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强直性脊柱炎长链非编码RNA表达的芯片分析

上海市隋

桂林市181医院肾内科,广西代谢性疾病研究重点实验室,广西桂林541002

李洹

桂林市181医院肾内科,广西代谢性疾病研究重点实验室,广西桂林541002

510515广东广州,南方医科大学南方医院儿科

杨惠妍他

暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院)临床医学研究中心,广东深圳518020

文雪

桂林市181医院肾内科,广西代谢性疾病研究重点实验室,广西桂林541002

赵新

暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院)临床医学研究中心,广东深圳518020

勇戴

暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院)临床医学研究中心,广东深圳518020

电子邮件:daiyong22@aliyun.cn

DOI: 10.15761 / IMM.1000172

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数据与数据

摘要

强直性脊柱炎(AS)是一种常见的炎症性风湿性疾病,影响中轴骨骼,引起特征性的炎症性背痛,可导致结构和功能损害,并降低生活质量。强直性脊柱炎的病因尚不清楚。越来越多的证据表明,长(>200nt)非编码rna (ncrna)在表观遗传调控中具有重要的调控功能,并参与多种疾病的发生。本研究旨在分析长ncrna与AS的关系,进一步了解AS的基础生物学,并确定新的治疗靶点。我们使用微阵列和实时PCR技术分析AS中的长ncRNAS。在本研究中,我们通过微阵列分析和实时RT PCR定量验证,发现患者和对照患者之间有数百个长ncrna的差异表达,许多ncrna围绕或重叠蛋白编码基因,并可通过一系列调控机制预测其功能。这些ncrna可能是新的生物标志物,同时也让我们了解AS的基本生物学特性,找到新的治疗靶点。

关键字

长链非编码RNA,微阵列,强直性脊柱炎,表观遗传调控,生物标志物

介绍

强直性脊柱炎(AS)是一种血清阴性脊柱炎,慢性炎症和自身免疫性疾病。AS的主要临床特征是受骶髂关节和脊柱[1]影响的炎症性背痛。大约90%的AS患者HLA B27阳性,AS主要影响年轻人[2]。许多细胞因子参与强直性脊柱炎,如肿瘤坏死因子- α (TNF - α)、IL-6等[3]。一些研究表明AS与炎症性肠病相关,并提示细菌在AS[4]的发病机制中起核心作用。尽管进行了深入的研究,强直性脊柱炎的病因仍不清楚。

长链非编码RNA (lncrna)是一种长度超过200个核苷酸的非编码RNA。lncrna在哺乳动物中广泛表达,越来越多的证据表明lncrna在基因转录、转录后mRNA调控和表观遗传修饰等方面具有重要的调控作用[5-7]。基于对lncrna功能认识的稳步积累,人们开始关注lncrna在各种人类疾病中的潜在作用。一些研究发现,lncRNA参与人类疾病,如lncRNA TUG1(视网膜发育所必需的)在亨廷顿病(亨廷顿病)中上调,而脑特异性肿瘤抑制因子lncRNA MEG3下调[8];lncRNA UCA1在膀胱癌[9]中通过PI3K-AKT依赖通路通过CREB调控细胞周期等。

越来越多的证据表明,lncrna的突变和失调与多种人类疾病有关。但目前尚未研究lncrna表达变化与AS之间可能存在的相关性。通过芯片分析和实时荧光定量PCR验证,我们在本研究中发现了一些与AS相关的lncrna。这些lncrna放松调控可能会调控邻近与AS密切相关的蛋白编码基因。本研究为今后对AS的研究提供了重要的基础。

材料和方法

病人和控制

我们研究了11名AS患者和11名健康志愿者的血液。所有患者均符合1984年修改后的纽约强直性脊柱炎标准,双侧骶髂炎放射学分级≥2级,且明显符合三种临床标准中的一种。所有AS患者均来自桂林市181医院风湿科住院患者,均无其他自身免疫性疾病。通过广告招募年龄、种族和性别匹配的健康对照组。在研究期间,没有患者接受免疫抑制治疗和非甾体抗炎药物。对照组来自健康成人,所有健康成人都是自愿的,他们被诊断为完全健康,没有任何炎症。患者及对照样本均经知情同意,并经桂林市广州军区181医院区域伦理委员会批准。

外周血单个核细胞的分离

血样取自AS患者(n = 11)和正常健康献血者(n = 11)。肝素管血液(每个受试者5毫升)用等量磷酸盐缓冲盐水稀释。将等量稀释后的血液按1:1的比例覆盖在Ficoll-Paque Plus上,在22℃下800 g离心25分钟。收集外周血单个核细胞(PBMCs)层,用磷酸盐缓冲盐水洗涤两次,以去除血浆和Ficoll (Axis-shield, Norway)。然后,这些样品保存在-80°C直到被分析。

RNA分离和靶标标记

根据制造商的说明,使用TRIzol (Invitrogen,美国)和RNeasy试剂盒(Qiagen,德国)收获总rna。这种提取包括脱氧核糖核酸酶的消化步骤。RNA检测质量控制通过Nanodrop ND-1000和变性凝胶电泳后,用上标双链cDNA Synthesis Kit (Invitrogen, USA)合成双链cDNA。在AS组中,11份cDNA样本用Cy3-Random Nonamers标记;在正常对照组中,11份cDNA也用Cy3-Random Nonamers标记。然后,使用NimbleGen杂交系统将AS和正常对照组的混合双链cdna与12x135K的LncRNA表达芯片进行个体杂交比较。

微阵列表达分析

使用的微阵列用于长转录本的整体分析,包括lncrna(长非编码rna)和蛋白质编码mrna。每个转录本由1-5个独特的探针表示,用于提高结果的统计置信度。内参基因探针和阴性探针经过多次打印,以确保杂交质量。从NCBI RefSeq、UCSC、RNAdb、文献中lncrna、ucr等权威数据来源收集18534条人类lncrna。这些数据源中的序列是使用特殊策略精心选择的。高度相似的序列和短于200 bp的ncrna被排除在外。NCBI RefSeq的18.847个蛋白编码基因也在该序列中。这使得在单个实验中检测mrna和lncrna成为可能。

使用NimbleScan软件(2.5版)将原始数据提取为成对文件。NimbleScan软件的RMA实现提供分位数归一化和数据的背景校正。生成探测级别规范化(*_norm_RMA.pair)文件和基因摘要(*_RMA.calls)文件。将基因摘要文件导入安捷伦genspring软件(version11.0)进行进一步分析。通过Fold-change筛选确定差异表达基因。

统计分析

利用Axon GenePix 4000B微阵列扫描仪(Axon, USA)、NimbleScan软件(nimbllegen, USA) 2.5版和Agilent genspring软件(Agilent, USA)分析和计算每个点的信号强度。扫描每个点的信号强度,并通过从总强度中减去局部背景(基于每个点周围区域的中值强度)来计算信号强度。数据转换后,每个lncRNA的1-5个点重复的平均值(将任何负值转换为0.01)。归一化是使用每个芯片的第50百分位方法来进行的,该方法将每个芯片归一化到其中位数。这种规范化允许用户跨芯片进行比较。为了突出每个组的特征lncrna,对每个基因进行中位数归一化。这使每个lncRNA的表达通过其在样本中的中位数标准化。

差异表达mrna途径分析和基因本体论(GO)术语分析

途径分析基于最新的KEGG(京都基因和基因组百科全书)数据库。通过这种分析,用户可以确定不同表达的mrna所涉及的生物途径。

氧化石墨烯分析是一种将差异表达mrna与氧化石墨烯分类联系起来的功能分析。GO类别来源于基因本体论(www.geneontology.org),它由用于描述基因产品属性的定义术语的三个结构化网络组成。

p值表示该通路的重要性和GO项在差异表达mRNA列表中的富集。p值越低,通路和GO Term越显著(推荐p值<= 0.05)。

实时定量RT-PCR

从不同样品中提取的总RNA在无核酸酶水中连续稀释2倍。以稀释后的总RNA为模板进行实时RT-PCR。每个样本的数据收集一式两份。所有反应均制备不含总RNA的主混合物,每个反应管中加入24 μl。每个反应加1 μl稀释后的总RNA。使用Rotor-Gene 3000 Real-time PCR系统(Corbett Research)进行反应,反应谱如下:cDNA合成60分钟,37℃;95°C预变性5分钟;PCR扩增40个循环,95℃10秒,58℃15秒,72℃20秒。PCR后进行熔体曲线分析以确定反应的特异性。琼脂糖凝胶电泳确定PCR产物的大小。 The mean Ct value was determined after the reaction to test the linearity of the GAPDH expression level.

利用引物(引物序列如表1所示)定量ST6GAL1、DB065433、LCMT1、uc002dnw、CD3D、AK093775、PHC1和DB483692的水平。定量GAPDH RNA作为对照,使总RNA水平的差异正常化。

表1。cDNA扩增的寡核苷酸引物

寡核苷酸

序列

GAPDH正向引物

5 'gggaaactgtggcgtgat3 '

GAPDH反向引物

5 'gagtgggtgtcgctgttga3 '

ST6GAL1正向引物

5 'gcattccgacagcaggacata3 '

ST6GAL1反向引物

5 'agaagacagaaccccatagacaca3 '

DB065433正向引物

5 'cgccgattttatttggagag3 '

DB065433反向引物

5 'ctcatgccacattgggtttt3 '

LCMT1正向引物

5 'gcaaccaaaggaggaaatgag3 '

LCMT1反向引物

5 'caacaggaacaggaagaggaac3 '

uc002dnw正向引物

5 'cgacagcactctcctcctca3 '

uc002dnw反向引物

5 'tcctcccactccgcaaac3 '

CD3D正向引物

5 'ctggctacccttctctcgca3 '

CD3D反向引物

5 'tgttcccaccgttccctct3 '

AK093775正向引物

5 'ccatcaacggcagaaagca3 '

AK093775反向引物

5 'gccaggtcaccgaactatcag3 '

PHC1正向引物

5 'gtcccacttctgcttccgttc3 '

PHC1反向引物

5 'gcttttcttactcctggttcccta3 '

DB483692正向引物

5 'cgcagcagaatgaatagccag3 '

DB483692反向引物

5 'accgagtagaagcaaaagagcac3 '

LncRNA相关邻近蛋白编码基因分析

LncRNA来源于复杂的转录位点。我们分析了与相邻蛋白编码基因相关的lncRNA,发现有四组。(1)顺反义lncrna与目的转录本来自相同的基因组位点,但来自相反的DNA链。顺式反义lncrna与目标分子形成完美或片段配对。(2)在一个蛋白编码基因的内含子内发现了内含子lncrna。(3)当lncRNA转录本跨越蛋白编码基因的起始位点时定义启动子相关的lncRNA。(4)双向lncrna与相邻的蛋白编码基因,其转录起始位点偏离,并被小于1000个碱基对分开。

结果

数以千计的lncrna在AS中的差异表达

在本研究中,我们在患者和对照实验样本之间进行折变过滤,以识别AS中差异表达的lncrna。我们筛选上调或下调基因的阈值是mRNA转录本的fold-change >= 2.0, lncrna的fold-change >= 2.0。经过归一化和倍数变化过滤后,我们发现AS样本中12.52%(2360 / 18,847)的蛋白编码转录本显著差异表达(倍数变化>= 2.0),11.70%(2169 / 18,534)的lncRNA转录本显著差异表达(倍数变化>= 2.0)。差异表达的蛋白编码转录本中有1836个上调,974个下调;差异表达的lncRNA转录本中有556个上调,1613个下调。

LncRNA相关邻近蛋白编码基因分析

通过芯片筛选,我们发现一些lncrna与其邻近的蛋白编码基因在AS中有密切的关系。它们分别是ATP1A1和uc001egg、ST6GAL1和DB065433、LRP1和uc009zpi、LCMT1和uc002dnw、CD3D和AK093775、PHC1和DB483692。

为了验证芯片数据,我们对lncrna及上述基因的表达水平进行了实时荧光定量PCR分析。表2对real-time PCR和microarray结果进行了总结和比较,证实了上述lncrna与相邻蛋白编码基因在AS中的表达密切相关。我们分析了与相邻蛋白编码基因相关的lncRNA,发现有四组。

表2。AS患者血液中lncrna及邻近蛋白编码基因的芯片和实时PCR分析

LncRNAs或基因

微阵列,褶皱变化

Real-time PCR, fold changes

ST6GAL1

7.04

5.13

DB065433

-17.69

0.19

LCMT1

4.15

2.81

uc002dnw

-7.14

0.31

CD3D

7.08

5.82

AK093775

-9.50

0.34

PHC1

12.74

24.68

DB483692

-5.86

0.13

Cis-antisense lncRNAs

顺式反义基因的顺式调节作用具有重要的功能。目前的证据显示,顺式反义lncrna具有多种调节作用,如染色质重编程、RNA干扰(RNAi)、可变剪接、基因组印迹和x染色体失活[11]。

我们发现了一个lncRNA (uc001egg, ATP1A1- ncrna),被鉴定为ATPase, Na+/K+运输,α 1多肽(ATP1A1)的反义(图1A)。Na/ k - atp酶作为一个信号转换器,调节蛋白激酶的功能和其他几个级联反应的激活,包括p42/44和p38 MAPKs,et al。[12].ATP1A1编码的蛋白属于p型阳离子转运atp酶家族,属于Na+/K+ - atp酶亚家族。有证据表明,淋巴细胞从静息期向增殖期过渡期间,Na、k - atp酶泵的长期激活是由于Na、k - atp酶蛋白和mRNA表达增强,Na、k - atp酶α - 1亚基mRNA水平显著升高[13]。反义ncRNA,我们命名为ATP1A1-ncRNA,它与AS中的ATP1A1重叠(图1A)。我们发现在AS患者样本中ATP1A1的表达增加,而ATP1A1- ncrna的表达减少。我们推测uc001egg可能负调控ATP1A1基因。

图1所示。LncRNA与相关蛋白编码基因相反。一个.ATP1A1和ATP1A1- ncrna (uc001egg)基因组位点。B。ST6GAL1和ST6GAL1- ncrna (DB065433)基因组

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轨迹。

我们还在一个高度复杂的位点上鉴定了另一个反义ncRNA (DB065433, ST6GAL1-ncRNA),它位于ST6 -半乳糖胺-2,6-唾液酸转移酶1 (ST6GAL1)基因的对面(图1b)。编码蛋白是II型膜蛋白,催化唾液酸从cmp -唾液酸转移到含半乳糖的底物。半乳糖凝集素是β-半乳糖苷结合的凝集素,调控细胞的粘附、迁移、增殖和凋亡等多种行为,有证据表明ST6Gal-I活性是半乳糖凝集素功能[14]的“关闭开关”。巨噬细胞在先天免疫中起核心作用,其他证据提示ST6Gal-I可以调节巨噬细胞凋亡[15]。在本研究中,我们发现ST6GAL1基因表达高度上调,但其反义ncRNA(我们命名为ST6GAL1-ncRNA)的表达急剧下调。定量Real time RT-PCR实验结果验证了上述观察结果。DB065433可能负调控ST6GAL1基因。

Intronic lncRNAs

在复杂位点,我们在蛋白编码基因的内含子中观察到大量的lncrna。内含子中的lncrna具有多种调节功能,包括作为较短RNA的前体,蛋白编码RNA的稳定,基因表达的控制,蛋白编码RNA的可变剪接的调节[16,17]。例如,我们在低密度脂蛋白受体相关蛋白1 (LRP1)的内含子中发现了一个ncRNA (uc009zpi, LRP1-ncRNA)(图2A)。该基因编码的蛋白质是一种内吞受体,参与多种细胞过程,包括细胞内信号、脂质稳态和凋亡细胞的清除。LRP1在调节免疫应答、炎症和吞噬[18]中起重要作用。在我们的研究中,我们观察到LRP1基因表达上调。其反义ncRNA(我们命名为LRP1-ncRNA)表达上调。这一观察结果提示LRP1和LRP1- ncrna均与该病相关,但可能是独立调控的。

我们还鉴定了另一个内含子ncRNA (uc002dnw, LCMT1-ncRNA),它位于leucine carboxyl methyltransferase 1 (LCMT1)内含子内(图2B)。LCMT1催化蛋白质磷酸酶2a催化亚基c端亮氨酸残基(leu309)羧基的甲基化。这些证据表明LCMT-1在细胞有丝分裂和存活[19]的正常进展中是重要的。在本研究中,我们发现LCMT-1基因表达上调,但其内含子ncRNA(我们命名为LCMT-1-ncRNA)表达下调。定量Real time RT-PCR实验结果验证了上述观察结果。从这些数据我们推断uc002dnw可能负调控LCMT-1基因。

图2。相关蛋白编码基因内含子内的LncRNA。一个。LCMT1和LCMT1- ncrna (uc002dnw)基因组位点。B。LRP1和LRP1- ncrna (uc009zpi)

基因位点。

Promoter-associated lncRNAs

lncrna的转录与蛋白编码基因的下游启动子区相互作用,这些lncrna帮助调节mRNA的表达[20]。例如,一个横跨CD3D分子转录起始位点delta (CD3D)的lncRNA (AK093775),我们将其命名为CD3D- ncrna(图3A)。γ - T细胞是先天免疫反应和适应性免疫反应之间的联系。CD3D基因编码的蛋白是T细胞受体/CD3复合体(TCR/CD3复合体)的一部分,而CD3D突变会影响所有的T细胞,从而导致严重的联合免疫缺陷病(SCID)[22]。已有研究发现CD3D基因在原发Sjögren氏综合征患者(Sjögren氏综合征是一种全身性自身免疫性疾病)中上调。有趣的是,我们观察到CD3D基因表达上调,而CD3D- ncrna表达下调。定量Real time RT-PCR实验结果验证了上述观察结果。从这些数据我们推断AK093775可能负调控CD3D基因。

图3。一个。lncrna交叉相关蛋白编码基因启动子CD3D和CD3D- ncrna (AK093775)基因组位点。B。双向lncrna和相邻的蛋白编码

基因,PHC1和PHC1- ncrna (DB483692)。

双向lncRNAs

双向lncrna和相邻的蛋白编码基因,其转录起始位点偏离,仅由不到1000个碱基对分开。分化转录的lncRNA与启动双向转录的基因对之间的启动子序列。双向启动子由于能够调控下游两个基因[23]而受到广泛关注。越来越多的证据表明,启动子上的非编码转录影响蛋白编码基因的表达,揭示了一个新的转录调控层[24]。例如,我们鉴定了一个lncRNA (DB483692,PHC1- ncrna)和多同型同源物1(PHC1)基因,它们的转录起始位点是相邻的,并相互远离。它们之间只有不到1000个碱基对(图3B)。PHC1基因是果蝇多同源基因的人类同源物,是Polycomb组基因中的一员,可以介导Polycomb抑制Hox基因的抑制。在免疫系统中,一些研究结果表明多梳群蛋白在免疫系统中起着重要的调节作用。在本研究中,我们发现PHC1基因表达上调,而我们命名为PHC1- ncrna的lncRNA表达下调。定量Real time RT-PCR实验结果验证了上述观察结果。 From these data we inferred that DB483692 may negatively regulate the PHC1 gene.

讨论

在本研究中,我们关注的是lncrna的基因组背景。我们的目的是分析复杂的转录位点,包括lncrna及其相关的蛋白编码基因。有证据表明,lncrna可以通过染色质修饰、转录和转录后加工[7]的表观遗传调控来调控基因表达。

与邻近的蛋白编码基因相比,lncrna转录呈复杂的基因间、重叠和反义模式,表明有许多lncrna调控这些基因的表达。在许多情况下,长链非编码rna本身起着关键的调节作用,如转录调控、基因组印迹和蛋白质转运等,这些作用以前被认为是蛋白质独有的[7-9]。此外,许多长非编码rna被加工成小rna,或者相反地,调节其他rna的加工方式。lncrna与一些人类疾病之间的联系已经被证实[8,9]。然而,目前只有少数长ncrna的功能被证实。因此,在本研究中,我们有兴趣研究AS与long ncrna之间的关系,希望对AS的病理生理机制有新的认识,这是以前没有研究过的。

综上所述,我们使用微阵列分析了对照和AS PBMC样本中lncrna的表达。如上所述,这些lncrna影响其相关蛋白编码基因的表达。lncrna网络调控失灵可能是诱发AS的一个可能机制。我们的研究表明,lncrna是AS发病的潜在病理生理机制和可能因素。然而,值得注意的是,本文所描述的发现仅仅是AS中lncrna研究的一个起点,在识别出的lncrna的功能特征方面还有很多令人兴奋的工作要做。这项新颖而强大的技术将为我们进一步了解AS的病理生理机制提供新的机会。

的利益冲突

两位作者没有经济利益冲突。本研究由广西自然科学基金(2011GXNSFB018105)资助

承认

我们要感谢参与这项研究的患者和健康志愿者。

参考文献

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编辑信息

主编

音)山口
埃默里大学医学院

文章类型

研究文章

出版的历史

收稿日期:2015年9月25日
受理日期:2015年10月12日
出版日期:2015年10月15日

版权

©2015 Sui W.这是一篇开放获取的文章,在知识共享署名许可协议的条款下发布,该协议允许在任何媒体上无限制地使用、发布和复制,前提是注明原作者和来源。

引用

隋伟,李慧,何华,薛伟,赵旭,等。(2015)利用CRISPR/Cas9系统建立β-2微球蛋白缺陷的人iPS细胞。Integr Mol Med 2: DOI: 10.15761/IMM.1000172。

相应的作者

勇戴

暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院)临床医学研究中心,广东深圳518020,电话:(+86)0755-25626750。

电子邮件:daiyong22@aliyun.cn

表1。cDNA扩增的寡核苷酸引物

寡核苷酸

序列

GAPDH正向引物

5 'gggaaactgtggcgtgat3 '

GAPDH反向引物

5 'gagtgggtgtcgctgttga3 '

ST6GAL1正向引物

5 'gcattccgacagcaggacata3 '

ST6GAL1反向引物

5 'agaagacagaaccccatagacaca3 '

DB065433正向引物

5 'cgccgattttatttggagag3 '

DB065433反向引物

5 'ctcatgccacattgggtttt3 '

LCMT1正向引物

5 'gcaaccaaaggaggaaatgag3 '

LCMT1反向引物

5 'caacaggaacaggaagaggaac3 '

uc002dnw正向引物

5 'cgacagcactctcctcctca3 '

uc002dnw反向引物

5 'tcctcccactccgcaaac3 '

CD3D正向引物

5 'ctggctacccttctctcgca3 '

CD3D反向引物

5 'tgttcccaccgttccctct3 '

AK093775正向引物

5 'ccatcaacggcagaaagca3 '

AK093775反向引物

5 'gccaggtcaccgaactatcag3 '

PHC1正向引物

5 'gtcccacttctgcttccgttc3 '

PHC1反向引物

5 'gcttttcttactcctggttcccta3 '

DB483692正向引物

5 'cgcagcagaatgaatagccag3 '

DB483692反向引物

5 'accgagtagaagcaaaagagcac3 '

表2。AS患者血液中lncrna及邻近蛋白编码基因的芯片和实时PCR分析

LncRNAs或基因

微阵列,褶皱变化

Real-time PCR, fold changes

ST6GAL1

7.04

5.13

DB065433

-17.69

0.19

LCMT1

4.15

2.81

uc002dnw

-7.14

0.31

CD3D

7.08

5.82

AK093775

-9.50

0.34

PHC1

12.74

24.68

DB483692

-5.86

0.13

图1所示。LncRNA与相关蛋白编码基因相反。一个.ATP1A1和ATP1A1- ncrna (uc001egg)基因组位点。B。ST6GAL1和ST6GAL1- ncrna (DB065433)基因组

轨迹。

图2。相关蛋白编码基因内含子内的LncRNA。一个。LCMT1和LCMT1- ncrna (uc002dnw)基因组位点。B。LRP1和LRP1- ncrna (uc009zpi)

基因位点。

图3。一个。lncrna交叉相关蛋白编码基因启动子CD3D和CD3D- ncrna (AK093775)基因组位点。B。双向lncrna和相邻的蛋白编码

基因,PHC1和PHC1- ncrna (DB483692)。