劉 俐,耿子龍,陳嘉煥,張沙沙,張 冰
上海交通大學(xué)系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究院,系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240
血管新生是指在已有的血管基礎(chǔ)上形成新血管的過程[1],該過程往往與許多癌癥和心血管疾病的發(fā)生發(fā)展緊密相關(guān)。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelia growth factor,VEGF)是最重要的生長(zhǎng)因子之一[2],已有研究表明VEGF 及其相關(guān)受體VEGFR (VEGF receptor)在調(diào)節(jié)血管形成的過程中起著關(guān)鍵作用。其二者的結(jié)合可激活下游信號(hào)通路,誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移與血管形成[3]。VEGF 家族包括VEGFA、VEGFB、VEGFC、VEGFD、VEGFE 和胎盤生長(zhǎng)因子(placental growth factor,PIGF)[4]。VEGFA 是該家族中誘導(dǎo)血管形成作用最強(qiáng)、特異性最高的血管生長(zhǎng)因子,是血管發(fā)生和造血系統(tǒng)中的關(guān)鍵調(diào)控因子[5]。
微小RNA(microRNA,miRNA)是一類進(jìn)化上高度保守的非編碼單鏈小RNA,長(zhǎng)度為18~25 個(gè)核苷酸[6],結(jié)合靶mRNA 的3′端非翻譯區(qū)(3′-untranslated region,3′-UTR)后,可降解靶mRNA 或抑制其翻譯。成熟的miRNA 能在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工修飾等階段調(diào)控基因表達(dá)[7]。miRNAs參與多種細(xì)胞過程,如分化、細(xì)胞周期調(diào)控、代謝和凋亡等。近年來miRNA 異常表達(dá)已被證實(shí)與血管新生相關(guān)疾病有關(guān),如部分癌癥和心血管疾?。?-9]。因此,探究miRNA 對(duì)血管新生的調(diào)控能夠幫助人們更深入地了解微血管異常生長(zhǎng)性疾病的發(fā)生機(jī)制,為相關(guān)疾病的治療提供新的思路和靶標(biāo)。本課題組前期研究[10]已證實(shí),VEGFA 刺激能引起人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endothelial cell,HUVEC)轉(zhuǎn)錄水平顯著變化,共發(fā)現(xiàn)874 個(gè)mRNAs 和61 個(gè)長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNAs,lncRNAs)發(fā)生顯著差異表達(dá)。但是,與IncRNA 和mRNA 關(guān)系密切的miRNA 在VEGFA 刺激后的變化尚未清晰。
基于此,本研究探索在VEGFA 刺激下HUVEC 內(nèi)miRNA 的動(dòng)態(tài)性,分析動(dòng)態(tài)表達(dá)的miRNA 與其靶基因的調(diào)控,并討論miRNA與血管新生的調(diào)控關(guān)系。
從美國(guó)Lonza 公司購(gòu)買的原代HUVEC 在EGM2 完全培養(yǎng)基(CC-3162,Lonza,美國(guó))中生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)前1 d,將HUVEC用全培養(yǎng)基鋪板,待細(xì)胞融合度達(dá)90%左右時(shí)換成低血清無生長(zhǎng)因子培養(yǎng)液(EBM2+1%血清);過夜饑餓培養(yǎng)使細(xì)胞的VEGFA 耗盡,第2 日加入50 ng/mL 的VEGFA-165(VEGFA 最主要的活性剪切體)刺激,在添加VEFGA-165后的0(未處理)、1、4和12 h收集細(xì)胞用于下游分析。
使用具有柱上脫氧核糖核酸酶Ⅰ消化功能的PurelinkTMmiRNA 試劑盒(Life Technologies,美國(guó))收集HUVEC 的miRNA。使用nCounter Human Ⅴ2 miRNA表達(dá)測(cè)定試劑盒(Nano String Technologies,美國(guó)),檢測(cè)818 條帶注釋的人類miRNA 的探針,即每個(gè)時(shí)間點(diǎn)做2 組生物學(xué)重復(fù),并對(duì)每組獲取的miRNA 進(jìn)行測(cè)定。
NanoString nCounter 分析可測(cè)量818 種內(nèi)源性miRNA。此外,還有6 個(gè)陽(yáng)性對(duì)照探針、6 個(gè)陰性對(duì)照探針、5 個(gè)管家對(duì)照探針以及5 個(gè)插入對(duì)照探針。DESeq R包[11]用于數(shù)據(jù)歸一化和差異性表達(dá)分析。去除計(jì)數(shù)值在任何時(shí)間點(diǎn)均小于陰性對(duì)照平均計(jì)數(shù)值的內(nèi)源性miRNA。使用Wald成對(duì)檢驗(yàn);與0 h 比較,P<0.05 的miRNA 作為差異性表達(dá)miRNA(miDEGs),并根據(jù)其瞬時(shí)表達(dá)模式將miDEGs分為3個(gè)簇。
由于檢測(cè)得到的miDEGs 中多數(shù)miRNA 未曾報(bào)道,因此其可能的功能需要通過對(duì)下游靶基因做功能預(yù)測(cè)分析。miRTargetLink Human 是一個(gè)在線的以交互作用網(wǎng)絡(luò)形式提供人源miRNA-mRNA 相互作用的詳細(xì)信息網(wǎng)站。使用miRTargetLink Human網(wǎng)站默認(rèn)的設(shè)置,預(yù)測(cè)miRNA的靶基因。以查詢miR-221 靶mRNA 為例:點(diǎn)擊“search by microRNA”,填寫“miRNA-221”,選擇“hsa-miRNA-221-3p”,網(wǎng)站會(huì)自動(dòng)呈現(xiàn)出互作網(wǎng)絡(luò),包括64 個(gè)強(qiáng)關(guān)系的互作、293 個(gè)弱關(guān)系的互作、91 個(gè)預(yù)測(cè)(未經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí))的互作關(guān)系。
使用DAVID(Database for Annotation,Visualization and Integrated Discovery)資源庫(kù)[12]對(duì)VEGFA 刺激后差異表達(dá)的miRNA 進(jìn)行基因本體數(shù)據(jù)庫(kù)(gene ontology,GO)富集分析和京都基因與基因組百科全書(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路分析。綜合miDEGs 的靶基因交集,根據(jù)GO 注釋中的生物學(xué)過程進(jìn)行注釋層次分類和富集分析,用Fisher精確分析,得到基因集合相對(duì)于背景具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的高頻率注釋;基于KEGG的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集分析預(yù)測(cè)miDEGs的靶基因功能,從而推導(dǎo)上游miDEGs 相關(guān)功能。以P<0.05 為顯著性閾值。
構(gòu)建miDEGs與其靶基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)可以更直觀地顯示miDEGs 與靶基因互作關(guān)系,尋找關(guān)鍵miDEGs。使用Cytoscape 軟件構(gòu)建miDEGs-靶基因相互作用網(wǎng)絡(luò),并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的連接(degree)值。
實(shí)驗(yàn)重復(fù)2 次,所得的數(shù)據(jù)使用GraphPad Prism 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用負(fù)二項(xiàng)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)驗(yàn)證。所有數(shù)據(jù)采用±s表示,P<0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
基于NanoString結(jié)果,共計(jì)有173個(gè)miRNA表達(dá)。與0 h(未處理)相比,在VEGFA 刺激后1、4 和12 h,有39 個(gè)miRNA 的表達(dá)量發(fā)生了顯著差異性變化(絕對(duì)差異倍數(shù)≥2,P<0.05)。使用miRTargetLink Human在線平臺(tái)依次查找這39個(gè)miDEGs的靶基因,共計(jì)有129個(gè)靶mRNA(圖1),其中有17.05%(22/129)的mRNA 在我們前期基于相同HUVEC 血管新生模型的RNA-Seq 數(shù)據(jù)[10]中呈差異表達(dá)。
圖1 miDEGs的靶基因Fig 1 Target genes of miDEGs
根據(jù)這4個(gè)時(shí)間點(diǎn)表達(dá)量的不同,將相同變化趨勢(shì)的miRNA聚類在一起(圖2,矯正P<0.01;n=2)。
圖2 差異性表達(dá)miRNAs(miDEGs)的熱圖Fig 2 Heat map of differentially expressed miRNAs(miDEGs)
結(jié)果顯示這些miDEGs在細(xì)胞增殖正調(diào)控、細(xì)胞缺氧應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞遷移正調(diào)控、傷口愈合、上皮細(xì)胞增殖正調(diào)控、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)級(jí)聯(lián)反應(yīng)激活、內(nèi)皮細(xì)胞增殖正調(diào)控、血管形成模式?jīng)Q定、血管網(wǎng)形成、血管新生正調(diào)控等過程富集(圖3)。同樣使用DAVID 在線平臺(tái),以P<0.05 為顯著性閾值,差異表達(dá)miRNA所富集的KEGG通路有癌癥中的miRNAs、FOXO(Forkhead box)信號(hào)通路、細(xì)胞周期、低氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia-inducible factor-1,HIF-1)信號(hào)通路、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B,PI3K/PKB,PI3K/AKT)信號(hào)通路、MAPK信號(hào)通路、Ras信號(hào)通路、VEGF信號(hào)通路、趨化因子信號(hào)通路、Janus 激酶(Janus kinase,JAK)/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄活化子(signal transducer and activator of transcription,STAT)信號(hào)通路(圖4)。
圖3 miDEGs靶基因GO功能分析Fig 3 GO function analysis of target genes of miDEGs
圖4 miDEGs靶基因的KEGG通路分析Fig 4 KEGG pathway analysis of target genes of miDEGs
GO 功能富集和KEGG 通路富集分析證明miDEGs 的靶基因參與細(xì)胞增殖和血管新生。VEGFA 刺激后,胞內(nèi)多種生理過程和信號(hào)通路受到影響,與靶基因結(jié)合的miRNAs也隨之差異性表達(dá)。
圖5 中綠色菱形代表miDEGs,紅點(diǎn)代表差異性表達(dá)的預(yù)測(cè)靶基因,藍(lán)點(diǎn)表示非差異性表達(dá)的預(yù)測(cè)靶基因。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的大小對(duì)應(yīng)于它與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的連接邊的數(shù)目。差異性表達(dá)miRNA 與每個(gè)預(yù)測(cè)靶基因之間連線的顏色表示基因表達(dá)的相關(guān)性,由皮爾森相關(guān)系數(shù)來定量,黃色和灰色分別表示正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由156個(gè)節(jié)點(diǎn)和337 條連接邊組成,包含39 個(gè)miDEGs 和22 個(gè)差異表達(dá)的靶基因。根據(jù)miDEGs degree的值并基于前期的研究,我們挑選并提取了3 個(gè)miDEGs [(miR-21(degree=29),miR-24 (degree=18),miR-221 (degree=28)]的子網(wǎng)絡(luò)。
圖5 差異性表達(dá)miRNAs和它們靶基因的互作網(wǎng)絡(luò)Fig 5 Network of miDEGs and their target genes
miR-21 在多種實(shí)體瘤中高表達(dá),也是最早確認(rèn)的可促進(jìn)癌癥的miRNAs之一,它靶向許多與增殖、凋亡和侵襲相關(guān)的腫瘤抑制基因[13]。miR-21 在HUVEC 中結(jié)合靶基因PTEN(phosphatase and tensin homolog)和SMAD7(SMAD family member 7) 的mRNA,即通過負(fù)調(diào)控PTEN和SMAD7的蛋白表達(dá),調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和侵襲,進(jìn)而影響血管新生[14]。我們的靶基因預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn):PTEN 是miR-21 的靶基因。miR-221 表達(dá)在4 h 時(shí)達(dá)到最高,與靶基因ETS1和PIK3R1分別呈正調(diào)控與負(fù)調(diào)控關(guān)系。miR-221 可通過靶向轉(zhuǎn)錄因子ETS1抑制血管新生[15],且差異表達(dá)的ETS1也在4h 時(shí)達(dá)到最高值[10]。miR-221在1h時(shí)表達(dá)量最低,差異表達(dá)的PIK3R1在1h時(shí)表達(dá)量也最低,靶向PIK3R1可以控制VEGFA 下游的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。
腫瘤的生長(zhǎng)遷徙與血管新生密切相關(guān)。miR-107的異常表達(dá)會(huì)影響腫瘤的發(fā)生和發(fā)展[16-17],目前已知在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中上調(diào)的miR-107 可以抑制VEGFA 的表達(dá)和血管新生[18],而HUVEC 中miR-107 和VEGFA 的調(diào)控關(guān)系還沒有相關(guān)研究報(bào)道。我們利用體外刺激模型發(fā)現(xiàn),VEGFA 刺激可以引起miR-107表達(dá)量在1 h時(shí)稍下降,在4 h 時(shí)迅速上調(diào)。靶基因預(yù)測(cè)顯示miR-107 與其靶向的CDK6顯示強(qiáng)關(guān)系;在之前研究DEGs 時(shí),CDK6表達(dá)在4 h 達(dá)到最高值后逐漸減少[10]。此結(jié)果提示在外源VEGFA 刺激后,可與CDK6結(jié)合的miR-107 的表達(dá)量可能在4 h 達(dá)到較高水平,miR-107 靶向CDK6導(dǎo)致其在4 h之后開始減少,并影響內(nèi)源VEGFA 的表達(dá)。外源VEGFA 刺激后miR-21 的表達(dá)在4 h 時(shí)顯著上升,靶基因互作關(guān)系顯示差異性表達(dá)的miR-21與內(nèi)源VEGFA呈負(fù)相關(guān)。在此研究中我們發(fā)現(xiàn)了新的可能調(diào)控血管新生的miR-107 和miR-21。以上研究結(jié)果提示在血管新生中VEGFA可能通過改變miRNA來刺激血管生成。
心血管疾病和癌癥是造成人類死亡的兩大主要原因,而血管新生是上述2類疾病發(fā)生發(fā)展過程中重要的生物學(xué)過程。miRNA 在細(xì)胞增殖、分化、凋亡等過程中具有重要作用,也參與了其2 類疾病的發(fā)生發(fā)展[19]。miRNA 差異性表達(dá)屬于異常表達(dá)中的一種,是許多疾病研究中的研究熱點(diǎn)和突破口[20]。在本研究中,通過對(duì)VEGFA 刺激后差異性表達(dá)的miRNA 進(jìn)行研究討論,在預(yù)測(cè)其靶基因的基礎(chǔ)上使用GO 和KEGG 分析,推測(cè)這些miRNA 可能的生物學(xué)功能,并進(jìn)一步結(jié)合生物信息學(xué)軟件,以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出整體互作的形式,探究miRNA 在調(diào)控VEGFA 下游基因表達(dá)中的作用,為進(jìn)一步理解血管新生與miRNA的關(guān)系提供幫助。
VEGFA 刺激后miDEGs 的靶基因中有22 個(gè)在我們前期基于相同HUVEC 血管新生模型的RNA-Seq 數(shù)據(jù)中差異表達(dá)(P<0.001,χ2檢驗(yàn)),這也佐證了我們前期研究的結(jié)果。它們分別是DNMT3B、KAT2B、NFIA、PAK1、SIRT1、BCL6、TNFAIP3、IL6、MCL1、PIK3R1、MXD1、ICAM1、VEGFA、BBC3、CDK6、MYCN、ETS1、TMED7、HK2、DDIT4、PPARA、PRDM1。其中,ETS1 是內(nèi)皮細(xì)胞主轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,可與啟動(dòng)子、增強(qiáng)子結(jié)合激活內(nèi)皮基因促進(jìn)血管新生[21]。課題組前期研究[10]發(fā)現(xiàn),ETS1在VEGFA刺激下也差異性表達(dá)。血管內(nèi)皮細(xì)胞的血管新生需要ETS1 介導(dǎo)的VEGFA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來釋放暫停的RNA 聚合酶Ⅱ(RNA polymerase Ⅱ,RNAPⅡ)。VEGFA 的刺激能夠增加ETS1 的乙?;?,增強(qiáng)ETS1 與溴結(jié)構(gòu)域蛋白4(bromodomain containing 4,BRD4)的結(jié)合,促進(jìn)RNAPⅡ的轉(zhuǎn)錄活性,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)血管新生[22]。
VEGFA 在腫瘤生長(zhǎng)和血管形成的過程中具有重要作用,多種環(huán)境和細(xì)胞刺激因素可導(dǎo)致VEGFA 的產(chǎn)生。VEGFA的刺激不僅會(huì)引起miRNA的差異性表達(dá),這些差異表達(dá)的miRNA 也可通過靶基因反過來影響VEGFA 的表達(dá)或者調(diào)控血管新生。模型中差異表達(dá)的miR-21 被證實(shí)與心臟疾病密切相關(guān)。miR-21在心臟衰竭過程中表達(dá)升高,通過靶向側(cè)支發(fā)芽因子同源物1 (sprouty RTK signaling antagonist 1, SPRY1) 蛋 白 激 活 ERK(extracellular regulated protein kinase)-MAPK 信號(hào)通路,可引起心臟纖維化和心肌肥厚[23];miR-221/22 簇可通過負(fù)調(diào)控促血管生成因子C-KIT (KIT proto-oncogene,receptor tyrosine kinase)、 內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)來抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞的血管生成能力,eNOS 在控制血管穩(wěn)態(tài)、滲透性和舒張等方面具有重要作用[24-25]。miR-221/22 簇也可靶向轉(zhuǎn)錄因子ETS1、STAT5 來抑制血管新生[15];TMED7是miR-24 的靶基因,在前期VEGFA 刺激模型中TMED7也差異性表達(dá)[10]。miR-24還可通過抑制轉(zhuǎn)錄因子GATA2(GATA binding protein 2)和p21 活化激酶(p21-activated kinase,PAKs)的表達(dá),誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡和損傷血管,進(jìn)而導(dǎo)致心肌梗死[26]。但目前沒有文獻(xiàn)報(bào)道靶基因TMED7與血管新生的關(guān)系,我們推測(cè)VEGFA 的刺激在一定程度上可影響miR-24 與TMED7間互作,改變TMED7 在細(xì)胞分泌物的生物合成過程,包括加工和翻譯后修飾,進(jìn)而影響心臟發(fā)育。
近年來越來越多研究表明miRNA 參與了VEGFA 調(diào)控相關(guān)的腫瘤血管形成。由于miRNA 的表達(dá)具有時(shí)序性[27],我們猜想miRNA的調(diào)控也具有一定的時(shí)序性,即早期通過轉(zhuǎn)錄因子、晚期通過功能基因參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。我們的miDEGs 靶基因預(yù)測(cè)中發(fā)現(xiàn),miR-21-5p、miR-22-3p、miR-29b-3p 顯示與SP1(SP1 transcription factor)強(qiáng)關(guān)系。SP1 是VEGFA轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)因子,與抑癌基因VHL(von Hippel-Lindau tumor suppressor)結(jié)合后會(huì)抑制SP1對(duì)VEGFA 啟動(dòng)子的調(diào)控,從而導(dǎo)致VEGFA 的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)水平降低[28]。因此我們推測(cè)miR-21-5p、miR-22-3p、miR-29b-3p 可能通過抑制轉(zhuǎn)錄因子SP1,減弱其促進(jìn)VEGFA轉(zhuǎn)錄的作用,抑制腫瘤血管形成;miRNA 晚期參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,主要是通過形成RNA 誘導(dǎo)沉默復(fù)合體(RNA-induced silencing complex,RISC) 再與靶mRNA結(jié)合抑制靶基因表達(dá)。多種miRNA 能夠通過抑制靶基因表達(dá)來影響VEGFA 下游信號(hào)的傳遞,從而調(diào)節(jié)腫瘤的血管新生。有研究[29]表明,促進(jìn)VEGFA轉(zhuǎn)錄的miRNA 有Let-7、miR-103、miR-107 等。Let7 家族是腫瘤抑制miRNA,其中l(wèi)et-7f、7e、7g 在我們模型中4 h 時(shí)表達(dá)量均顯著增加。并且Let-7 與我們發(fā)現(xiàn)的VEGFA 新的調(diào)控因子miR-107 之間存在互相作用,miR-107 可能通過結(jié)合let-7 而降低其穩(wěn)定性,促進(jìn)降解[30];MXD1 是腫瘤抑制因子,已知miR-19b可以通過靶向MXD1促進(jìn)胃癌細(xì)胞的遷移、侵襲和轉(zhuǎn)移[31]。miR-19b 的表達(dá)在VEGFA 刺激后逐漸增加并在12 h時(shí)達(dá)到最高,可能是在晚期通過MXD1調(diào)控血管新生。
差異表達(dá)的miRNA 所富集的信號(hào)通路中大多都與血管新生密切相關(guān)。例如,當(dāng)腫瘤微環(huán)境缺氧時(shí),激活的HIF-1α 會(huì)促進(jìn)VEGFA基因的上調(diào)表達(dá)[32]。VEGFA 與配體VEGFR 結(jié)合后會(huì)引發(fā)下游細(xì)胞信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng),如PI3K/AKT 通路,當(dāng)VEGFR2 活化PI3K 后,3,4,5 三磷酸磷脂酰肌醇[phosphatidylinositol(3,4,5)-triphosphate,PIP3]與AKT 結(jié)合,參與細(xì)胞增殖、遷移、存活和血管生成[33]。AKT 也可磷酸化FOXO1,后者是內(nèi)皮細(xì)胞增殖和血管新生的重要調(diào)節(jié)因子[34]。人們基于以往的研究成果,通過靶向VEGFA 開發(fā)了許多抗血管新生的藥物,如貝伐珠單抗、雷莫蘆單抗、酪氨酸激酶抑制劑等[35]。但即使聯(lián)合用藥患者還是會(huì)出現(xiàn)預(yù)后較差或耐藥等情況。因此研究miRNA 調(diào)節(jié)VEGFA下游基因表達(dá)變化是非常有意義的,這些差異表達(dá)miRNA 及其靶基因可能成為尋找新的血管新生過程中重要調(diào)控因子和治療靶點(diǎn)。
上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)2021年9期