2FC≥1,判斷為上調(diào)miRNA;當(dāng)P<0.05,且FC≤Log0.5FC≤-1,判斷為下調(diào)miRNA。FC 值差異倍數(shù)越大,說明miRNA 在2 個(gè)分組樣本中的表達(dá)差異越大。PCR 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中符合正態(tài)分布且方差齊的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,采用方差分析(ANOVA)進(jìn)行多組變量間的相互比較,兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)。當(dāng)P<0.05時(shí),認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
視網(wǎng)膜總RNA 在260 nm/280 nm 處吸光度在1.9~2.1 A 之間;瓊脂糖凝膠電泳檢測28 S 和18 S 處條帶明亮、清晰、銳利,28 S 和18 S 處的RNA 比值≥1.5∶1;Qubit核酸分析試劑盒定量總RNA>2 μg。
樣本測序得到的原始圖像經(jīng)過轉(zhuǎn)化得到數(shù)據(jù),去除測序質(zhì)量較低、有5'接頭污染、沒有3'接頭序列、包括poly A 和小于18 nt 的小片段等,得到干凈序列統(tǒng)計(jì)小RNA 片段的長度分布圖(圖1)。3 組大部分的小RNA長度集中在21~24 nt,峰值出現(xiàn)在22 nt,符合miRNA的長度特征。
圖1 3組小RNA片段長度分布
篩選出644 個(gè)已知miRNA,其中差異miRNA 共59 個(gè)。干預(yù)16 周后,與CG 組比較,MG 組35 個(gè)miRNA 上調(diào)、6 個(gè)miRNA 下調(diào),YJG 組20 個(gè)miRNA上調(diào)、4 個(gè)miRNA 下調(diào);與MG 組比較,YJG 組6 個(gè)miRNA 上調(diào)、13 個(gè)miRNA 下調(diào);其中,1 個(gè)上調(diào)miRNA(miR-673-3p),11 個(gè)下調(diào)miRNA(miR-1-3p、miR-130a-5p、miR-133a-3p、miR-133b-3p、miR-1b、miR-206-3p、miR-214-3p、miR-23b-5p、miR-31a-3p、miR-451-5p、miR-466b-3p)為益景湯干預(yù)DM 大鼠后,發(fā)生相反變化趨勢的差異性miRNA,即3 組共同差異性表達(dá)miRNA(圖2、表2-表4),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)。
表2 YJG組和CG組差異表達(dá)miRNA
表3 YJG組和MG組差異表達(dá)miRNA
表4 3組共同差異性表達(dá)miRNA
3 組篩選出242 個(gè)新發(fā)現(xiàn)的miRNA,其中差異miRNA 共105 個(gè)(圖3)。與CG 組比較,MG 組50 個(gè)miRNA 上調(diào),15 個(gè)miRNA 下調(diào);與CG 組比較,YJG組55 個(gè)miRNA 上調(diào),20 個(gè)miRNA 下調(diào);與MG 組比較,YJG 組16個(gè)miRNA 上調(diào),6個(gè)miRNA 下調(diào),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)。
圖3 3組新發(fā)現(xiàn)miRNA差異表達(dá)散點(diǎn)圖
采用miRanda 預(yù)測軟件比對(duì)Ensemble 數(shù)據(jù)庫,結(jié)合位點(diǎn)自由能閾值≥140,結(jié)合位點(diǎn)分值閾值≤-20 kcal/mol,取預(yù)測結(jié)果前10 名作為靶基因預(yù)測結(jié)果(表5)。
表5 益景湯干預(yù)DM大鼠前后差異表達(dá)miRNA相關(guān)靶基因
差異基因主要涉及生物學(xué)過程方面的多種蛋白的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié),其次是分子功能方面核苷酸三磷酸酶、GTP 酶等活性調(diào)節(jié),還與多種細(xì)胞成分有關(guān)(圖4)。
圖4 靶基因的GO分析
利用KEEG 數(shù)據(jù)庫對(duì)靶基因進(jìn)行Pathway分析,發(fā)現(xiàn)靶基因關(guān)聯(lián)的通路主要是腫瘤相關(guān)的信號(hào)通路和糖脂代謝相關(guān)通路(圖5)。
圖5 靶基因的Pathway分析
3 組間大鼠視網(wǎng)膜12 個(gè)差異性miRNA 的表達(dá)比較(表6、表7),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(FmiR-673-3p=22.938,P=0.002;FmiR-1-3p=42.288,P=0.000;FmiR-130a-5p=9.088,P=0.015;FmiR-133a-3p=15.912,P=0.004;FmiR-133b-3p=14.296,P=0.005;FmiR-1b=62.253,P=0.000;FmiR-206-3p=8.999,P=0.016;FmiR-214-3p=10.757,P=0.010;FmiR-23b-5p=112.387,P=0.000;FmiR-31a-3p=16.475,P=0.004;FmiR-451-5p=5.817,P=0.039;FmiR-466b-3p=122.070,P=0.000)。
表6 益景湯對(duì)DM大鼠視網(wǎng)膜部分miRNA表達(dá)的影響(±s,n=3)
表6 益景湯對(duì)DM大鼠視網(wǎng)膜部分miRNA表達(dá)的影響(±s,n=3)
注:* 與CG組比較,P<0.05;# 與MG組比較,P<0.05;DM 糖尿??;CG 對(duì)照組;MG 模型組;YJG 益景湯組。
組別CG組MG組YJG組F值P值miR-673-3p 1.33±0.35 0.21±0.05*0.90±0.03#22.938 0.002 miR-1-3p 1.33±0.09 4.89±1.04*0.62±0.16#42.288 0.000 miR-130a-5p 0.08±0.02 3.54±1.92*0.29±0.24#9.088 0.015 miR-133a-3p 1.00±1.31 7.82±2.13*3.48±0.71#15.912 0.004 miR-133b-3p 0.33±0.08 2.79±1.02*0.65±0.31#14.296 0.005 miR-1b 0.54±0.11 4.57±0.65*1.54±0.42#62.253 0.000
表7 益景湯對(duì)DM大鼠視網(wǎng)膜部分miRNA表達(dá)的影響(±s,n=3)
表7 益景湯對(duì)DM大鼠視網(wǎng)膜部分miRNA表達(dá)的影響(±s,n=3)
注:* 與CG組比較,P<0.05;# 與MG組比較,P<0.05;DM 糖尿?。籆G 對(duì)照組;MG 模型組;YJG 益景湯組。
組別CG組MG組YJG組F值P值miR-206-3p 1.00±0.26 2.63±0.58*1.24±0.61#8.999 0.016 miR-214-3p 1.00±0.08 5.81±2.35*1.31±0.72#10.757 0.010 miR-23b-5p 0.69±0.19 3.70±0.56*5.75±0.41#112.387 0.000 miR-31a-3p 1.19±0.64 7.98±1.71*3.21±1.82#16.475 0.004 miR-451-5p 1.00±0.97 3.21±0.78*1.36±0.80#5.817 0.039 miR-466b-3p 0.53±0.20 4.43±0.58*0.50±0.06#122.070 0.000
兩兩比較,MG 組大鼠視網(wǎng)膜miR-673-3p 表達(dá)低于CG 組(t=6.708,P=0.001),余11 個(gè)miRNA 表達(dá)均高于CG 組(tmiR-1-3p=7.162,P=0.000;tmiR-130a-5p=3.804,P=0.009;tmiR-133a-3p=5.573,P=0.001;tmiR-133b-3p=4.910,P=0.003;tmiR-1b=10.818,P=0.000;tmiR-206-3p=3.929,P=0.008;tmiR-214-3p=4.143,P=0.006;tmiR-23b-5p=8.867,P=0.000;tmiR-31a-3p=5.590,P=0.001;tmiR-451-5p=3.175,P=0.019;tmiR-466b-3p=13.476,P=0.000),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。YJG 組大鼠視網(wǎng)膜miR-673-3p、miR-23b-5p 表達(dá)高于MG 組(tmiR-673-3p=4.164,P=0.006;tmiR-23b-5p=6.036,P=0.001),余10 個(gè)miRNA 表達(dá)均低于MG 組(tmiR-1-3p=8.607,P=0.000;tmiR-130a-5p=3.569,P=0.012;tmiR-133a-3p=3.545,P=0.012;tmiR-133b-3p=4.288,P=0.005;tmiR-1b=7.285,P=0.001;tmiR-206-3p=3.350,P=0.015;tmiR-214-3p=3.878,P=0.008;tmiR-31a-3p=3.924,P=0.008;tmiR-451-5p=2.667,P=0.037;tmiR-466b-3p=13.586,P=0.000),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。除miR-23b-5p 外,其余11 個(gè)miRNA 與上述RNA 檢測結(jié)果一致。
miRNA 在蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)上具有重要作用,通過與靶基因的mRNA 3'非編碼區(qū)的相互作用,抑制mRNA 翻譯或誘導(dǎo)其降解,從轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá),從而參與細(xì)胞的發(fā)育、增殖、分化、死亡以及糖脂代謝等重要進(jìn)程[13]。研究[14-17]表明,miRNA通過各種不同的機(jī)制,參與DR 的發(fā)生、發(fā)展,在DR的早期診斷和后續(xù)治療中具有潛在價(jià)值。
DR早期病理改變?cè)缭诖笫驞M造模后3個(gè)月即可出現(xiàn)[18-20],此階段視網(wǎng)膜組織中被發(fā)現(xiàn)80 種miRNA 表達(dá)顯著升高,6種表達(dá)顯著下降;視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞中有11 種miRNA 表達(dá)升高,104 種表達(dá)降低[21]。其中miR-21、miR-146、miR-155 和miR-132被揭示與DM 大鼠視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞中核因子κB(nuclear factor κB,NF-κB)炎癥通路相關(guān);miR-17-5p、miR-18a、miR-20a,miR-21、miR-31 和miR-155則被發(fā)現(xiàn)和VEGF相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),DM 大鼠成模16 周后,視網(wǎng)膜組織中35 種miRNA 上調(diào),6 種miRNA 下調(diào),其中miR-31、miR-199a、miR-200a、miR-200b、miR-205、miR-223 上調(diào)以及miR-20b 下調(diào)趨勢與上述研究一致。
在增殖性DR 中,miR-200a、miR-200b 表達(dá)降低,與細(xì)胞的增殖、凋亡和調(diào)控VEGF 表達(dá)水平相關(guān)[17,20-21]。本研究發(fā)現(xiàn),在早期DR 大鼠視網(wǎng)膜組織中miR-200a、miR-200b 表達(dá)水平升高,提示DR 早期和中晚期的miRNA 表達(dá)情況有所不同,可能與視網(wǎng)膜缺血、缺氧程度及病理改變程度相關(guān)。
miR-1 和miR-133 在DM 患者血清水平明顯升高,胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor 1,IGF-1)是miR-1 和miR-133 的有效靶點(diǎn)之一,2 種miRNA 負(fù)調(diào)控其表達(dá),而IGF-1 水平與胰島素抵抗及糖尿病進(jìn)展呈負(fù)相關(guān)[22]。miR-133b 可下調(diào)Rho相關(guān)蛋白激酶信號(hào)通路來抑制視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞增殖,并促進(jìn)其凋亡[23];miR-23b 在高糖培養(yǎng)的人視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞模型中顯著升高,抑制沉默信息調(diào)節(jié)因子1 轉(zhuǎn)錄,使NF-κB 活化增加,促進(jìn)細(xì)胞凋亡,干擾miR-23b 表達(dá)后,NF-κB 乙?;@著降低,細(xì)胞凋亡明顯減少[24]。本研究亦發(fā)現(xiàn),miR-133b、miR-23b 在DM 大鼠視網(wǎng)膜中明顯升高,益景湯干預(yù)后其表達(dá)降低,提示miR-133b、miR-23b 可能是益景湯保護(hù)視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞,干預(yù)早期DR 的治療靶點(diǎn)。前期細(xì)胞實(shí)驗(yàn)[6]發(fā)現(xiàn),益景湯能減少高糖環(huán)境中大鼠視網(wǎng)膜微血管周細(xì)胞凋亡、人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡[25]對(duì)此亦有所提示。
miR-214、miR-451 在缺血狀態(tài)下的視網(wǎng)膜細(xì)胞中顯著升高,miR-31 水平下降,眼內(nèi)注射miR-31能夠減少視網(wǎng)膜新生血管形成[26-27]。但KAUR P等[28]的研究表明,miR-31 在DM 患者視網(wǎng)膜細(xì)胞中表達(dá)水平上調(diào),通過介導(dǎo)VEGF在DR中發(fā)揮不良作用;同時(shí)miR-31 水平與白細(xì)胞滾動(dòng)速度呈正相關(guān),與促炎因子和黏附分子誘導(dǎo)的白細(xì)胞向血管壁聚集有關(guān)[29]。CAO Q 等[30]發(fā)現(xiàn),miR-673 靶向抑制非受體型酪氨酸蛋白激酶2(Janus kinase 2,JAK2)表達(dá)調(diào)節(jié)輔助性T 細(xì)胞(T helper cell 17,Th17)分化,誘導(dǎo)胎盤生長因子分泌,促進(jìn)新生血管形成,上調(diào)miR-673可抑制新生血管形成。本研究發(fā)現(xiàn),DM大鼠視網(wǎng)膜組織中miR-31a 表達(dá)升高,miR-673 表達(dá)降低,益景湯干預(yù)后miR-31a表達(dá)降低,miR-673表達(dá)升高,和上述研究結(jié)果一致。團(tuán)隊(duì)前期臨床研究和動(dòng)物研究[3-4]都發(fā)現(xiàn)益景湯能改善DR 患者視網(wǎng)膜微循環(huán),調(diào)控VEGF 的水平;緩解DR 大鼠視網(wǎng)膜毛細(xì)血管床的減少,改善視網(wǎng)膜血供,減輕視網(wǎng)膜滲漏[7,31-32]。因此,通過調(diào)節(jié)miR-31a、miR-673 表達(dá),改善視網(wǎng)膜微循環(huán),抑制新生血管形成,可能是益景湯干預(yù)早期DR微血管損害的分子機(jī)制之一。
綜上所述,益景湯干預(yù)大鼠早期DR 微血管損害,miR-673、miR-1、miR-133、miR-214、miR-23b、miR-31a、miR-451 等可能是其作用靶點(diǎn),其機(jī)制與緩解視網(wǎng)膜組織缺血,調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細(xì)胞異常增殖和凋亡,抑制視網(wǎng)膜新生血管形成以及抗炎等過程有關(guān),但更深入機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。