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    基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)的敦煌顫震方保護(hù)PD陰虛動風(fēng)證大鼠DA能神經(jīng)元的機(jī)制研究

    2021-07-13 03:12孫雪梁建慶何建成馬利芳
    關(guān)鍵詞:帕金森病

    孫雪 梁建慶 何建成 馬利芳

    【摘 要】 目的:探討敦煌顫震方對PD陰虛動風(fēng)證大鼠DA能神經(jīng)元的保護(hù)機(jī)制。方法:根據(jù)大鼠腦立體定位圖譜,確定右側(cè)黑質(zhì)二點坐標(biāo),6-OHDA腦立體定位注射法構(gòu)建PD陰虛動風(fēng)證模型。采用分層隨機(jī)法將12只PD陰虛動風(fēng)證模型大鼠分為2組:模型組,敦煌顫震方組(14 g/kg),每組6只;另取6只大鼠不作造模處理設(shè)為正常組。敦煌顫震方組用0.9%氯化鈉溶液溶解,每天灌胃1次;正常組和模型組以等體積0.9%氯化鈉溶液(2 mL/只)灌胃,連續(xù)灌胃6周。處死大鼠,取右側(cè)黑質(zhì)及紋狀體組織,提取總RNA,IlluminaHi Seq平臺測序,檢測各組大鼠所有基因轉(zhuǎn)錄本的差異表達(dá),篩選出與DA能神經(jīng)元保護(hù)機(jī)制相關(guān)的信號通路及代謝途徑。結(jié)果:轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)分析顯示:正常組和模型組(右側(cè)黑質(zhì)/右側(cè)紋狀體)之間共篩選出143/149個顯著性差異表達(dá)基因,其中78/86個基因上調(diào)表達(dá),65/63個基因下調(diào)表達(dá)。經(jīng)過敦煌顫震方治療后,差異基因的表達(dá)富集程度明顯降低, PD模型大鼠PI3K-Akt、MAPK、cAMP、TNF、cGMP-PKG信號通路表達(dá)被抑制,氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素B6等代謝途徑被激活。結(jié)論:敦煌顫震方對PD陰虛動風(fēng)證大鼠DA能神經(jīng)元具有一定的保護(hù)作用,其機(jī)制可能與調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬、細(xì)胞凋亡、神經(jīng)細(xì)胞再生、神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激、突觸可塑性、認(rèn)知功能、氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素B6等信號代謝通路有關(guān)。敦煌顫震方可望成為DA能神經(jīng)元保護(hù)劑。

    【關(guān)鍵詞】 帕金森病;敦煌顫震方;轉(zhuǎn)錄組學(xué);多巴胺能神經(jīng)元

    【中圖分類號】R285.5?? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A??? 【文章編號】1007-8517(2021)10-0014-08

    Study on the Mechanism of Dunhuang Tremor Prescription Protecting DA Neurons in PD Rats with Yin Deficiency and Moving Wind Syndrome based on Transcriptome

    SUN Xue1 LIANG Jianqing1,2* HE Jiancheng3 MA Lifang1

    1.School of Basic Medicine, Gansu University of? TCM,Lanzhou 730000, China;

    2. The Key Laboratory of the Ministry of Education of Dunhuang medicine and transformation,Lanzhou 730000,China;

    3. School of Basic Medicine, Shanghai University of TCM, Shanghai 201203, China

    Abstract:Objective To explore the protective mechanism of Dunhuang tremor prescription on DA neurons of PD rats with Yin deficiency and moving wind syndrome.Methods According to the stereotaxic map of the rat brain, the two-point coordinates of the right substantia nigra were determined, and the model of PD Yin deficiency and moving wind syndrome was established by 6-OHDA stereotaxic injection. Twelve PD rats with Yin deficiency and moving wind syndrome were randomly divided into two groups: model group, Dunhuang tremor prescription group (14 g / kg), 6 rats in each group; another 6 rats were not treated as normal group. Dunhuang tremor prescription group was dissolved with 0.9% sodium chloride solution and administered to the stomach once a day; the normal group and the model group were administered with 0.9% sodium chloride solution of equal volume (2 mL/animal) for 6 weeks. Rats were killed, the right substantia nigra and striatum tissues were taken, total RNA was extracted and sequenced by illuminahi SEQ platform, the differential expression of all gene transcripts in each group was detected, and the signal pathway and metabolic pathway related to the protection mechanism of DA neurons were screened.Results The analysis of transcription data showed that 143 / 149 differentially expressed genes were screened between the normal group and the model group (right substantia nigra / right striatum), of which 78 / 86 genes were up-regulated and 65 / 63 genes were down regulated. After the treatment of Dunhuang tremor prescription, the expression of differential genes was significantly reduced, the expression of PI3K Akt, MAPK, camp, TNF, cgmp-pkg signaling pathway was inhibited, and the metabolic pathways of amino acid, protein and vitamin B6 were activated.Conclusion Dunhuang tremor prescription has a certain protective effect on DA neurons of PD rats with Yin deficiency and moving wind syndrome. Its mechanism may be related to the regulation of signal metabolic pathways such as autophagy, apoptosis, nerve cell regeneration, neuroinflammation, oxidative stress, synaptic plasticity, cognitive function, amino acid, protein, and vitamin B6. Dunhuang tremor prescription is expected to be a protective agent for DA neurons.

    Keywords:Parkinsons Disease; Dunhuang Tremor Prescription;Transcriptome;Dopaminergic Neuron

    帕金森?。≒arkinsons disease,PD)是全球第二大神經(jīng)退行性疾病,全世界現(xiàn)有約580萬PD患者,中國患病人數(shù)約為260萬,居世界第一位[1]。PD的主要病理特征是中腦黑質(zhì)致密部多巴胺(dopamine,DA)能神經(jīng)元變性缺失,導(dǎo)致紋狀體內(nèi)DA含量減少到80%以上,患者出現(xiàn)臨床癥狀[2]。明確DA能神經(jīng)元損傷的機(jī)制,對PD的防治具有重要意義。筆者利用Illumina HiSeq高通量測序平臺技術(shù),獲得正常組、模型組、敦煌顫震方組大鼠右側(cè)黑質(zhì)及紋狀體的轉(zhuǎn)錄組信息,對篩選得到的差異表達(dá)基因進(jìn)行KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)富集分析,旨在為深入探究DA能神經(jīng)元的存活方式以及對敦煌顫震方的藥理作用等分子應(yīng)答機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

    1 材料與方法

    1.1 實驗動物及條件 健康雄性SPF級SD大鼠,體質(zhì)量180~200g,鼠齡38~40周,18只,由甘肅中醫(yī)藥大學(xué)實驗動物中心提供,許可證號碼:SCXK(甘)2015-0002。飼養(yǎng)期間保持自由飲水和進(jìn)食,飼養(yǎng)環(huán)境溫度為(24±1)℃,濕度為(55±5)%,實驗前適應(yīng)性喂養(yǎng)1周。

    1.2 主要試劑和儀器 6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine,6-OHDA, 批號:MKBP0832V)、阿撲嗎啡(apomorphine,APO,批號:SLBF6369V)、抗壞血酸(批號:063K1082):美國Sigma公司產(chǎn)品。戊巴比妥鈉(批號:WS20130212):上海中西藥業(yè)股份有限公司產(chǎn)品;慶大霉素(批號: 20230675):上海第一制藥廠產(chǎn)品,0.3 g/支。

    大鼠腦立體定位儀:RWD-68003型,深圳瑞沃德生命科技有限公司;高速冷凍離心機(jī):Multifuge IS-R,德國THERMO公司;超聲破碎儀:XL 2000,美國MISONIX公司;微量進(jìn)樣器:5 μL,上海第三分析儀器廠;漩渦混勻器:XW-80A,上海醫(yī)科大學(xué)儀器廠;分析天平:910324,Sartorius anglytic;秒表:926266,上海秒表廠。

    1.3 藥物制備 敦煌顫震方組成:山茱萸20 g,牛膝20 g,黃芪20 g,桂枝12 g,桃仁12 g,枳殼10 g,茯苓10 g,檳榔10 g,白蒺藜10 g。按既定工藝煎煮成湯藥,由甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中藥制藥實驗室提供。敦煌顫震方組的給藥劑量按人體每日用量換算成大鼠灌胃劑量,溶解于0.9%氯化鈉溶液,配制成相應(yīng)灌胃濃度[3]。

    1.4 模型制備、分組及給藥 采用Ungerstedt等[4]建立并經(jīng)過本課題組驗證的二點法進(jìn)行模型構(gòu)建[5-8]。術(shù)前按常規(guī)進(jìn)行行為測試,確認(rèn)無異常旋轉(zhuǎn)行為后,用3%戊巴比妥鈉50 mg/kg腹腔注射麻醉。然后將大鼠固定于腦立體定位儀上,頭部去毛,苯扎溴銨(商品名:新潔爾滅)常規(guī)消毒。無菌條件下,沿正中線切開大鼠顱頂皮膚,剝離骨膜,暴露前囟。以前囟為準(zhǔn),根據(jù)包新民等[6]著大鼠腦立體定位圖譜,確定右側(cè)黑質(zhì)二坐標(biāo):①前囟后5.2 mm,正中線右側(cè)1.0 mm,硬膜下9.0 mm。②前囟后5.2 mm,正中線右側(cè)2.5 mm,硬膜下8.5 mm。用顱骨鉆于手術(shù)要求部位小心鉆開顱骨,用5 μL微量進(jìn)樣器將6-OHDA(溶于含0.2%維生素C的生理鹽水中,即秤量藥品抗壞血酸0.001 g,溶于生理鹽水0.5 mL中)注入右側(cè)黑質(zhì)部(以1.0 mm/min速度緩慢進(jìn)針),每孔3 μL,注射速度為1 μL/min,注射完畢后留針5 min,然后以1.0 mm/min速度緩慢退針。手術(shù)完成后,用醫(yī)用明膠海綿填塞顱骨孔,縫合切口皮膚,肌肉注射慶大霉素7 d,待動物清醒后放回飼養(yǎng)籠中飼養(yǎng)。10 d后,以腹腔注射APO 0.5 mg/kg誘發(fā)大鼠向一側(cè)旋轉(zhuǎn),記錄開始旋轉(zhuǎn)至30 min內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù),以旋轉(zhuǎn)圈數(shù)平均7次/min者為合格的PD模型。

    模型制備成功后,采用分層隨機(jī)法將12只PD陰虛動風(fēng)證模型大鼠分為2組:模型組,敦煌顫震方組(14 g/kg),每組6只;另取6只大鼠不作造模處理設(shè)為正常組。敦煌顫震方組用0.9%氯化鈉溶液溶解,每天灌胃1次;正常組和模型組以等體積0.9%氯化鈉溶液(2 mL/只)灌胃,連續(xù)用藥6周。處死大鼠,取右側(cè)黑質(zhì)及紋狀體組織,液氮速凍后置于-80℃冰箱保存。本實驗中動物處置方法符合動物倫理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

    1.5 實驗指標(biāo)測定

    1.5.1 樣品檢測 Nanodrop檢測右側(cè)黑質(zhì)及紋狀體組織中RNA的純度(OD260/280)、濃度、核酸吸收峰;Agilent 2100檢測RNA的完整性,檢測指標(biāo)包括:RIN值、28S/18S、圖譜基線有無上抬、5S峰。

    1.5.2 文庫構(gòu)建 樣品檢測合格后,用帶有Oligo(dT)的磁珠富集真核生物mRNA,加入Fragmentation Buffer將mRNA進(jìn)行隨機(jī)打斷,以mRNA為模板,用六堿基隨機(jī)引物(random hexamers)合成第一條cDNA(complementary DNA)鏈,然后加入緩沖液、dNTPs(Dideoxynucleotide)、RNase H(Ribonuclease H)和DNA polymerase I合成第二條cDNA鏈,利用AMPure XP beads純化cDNA,純化的雙鏈cDNA再進(jìn)行末端修復(fù)、加A尾并連接測序接頭,然后用AMPure XP beads進(jìn)行片段大小選擇,最后通過PCR(Polymerase Chain Reaction)富集得到cDNA文庫。

    1.5.3 文庫質(zhì)控 使用Qubit 2.0進(jìn)行初步定量,使用Agilent 2100對文庫的insert size進(jìn)行檢測,insert size符合預(yù)期后才可進(jìn)行下一步實驗。Q-PCR方法對文庫的有效濃度進(jìn)行準(zhǔn)確定量(文庫有效濃度>2 nM),完成庫檢。

    1.5.4 上機(jī)測序 庫檢合格后,不同文庫按照目標(biāo)下機(jī)數(shù)據(jù)量進(jìn)行pooling,用IlluminaHi Seq平臺進(jìn)行測序。委托北京百邁客生物科技有限公司完成。

    1.6 生物信息學(xué)分析 將下機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾得到Clean Data,與指定的參考基因組進(jìn)行序列比對;根據(jù)基因在不同樣品組中的表達(dá)量進(jìn)行差異表達(dá)分析、差異表達(dá)基因KEGG注釋及通路富集分析。

    2 結(jié)果

    2.1 各組比對結(jié)果作圖 將各組大鼠比對到不同染色體上的Reads進(jìn)行位置分布統(tǒng)計,繪制Mapped Reads在所選參考基因組上的覆蓋深度分布圖,便于后續(xù)分析。如圖1所示。

    2.2 差異基因表達(dá)篩選火山圖 正常組和模型組(右側(cè)黑質(zhì)/右側(cè)紋狀體)之間有143/149個顯著性差異表達(dá)基因,其中78/86個基因上調(diào)表達(dá),65/63個基因下調(diào)表達(dá);正常組和敦煌顫震方組(右側(cè)黑質(zhì)/右側(cè)紋狀體)之間有83/91個顯著性差異表達(dá)基因,其中47/50個基因上調(diào)表達(dá),36/41個基因下調(diào)表達(dá);模型組和敦煌顫震方組(右側(cè)黑質(zhì)/右側(cè)紋狀體)之間有56/61個顯著性差異表達(dá)基因,其中31/31個基因上調(diào)表達(dá),25/30個基因下調(diào)表達(dá)。如圖2所示。

    2.3 差異基因表達(dá)篩選MA圖 通過MA圖可以直觀地查看兩組樣品之間差異基因表達(dá)水平的整體分布。具體結(jié)果見表1、圖3。

    2.4 差異表達(dá)基因KEGG注釋 對差異表達(dá)基因KEGG的注釋結(jié)果按照KEGG中通路類型進(jìn)行分類,分類結(jié)果如圖4所示。

    2.5 差異表達(dá)基因KEGG通路富集分析 通過KEGG富集分析得到:PI3K-Akt Signaling pathway(PI3K-Akt信號通路)、MAPK Signaling pathway(MAPK信號通路)、cAMP signaling pathway(cAMP信號通路) 、TNF signaling pathway(腫瘤壞死因子信號通路)、cGMP-PKG signaling pathway(cGMP-PKG信號通路)等通路, 這些均與PD相關(guān);還發(fā)現(xiàn)Valine, leucine and isoleucine degradation(纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解)、Protein digestion and absorption(蛋白質(zhì)消化吸收)、Vitamin B6 metabolism(維生素B6代謝)等途徑的差異顯著,說明這些代謝途徑極有可能與DA能神經(jīng)元分化相關(guān)。

    3 討論

    課題組以中西醫(yī)理論為基礎(chǔ),結(jié)合多年的臨床經(jīng)驗,認(rèn)為PD病在筋脈,與肝、脾、腎等臟關(guān)系密切?;静C(jī)為肝風(fēng)內(nèi)動,筋脈失養(yǎng)?!端貑枴ゐ粽摗吩唬骸案沃魃碇钅??!薄端貑枴ち?jié)臟象論》云:“肝者……其充在筋?!薄端貑枴そ?jīng)脈別論》道:“食氣入胃,散精于肝,淫氣于筋?!薄端貑枴ど瞎盘煺嬲摗氛J(rèn)為:“七八,肝氣衰,筋不能動?!备螢轱L(fēng)木之臟,其氣血虧虛,筋脈失養(yǎng),則肝風(fēng)內(nèi)動,筋脈不能任持自主,隨風(fēng)而動,牽動肢體及頭頸顫抖搖動?!端貑枴り庩枒?yīng)象大論》岐伯曰:“人年四十而陰氣自半也,起居衰矣?!备文I乙癸同源,年高體衰,腎精漸虧,或勞欲過度,致肝腎陰虛,腎虛髓減,腦髓不充,風(fēng)陽上擾,上盛下虛則高搖。肝木橫克脾土,可致痰濕內(nèi)生。日久可導(dǎo)致絡(luò)脈瘀阻,出現(xiàn)肢體僵硬,動作遲滯乏力之象。故本病的病理性質(zhì)為本虛標(biāo)實證,本虛為肝腎虧損,臟腑功能失調(diào);標(biāo)實為風(fēng)、痰、瘀互結(jié),蘊(yùn)塞腦竅。內(nèi)風(fēng)是本病病理演變過程中始終貫穿的因素之一,是發(fā)病的主要原因。故課題組提出“滋補(bǔ)肝腎、活血祛瘀、化痰消積”諸法合用是其治療法則。據(jù)此立法組方,充分挖掘敦煌醫(yī)學(xué)的文獻(xiàn)資料,研制了治療PD的中藥復(fù)方—敦煌顫震方[9]。該方由山茱萸、牛膝、黃芪、桂枝、桃仁、枳殼、茯苓、檳榔、白蒺藜組成,方中山茱萸性微溫味酸,歸肝、腎經(jīng),可補(bǔ)益肝腎、補(bǔ)精助陽。《日華子本草》認(rèn)為山茱萸善“暖腰膝,助水臟?!迸Oバ云轿犊嗨幔瑲w肝、腎經(jīng),可補(bǔ)肝腎、強(qiáng)筋骨、活血祛瘀。共為君藥;黃芪性微溫味甘,歸脾、肺經(jīng),可補(bǔ)氣生血、活血壯筋骨。桂枝性熱味辛甘,入心經(jīng),根據(jù)中醫(yī) “赤入心”的理論, 可助心陽、交心腎、暖腰膝、續(xù)筋骨、疏通血脈。二者配伍,可共奏活血祛瘀的作用。桃仁性平味苦,歸心、肝、肺、大腸經(jīng),可活血祛瘀。共為臣藥;枳殼性微寒味辛苦,歸脾、胃、大腸經(jīng),可破氣消積化痰。茯苓性平味甘淡,歸心、脾、腎經(jīng),可利水滲濕、健脾祛痰。檳榔性溫味辛苦,可行氣消積利水、導(dǎo)滯化痰。共為佐藥;白蒺藜性平味辛苦,歸肝經(jīng),可平肝疏肝、祛風(fēng)平顫,為使藥。上述諸藥合用,可滋補(bǔ)肝腎、活血祛瘀、化痰消積。

    本研究構(gòu)建PD陰虛動風(fēng)證大鼠模型[8],給敦煌顫震方灌胃干預(yù),并利用IlluminaHi Seq平臺進(jìn)行測序,對PD大鼠黑質(zhì)-紋狀體組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序,按照差異基因表達(dá)變化FDR≤0.01、log2 (Fold Change)≥|1|的原則,正常組和模型組(右側(cè)黑質(zhì)/右側(cè)紋狀體)之間共篩選出143/149個顯著性差異表達(dá)基因,其中78/86個基因上調(diào)表達(dá),65/63個基因下調(diào)表達(dá)。敦煌顫震方組明顯抑制了差異基因的表達(dá)富集程度。根據(jù)報道,PI3K-Akt信號通路在PD模型小鼠中被激活,抑制體內(nèi)細(xì)胞自噬、促進(jìn)細(xì)胞凋亡[10]。MAPK信號通路激活與氧化應(yīng)激引起的PD細(xì)胞凋亡存在著密切聯(lián)系,若能抑制MAPK信號通路的激活則可能抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡[11]。cAMP信號通路中cAMP(Cyclic adenosine monophosphate)作為一個經(jīng)典的第二信使,參與機(jī)體的所有生理和病理活動[12]。cAMP表達(dá)水平升高,可能通過促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞存活、再生、分化,從而保護(hù)小鼠的認(rèn)知功能[13]。TNF信號通路在PD的炎癥病理過程中起著重要作用。在PD 患者腦脊液和黑質(zhì)-紋狀體系統(tǒng)中,TNF-α表達(dá)量較健康對照組增高,提示TNF-α對DA 能神經(jīng)元造成了損害[14]。近年來,有關(guān)cGMP-PKG信號通路信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的知識不斷涌現(xiàn),cGMP的作用機(jī)制可能涉及調(diào)節(jié)神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、突觸可塑性和認(rèn)知功能[15]。經(jīng)過敦煌顫震方治療后,抑制PD模型大鼠上述信號通路的活化,調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬、細(xì)胞凋亡、神經(jīng)細(xì)胞再生、神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激、突觸可塑性和認(rèn)知功能等,這可能是敦煌顫震方發(fā)揮抗PD作用的機(jī)制。還發(fā)現(xiàn)氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素B6等代謝途徑與DA能神經(jīng)元的存活有關(guān)。半個世紀(jì)以來,DA替代藥物左旋多巴-直是PD的臨床主導(dǎo)用藥,然而該藥長期應(yīng)用會引起患者癥狀波動和運(yùn)動障礙[16]。本研究結(jié)果顯示,敦煌顫震方可望成為DA能神經(jīng)元保護(hù)劑,可再生與修復(fù)變性的DA能神經(jīng)元,值得進(jìn)一步研究。

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    (收稿日期:2020-09-17 編輯:程鵬飛)

    基金項目:國家自然科學(xué)基金(No.81573899,No.81660767);敦煌醫(yī)學(xué)與轉(zhuǎn)化教育部重點實驗室開放課題(No.DHYX1516-08,No.DHYX18-08);甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中青年科研基金(No.ZQ2015-17);甘肅中醫(yī)藥大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動基金(2016YJRC-07)。

    作者簡介:孫雪(1994-),女,漢族,碩士研究生在讀,住院醫(yī)師,研究方向為中醫(yī)藥防治帕金森病。E-mail:929988026@qq.com

    通信作者:梁建慶(1976-),男,漢族,博士,副教授,副主任醫(yī)師,碩士生導(dǎo)師,研究方向為中醫(yī)藥防治帕金森病。E-mail:1766424015@qq.com

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