組蛋白H3K27乙酰化與H3S28磷酸化改變引起心臟發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)變化

林怡翔 徐 君 顧若漪 曹銀銀 劉斯達(dá) 李爍琳 王慧君，2 黃國(guó)英，2

先天性心臟病(CHD)是一種常見(jiàn)的出生缺陷［1］。遺傳與環(huán)境因素被認(rèn)為對(duì)CHD的發(fā)病機(jī)制有較大影響［2］。遺傳學(xué)研究已證實(shí)染色體異常和多個(gè)基因突變與CHD存在關(guān)聯(lián)，但其低發(fā)生率和高變異不足以完全解釋CHD的發(fā)病。環(huán)境因素對(duì)個(gè)體表型的影響及其相關(guān)機(jī)制尚未闡明［3，4］。組蛋白修飾與基因表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)，廣泛參與了轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)終止、基因表達(dá)沉默和染色體重構(gòu)等過(guò)程，是表觀遺傳學(xué)的重要部分。本課題組前期研究證實(shí)法洛四聯(lián)癥患兒心肌組織中組蛋白整體乙?；酱嬖诋惓?，其中組蛋白H3第27位賴氨酸殘基(K27)的乙酰化修飾(H3K27ac)在 CHD患兒中明顯降低［5］。有研究表明，H3K27三甲基化修飾異常能夠影響基因的表觀沉默，從而破壞正?；驎r(shí)空表達(dá)，導(dǎo)致胎鼠心臟畸形［6］。近年來(lái)，研究者逐漸認(rèn)識(shí)到單個(gè)位點(diǎn)的修飾無(wú)法解釋組蛋白對(duì)基因表達(dá)影響;位點(diǎn)間的相互作用以及各位點(diǎn)修飾狀態(tài)的組合，是構(gòu)成組蛋白調(diào)控基因表達(dá)的主要基礎(chǔ)［7，8］。組蛋白H3K27與其相鄰的第28位點(diǎn)絲氨酸殘基(S28)已被證實(shí)具有相互作用;S28的磷酸化(S28ph)狀態(tài)可影響K27位點(diǎn)的修飾狀態(tài)，從而影響基因的表達(dá)調(diào)控［8，9］。本研究以C2C12細(xì)胞為研究對(duì)象，用廣譜的組蛋白去乙?；?HDACs)抑制劑丁酸鈉、組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(HATs)抑制劑姜黃素及蛋白激酶C(PKC)的強(qiáng)激活物佛波酯［14］干預(yù)細(xì)胞，通過(guò)Western Blot檢測(cè)C2C12細(xì)胞組蛋白H3K27的乙?；虷3S28的磷酸化水平，用RT-PCR檢測(cè)干預(yù)后細(xì)胞心臟發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)變化，從而探討H3K27和H3S28位點(diǎn)修飾在CHD發(fā)病中的可能機(jī)制。

1 方法

1.1 材料 C2C12細(xì)胞購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院細(xì)胞庫(kù);高糖DMEM細(xì)胞培養(yǎng)基購(gòu)自美國(guó)HyClone公司;胎牛血清及青霉素鏈霉素雙抗購(gòu)自美國(guó)Invitrogen公司;丁酸鈉、姜黃素購(gòu)自Sigma公司;H3K28ac及H3S28ph抗體購(gòu)自Cell SignalTechnology公司;β肌動(dòng)蛋白(內(nèi)參)抗體購(gòu)自Abcam公司;蛋白酶抑制劑(PIC)及磷酸酶抑制劑(PI)購(gòu)自美國(guó)Roche公司;蛋白定量試劑盒及Western顯影試劑盒購(gòu)自LifeTechnology公司;30%聚丙烯酰胺凝膠和硝酸纖維薄膜購(gòu)自美國(guó)伯樂(lè)公司;RIPA(強(qiáng))裂解液及Western Blot其他試劑購(gòu)自上海威奧生物科技有限公司;Trizol試劑購(gòu)自美國(guó)Invitrogen公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒和SYBR Green Real-time PCR Master Mix購(gòu)自日本Takara公司;Real-time PCR儀(ABI-7900)為美國(guó)ABI公司產(chǎn)品。

1.2 細(xì)胞培養(yǎng) C2C12細(xì)胞復(fù)蘇后接種于10cm2培養(yǎng)皿，加入含10%FBS及1%雙抗的高糖DMEM培養(yǎng)基，置37℃5%CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)。胰酶消化處理后傳代;傳代細(xì)胞長(zhǎng)滿后接種于12孔培養(yǎng)板，待細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)后進(jìn)行干預(yù)。

1.3 分組和細(xì)胞處理 設(shè)丁酸鈉組、姜黃素組、佛波酯組和對(duì)照組。丁酸鈉以超純水溶解，姜黃素、佛波酯溶于DMSO溶劑，并調(diào)整DMSO濃度為1/1000。藥物處理接種于12孔板的細(xì)胞:丁酸鈉濃度為50mmol·mL-1，姜黃素濃度為25μmol·mL-1，佛波酯濃度為50nmol·mL-1，均做3復(fù)孔;對(duì)照組和丁酸鈉組加入含0.1%DMSO的培養(yǎng)基。加藥后的細(xì)胞置于培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)24h后收集細(xì)胞并用PBS洗滌沉淀，行H3K27ac、H3S28ph和心臟發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)檢測(cè)。

1.4 Western Blot檢測(cè)組蛋白H3K27ac與H3S28ph水平在RIPA(強(qiáng))裂解液中加入0.1%蛋白酶抑制劑及2%磷酸酶抑制劑。取洗滌后細(xì)胞沉淀，加入100μL裂解液，充分吹打混勻，置冰裂解。裂解后離心分離沉淀，取上清液用試劑盒定量。定量后蛋白加入5×Loading上樣緩沖液并配制為終濃度1mg·mL-1。制作濃縮膠與分離膠，加入蛋白樣品并加入一個(gè)泳道的蛋白分子量Marker;在電泳槽中以130V電壓電泳約70min。切取分離膠轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)膜槽，以0.35mA電流轉(zhuǎn)膜90min，將蛋白及Marker轉(zhuǎn)至硝酸纖維膜。以立春紅染料染硝酸纖維膜，并根據(jù)Marker剪取目標(biāo)分子量的膜上條帶(組蛋白H325kD，β-肌動(dòng)蛋白45kD)。洗滌后加入5%脫脂奶粉封閉非特異性抗原1h。加一抗置4℃冰箱孵育過(guò)夜。次日洗滌后加入二抗室溫孵育1h，洗凈二抗。用顯影試劑盒顯影，并用Las3000成像系統(tǒng)曝光拍照。用bandleader軟件進(jìn)行灰度掃描并計(jì)算目的條帶與內(nèi)參的灰度比值。

1.5 細(xì)胞總RNA抽提及反轉(zhuǎn)錄 采用Trizol法抽提總RNA。在洗滌后的細(xì)胞中加入1mLTrizol試劑，吹打混勻后置冰裂解完全。加入氯仿混勻離心，分離水相。加入預(yù)冷異丙醇沉淀RNA并離心，并用75%乙醇洗滌沉淀。沉淀干燥后加入DEPC水溶解沉淀。用紫外分光光度法測(cè)定RNA濃度;1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)RNA質(zhì)量(有3條帶為質(zhì)量良好)。抽提后的總RNA用TAKARA逆轉(zhuǎn)錄試劑盒進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA。

1.6 引物合成及實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-PCR)檢測(cè)基因表達(dá) 采用IDTdna公司提供的在線Realtime引物設(shè)計(jì)軟件，對(duì)參與心臟發(fā)育過(guò)程的代表基因設(shè)計(jì)引物(表1)，擴(kuò)增片段均跨外顯子，片段長(zhǎng)度為100～200 bp。8個(gè)候選基因包括心臟發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子家族(TBX2，GATA4，Sxi1)、信號(hào)通路基因(Bmp2，TGFβ2)以及心臟特異性基因(Nkx2.5，cTnT，Cx43)。PCR反應(yīng)體系10μL:RT-PCR 引物1μL、cDNA 2μL(含1μg cDNA)，超純水2μL，SYBR Green Real-time PCR Master Mix 5μL。反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性120s;PCR循環(huán):95℃5s，60℃30s，擴(kuò)增40個(gè)循環(huán)。反應(yīng)完成后，采用SDS 2.3軟件輸出結(jié)果。

1.7 丁酸鈉和姜黃素濃度梯度處理細(xì)胞 對(duì)2種及以上藥物處理基因表達(dá)與對(duì)照組相比有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的基因，進(jìn)一步行藥物濃度梯度處理。在培養(yǎng)細(xì)胞中加入不同濃度的丁酸鈉(0、1、10和100mmol·mL-1)及姜黃素(0、0.1、1和10μmol·mL-1)，并調(diào)整DMSO濃度為1/1 000。每個(gè)濃度均做3復(fù)孔，加藥后處理1.3項(xiàng)下，行H3K27ac、S28ph水平和心臟發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)檢測(cè)。

1.8 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 用GraphPad Prism5軟件分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。計(jì)量資料以±s表示。RT-PCR結(jié)果及Western灰度掃描結(jié)果采用單因素方差分析，組間差異用Bonferroni法比較。藥物濃度與H3K27ac、S28ph水平和心臟發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)檢驗(yàn)，(P＜0.05)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 實(shí)時(shí)熒光定量PCR引物序列Tab 1The sequences of primers in realtime PCR

2 結(jié)果

2.1 藥物細(xì)胞生長(zhǎng)情況 加藥后用倒置相差顯微鏡觀察處理細(xì)胞。細(xì)胞狀況良好，大多貼壁生長(zhǎng)，細(xì)胞形態(tài)成多角形，細(xì)胞核清晰可見(jiàn)。丁酸鈉100mmol·mL-1處理后細(xì)胞有部分死亡漂起，貼壁細(xì)胞較其他組略少，細(xì)胞形態(tài)尚可，無(wú)大面積死亡現(xiàn)象。

2.2 藥物處理后細(xì)胞整體組蛋白修飾水平變化 圖1顯示，丁酸鈉組H3K27ac水平在4組中最高，姜黃素組H3K27ac水平在4組中最低，丁酸鈉組H3S28ph水平明顯低于其他3組。單因素方差分析顯示，4組間H3K27ac、H3S28ph水平差異總體上有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義((P＜0.001))，Bonferroni檢驗(yàn)提示丁酸鈉組、姜黃素組、佛波酯組H3K27ac和H3S28ph水平分別與對(duì)照組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，H3K27ac:(1.90±0.04)、(0.04±0.00)、(1.67±0.00)vs(1.09±0.01)，(P＜0.05);H3S28ph:(0.04±0.01)、(0.97±0.06)、(1.58±0.03)vs(0.73±0.01)，(P＜0.05)。

圖1 4組組蛋白H3K27ac及H3S28ph Western BlotFig 1 Histone H3K27ac and H3S28ph examined by Western blot of 4 groups

2.3 藥物處理后細(xì)胞心臟發(fā)育相關(guān)基因表達(dá) RT-PCR結(jié)果顯示(表2)，8個(gè)心臟發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)4組間差異總體上有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;相較于對(duì)照組，丁酸鈉組有表達(dá)差異的基因6個(gè)(Cx43、cTnT、Nkx2.5、TBX2、Gata4 和Six1)，姜黃素和佛波酯組有表達(dá)差異的基因分別為3個(gè)(cTnT、Six1、Tgfb2)和 4 個(gè)(Bmp2、cTnT、Gata4、Six1)。其中，cTnT基因?qū)τ?種藥物處理產(chǎn)生的表達(dá)改變與對(duì)照組差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，丁酸鈉組cTnT表達(dá)顯著低于對(duì)照組((P＜0.05))，姜黃素與佛波酯組的cTnT表達(dá)顯著高于對(duì)照組((P＜0.05))。Cx43基因及Six1基因分別對(duì)2種藥物處理有明顯表達(dá)變化;丁酸鈉組Cx43基因表達(dá)較對(duì)照組明顯降低((P＜0.05))，佛波酯組Cx43基因表達(dá)明顯上升((P＜0.05));姜黃素與佛波酯處理后的Six1基因表達(dá)較對(duì)照組明顯升高((P＜0.05))，上述3個(gè)基因進(jìn)入后續(xù)藥物濃度梯度分析。

表2 4組心臟發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)(±s)Tab 2 Heartdevelopment related genes'expressions after treatments in 4 groups(±s)

表2 4組心臟發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)(±s)Tab 2 Heartdevelopment related genes'expressions after treatments in 4 groups(±s)

Group Cx43 Bmp2 Gata4Tgfb2 Nkx2.5TBX2 cTnT Six1 Control 1.30±0.44 1.25±0.37 1.32±0.28 1.76±0.79 0.85±0.22 0.94±0.34 1.18±0.140.78±0.14 Sodium butyrate 0.47±0.06 3.26±1.52 2.39±0.19 1.36±0.35 3.62±1.09 14.81±5.30 0.11±0.02 0.46±0.09 Curcumin 1.46±0.12 7.28±2.32 1.76±0.25 5.33±2.15 1.13±0.33 2.26±1.89 2.21±0.45 1.27±0.36 Phorbol ester 2.04±0.77 4.72±1.72 1.89±0.14 2.91±0.46 1.23±0.65 1.25±0.54 2.10±0.35 1.57±0.12 F 75.23 6.889 11.85 6.837 11.19 16.7 33.36 17.02 (P＜0.001) 0.017 0.002 6 0.013 4 0.003 1 0.000 8 ＜0.000 10.000 8

2.4 藥物濃度梯度處理C2C12細(xì)胞后組蛋白修飾變化及基因表達(dá)的變化 Western Blot結(jié)果顯示，隨著丁酸鈉濃度增加，H3K27ac水平顯著升高，H3S28ph水平明顯降低;姜黃素濃度梯度處理后H3K27ac、H3S28ph水平變化趨勢(shì)與丁酸鈉相反(圖2)。cTnT、Cx43及Six1基因表達(dá)結(jié)果顯示，cTnT基因表達(dá)隨丁酸鈉濃度升高有降低趨勢(shì)，隨著姜黃素濃度升高有表達(dá)上升的趨勢(shì);Cx43隨丁酸鈉濃度升高表達(dá)呈顯著下降趨勢(shì)((P＜0.01))，姜黃素濃度升高對(duì)其表達(dá)影響不明顯;Six1基因隨丁酸鈉濃度升高表達(dá)呈降低趨勢(shì)，姜黃素濃度升高后表達(dá)呈現(xiàn)升高趨勢(shì)(表3)。

圖2 丁酸鈉和姜黃素濃度梯度處理H3K27ac及S28ph Western BlotFig 2 Histone H3K27ac and H3S28ph examined by Western blot after sodium butyrate and curcumin treatment

表3 丁酸鈉及姜黃素梯度處理后基因表達(dá)變化(±s)Tab 3 Heartdevelopment related genes'expressions after NaB and curcumin ladder(±s)

表3 丁酸鈉及姜黃素梯度處理后基因表達(dá)變化(±s)Tab 3 Heartdevelopment related genes'expressions after NaB and curcumin ladder(±s)

cTnT Cx43Six1 Sodium butyrate/mmol·L-1 0 0.65±0.11 0.55±0.18 0.68±0.26 1 0.29±0.03 0.37±0.05 0.40±0.11 10 0.02±0.01 0.06±0.02 0.09±0.03 100 0.01±0.003 0.04±0.02 0.07±0.03 F 82.958 21.88 12.319 (P＜0.001) ＜0.001 ＜0.05 Curcumin/μmol·L-1 0 0.65±0.11 0.36±0.27 0.68±0.26 1 1.04±0.51 0.21±0.23 0.87±0.36 10 1.33±0.37 0.04±0.03 1.19±0.30 100 1.27±0.27 0.03±0.02 1.28±0.27 F 2.315 5.321 2.614 P 0.152 0.0230.123

相關(guān)性分析顯示，組蛋白H3K27ac水平與丁酸鈉濃度的指數(shù)呈正相關(guān)(R2=0.963)，H3S28ph水平與丁酸鈉濃度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)(R2=0.993);H3K27ac水平與姜黃素濃度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)(R2=0.966)，H3S28ph與姜黃素濃度指數(shù)呈正相關(guān)(R2=0.930)。

對(duì)組蛋白的總體修飾水平與cTnT、Cx43和Six1基因的表達(dá)相關(guān)分析顯示，丁酸鈉濃度梯度處理的H3K27ac水平與3個(gè)基因表達(dá)均呈負(fù)相關(guān)(R2分別為0.709、0.713和0.651)，H3S28ph水平與3個(gè)基因表達(dá)均呈正相關(guān)(R2分別為0.866、0.822和0.766);姜黃素濃度梯度處理的H3K27ac、H3S28ph3水平與3個(gè)基因表達(dá)均無(wú)明顯相關(guān)性(R2均＜0.5)。

3 討論

CHD發(fā)生機(jī)制在很大程度上受到非遺傳因素影響。環(huán)境因素是主要的非遺傳致病因素。既往研究證實(shí)，宮內(nèi)感染、孕期藥物使用、吸煙、孕婦酗酒、高海拔缺氧等環(huán)境因素與CHD發(fā)病存在關(guān)聯(lián)［2，10～12］。環(huán)境致病因素暴露，伴有心臟基因表達(dá)變化和組蛋白乙?；礁淖儯?1，12］。組蛋白修飾在心臟發(fā)育過(guò)程中參與了包括基因表達(dá)水平調(diào)節(jié)及基因的時(shí)序表達(dá)等重要過(guò)程。組蛋白修飾狀態(tài)與基因表達(dá)調(diào)控的因果關(guān)系目前尚無(wú)明確結(jié)論。一方面組蛋白的乙?；土姿峄揎椩诨虮磉_(dá)過(guò)程中處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程［2］，另一方面組蛋白甲基化修飾與表觀沉默機(jī)制的深入研究明確了組蛋白修飾是某些特定基因表觀沉默的成因或條件［13］。多項(xiàng)前期研究表明組蛋白修飾水平異常與CHD存在關(guān)聯(lián)［5，6，9，13］。

組蛋白H3K27ac通常被認(rèn)為是基因激活和表達(dá)的標(biāo)志。近期研究表明，組蛋白H3S28ph修飾影響K27位點(diǎn)的修飾狀態(tài)，人為磷酸化S28能夠使得K27位點(diǎn)三甲基化沉默修飾失效并導(dǎo)致K27磷酸化和沉默基因重新表達(dá)［8，14］。有學(xué)者提出組蛋白H3K27與S28位點(diǎn)修飾狀態(tài)及其調(diào)控類似細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。研究K27與S28位點(diǎn)的修飾狀態(tài)及其對(duì)心臟發(fā)育相關(guān)基因的影響，可以揭示本課題組前期發(fā)現(xiàn)的CHD心肌組織存在的組蛋白乙?；惓Ｒ约霸摻M蛋白通路在CHD發(fā)病中的可能機(jī)制。

本研究Western blot結(jié)果顯示，丁酸鈉處理的C2C12細(xì)胞H3K27ac水平升高，伴H3S28ph水平的下降;相反，姜黃素組的H3K27ac水平明顯降低，H3S2ph水平明顯提高。佛波酯組顯示H3S28ph顯著升高伴H3K27ac水平升高。既往研究表明磷酸化組蛋白H3S28位點(diǎn)促進(jìn)K27ac，姜黃素抑制HATs之后，S28ph水平異常升高，提示S28ph可能是反饋性上調(diào)以促進(jìn)K27ac。目前尚缺乏對(duì)K27位點(diǎn)去乙酰化機(jī)制的研究;本研究結(jié)果顯示丁酸鈉抑制HDACs后，K27位點(diǎn)去乙酰化受阻，S28位點(diǎn)磷酸化明顯降低，提示S28ph可能參與K27ac機(jī)制。因此，預(yù)測(cè)S28磷酸化狀態(tài)可能是組蛋白H3K27S28通路的調(diào)控節(jié)點(diǎn)，S28位點(diǎn)是否發(fā)生磷酸化是決定K27位點(diǎn)是否發(fā)生乙?；臈l件，從而調(diào)節(jié)了基因表達(dá)調(diào)控。然而上述結(jié)論是基于總體組蛋白的修飾水平，并未具體到某一個(gè)組蛋白H3分子或發(fā)生K27S28位點(diǎn)共同修飾的組蛋白所占的比例，因此無(wú)法證實(shí)該機(jī)制是否存在，需要進(jìn)一步研究。

丁酸鈉與姜黃素濃度梯度處理后，C2C12細(xì)胞的組蛋白修飾狀態(tài)均產(chǎn)生與藥物濃度相關(guān)的變化。相關(guān)性分析表明，H3K27ac、H3S28ph水平與丁酸鈉及姜黃素劑量的指數(shù)在本實(shí)驗(yàn)濃度內(nèi)有很高的相關(guān)性，證實(shí)了通過(guò)控制丁酸鈉與姜黃素濃度，能夠使得總體組蛋白H3K27乙酰化水平產(chǎn)生變化，同時(shí)影響其相鄰的S28位點(diǎn)磷酸化作用。

本研究顯示，丁酸鈉組組蛋白高乙酰化修飾狀態(tài)導(dǎo)致了8個(gè)被檢測(cè)基因中6個(gè)發(fā)生了表達(dá)改變，姜黃素和佛波酯也分別通過(guò)影響組蛋白修飾導(dǎo)致3～4個(gè)基因表達(dá)改變。提示改變組蛋白H3K27S28整體修飾狀態(tài)，能夠改變心臟相關(guān)基因的表達(dá)，這與本課題組前期的研究［5］結(jié)果一致，并提示總體組蛋白修飾狀態(tài)對(duì)CHD發(fā)病的影響，可能是通過(guò)影響心臟相關(guān)基因的正常表達(dá)。在丁酸鈉梯度處理的細(xì)胞中，cTnT、Cx43和Six1基因表達(dá)與H3K27ac和S28ph存在相關(guān)性，但姜黃素組中未觀察到顯著相關(guān)性，因此無(wú)法確定被檢測(cè)基因表達(dá)與這2個(gè)位點(diǎn)的某一修飾狀態(tài)間是否存在相關(guān)性。另外，由于總體組蛋白修飾水平不能等同于某一特定基因上的組蛋白修飾狀態(tài)，也無(wú)法確定被檢測(cè)基因的確切組蛋白修飾情況，需要更深入的研究。

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