胡 賽,黃瑞雪,周平坤,黃 波
(1.南華大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,湖南 衡陽(yáng)421001;2.中南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院勞動(dòng)衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生學(xué)系,湖南 長(zhǎng)沙410078;3.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院輻射醫(yī)學(xué)研究所,北京市放射生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100850)
自1979年首次報(bào)道發(fā)現(xiàn)p53基因以來(lái),不斷研究發(fā)現(xiàn),由P53蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可調(diào)節(jié)細(xì)胞的正常生命活動(dòng),同時(shí)在細(xì)胞放射損傷反應(yīng)中如肺組織上皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化的過(guò)程中發(fā)揮重要作用[1-2]。長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,IncRNA)是長(zhǎng)度>200 個(gè)核苷酸的非編碼RNA[3]。lncRNA 在表觀遺傳調(diào)控、細(xì)胞周期調(diào)控和細(xì)胞分化調(diào)控等眾多生命活動(dòng)中發(fā)揮作用[4]。近期研究表明,細(xì)胞照射后,部分lncRNA 表達(dá)上調(diào)或下調(diào),上調(diào)或下調(diào)的lncRNA 分子對(duì)被照射細(xì)胞的DNA損傷修復(fù)、細(xì)胞周期進(jìn)程、凋亡、上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和多種蛋白產(chǎn)生具有調(diào)控作用[5]。國(guó)內(nèi)有關(guān)實(shí)驗(yàn)室前期識(shí)別鑒定了正常人支氣管上皮細(xì)胞BEP2D及其α粒子誘發(fā)癌變細(xì)胞BERP35T-1和BERP35T-4 細(xì)胞之間的差異表達(dá)lncRNA[6]。鑒于p53 在肺上皮細(xì)胞功能中的重要調(diào)控作用,以及前期發(fā)現(xiàn)p53 和某些lncRNA 之間存在互相影響、互相調(diào)控的關(guān)系[7-8],推測(cè)受到照射的上皮細(xì)胞出現(xiàn)的顯著差異表達(dá)的lncRNA 中,有一部分可能與p53相關(guān)聯(lián),參與細(xì)胞放射損傷反應(yīng)如多種與上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的信號(hào)通路并發(fā)揮作用。因此,本研究使用CRISPR-Cas9技術(shù)敲除人肺支氣管上皮細(xì)胞HBE的p53 表達(dá),進(jìn)行照射,芯片檢測(cè)構(gòu)建lncRNA 差異表達(dá)譜,并進(jìn)行生物信息學(xué)分析,以揭示放射誘導(dǎo)上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化等細(xì)胞放射損傷反應(yīng)的發(fā)生機(jī)制,對(duì)今后臨床放射治療中避免發(fā)生正常組織放射性損傷具有一定意義。
正常人支氣管上皮HBE細(xì)胞(美國(guó)模式培養(yǎng)物集存庫(kù))。DMEM 培養(yǎng)基(美國(guó)Hyclone 公司);胎牛血清(美國(guó)Sigma 公司);注射用硫酸鏈霉素(深圳華藥南方制藥有限公司);注射用青霉素鈉(華北制藥股份有限公司);THUNDERBIRD SYBR qRTPCR Mix(CodeNo.QPS-201)(日本東洋紡生物科技有限公司);兔抗人P53 單克隆抗體(美國(guó)Cell Signaling Technology 公司);兔抗人GAPDH 多克隆抗體(美國(guó)Santa Cruz公司);辣根酶標(biāo)記山羊抗兔IgG 二抗(北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司)。紫外分光光度計(jì)(NanoDrop 2000)(美國(guó)Thermo公司);RT-PCR儀(MyCycler)(美國(guó)Bio-rad公司)。
HBE 細(xì)胞用DMEM 培養(yǎng)基(含10%胎牛血清,100 kU·L-1青霉素和100 mg·L-1鏈霉素)培養(yǎng),培養(yǎng)條件為飽和濕度、37℃和5%CO2。
待細(xì)胞生長(zhǎng)到80%接觸密度,設(shè)立HBE p53表達(dá)野生型(HBEp53-wt)細(xì)胞和p53敲除的HBE(HBEp53-/-)細(xì)胞,室溫下給予4 Gy60Co γ 射線照射,照射前30 min換新鮮培養(yǎng)基。照射后置培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng),4 h 后收集細(xì)胞,細(xì)胞用預(yù)冷的PBS 洗2 遍,加Trizol裂解,置于-80℃冰箱保存。
由上海合生生物公司完成。HBEp53-/-細(xì)胞的構(gòu)建參考美國(guó)麻省理工學(xué)院張峰教授實(shí)驗(yàn)室CRISPRCas9 基因編輯實(shí)驗(yàn)方案[9],利用在線設(shè)計(jì)工具(http://crispr.mit.edu/)設(shè)計(jì)針對(duì)p53基因的小向?qū)NA(small guide RNA,sgRNA)并在上、下游引物添加相應(yīng)的堿基。sgRNA 退火形成雙鏈后與經(jīng)過(guò)BbsⅠ酶切的Lenti-Cas9-gRNA 質(zhì)粒連接,轉(zhuǎn)化大腸桿菌Stbl3 感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)過(guò)氨芐青霉素抗性平板篩選,挑克隆,搖菌,提取質(zhì)粒,測(cè)序鑒定并選取正確克隆,獲得基因敲除載體。p53 基因敲除細(xì)胞HBEP53-/-由北京合生基因科技有限公司構(gòu)建。
HBEp53-/-細(xì)胞構(gòu)建后,使用RIPA裂解液裂解細(xì)胞提取蛋白質(zhì)并定量。采用ECL化學(xué)發(fā)光檢測(cè)試劑盒檢測(cè)HBEp53-wt細(xì)胞和HBEp53-/-細(xì)胞P53蛋白表達(dá)水平。
lncRNA 芯片雜交反應(yīng)和分析由歐易生物醫(yī)學(xué)科技有限公司完成。提取樣品總RNA,使用試劑盒ribo-zero試劑消化核糖體RNA后,加入切割試劑將RNA 切割成短片段,以切割后的RNA 為模板,用6堿基隨機(jī)引物合成一鏈cDNA,然后配制二鏈合成反應(yīng)體系合成二鏈cDNA;在cDNA 二鏈合成時(shí)以dUTP 代替dTTP,然后連接不同接頭,再利用UNG酶法將含有dUTP 的1 條鏈進(jìn)行消化,只保留連接鏈不同接頭的cDNA 一鏈;使用試劑盒純化cDNA一鏈;純化的cDNA一鏈再進(jìn)行末端修復(fù)、加A尾并連接測(cè)序接頭,然后進(jìn)行片段大小選擇,最后進(jìn)行RT-PCR 擴(kuò)增;構(gòu)建好的文庫(kù)用Agilent 2100 Bioanalyzer 質(zhì)檢合格后,使用Illumina Hiseg 4000 測(cè)序儀進(jìn)行測(cè)序。使用R語(yǔ)言進(jìn)行l(wèi)ncRNA 差異表達(dá)分析、差異基因表達(dá)水平聚類分析和火山圖分析。
lncRNA 預(yù)測(cè)靶基因的功能分析包含GO 富集分析和KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)富集分析。GO功能富集分析的方法:將全部蛋白編碼基因/轉(zhuǎn)錄本作為背景列表,差異蛋白編碼基因/轉(zhuǎn)錄本列表作為從背景列表中篩選出來(lái)的候選列表,利用超幾何分布檢驗(yàn)計(jì)算代表GO 功能集在差異蛋白編碼基因/轉(zhuǎn)錄本列表中是否顯著富集的P 值。利用KEGG 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)差異蛋白編碼基因進(jìn)行信號(hào)通路分析,并用超幾何分布檢驗(yàn)的方法計(jì)算每個(gè)信號(hào)通路條目中差異基因富集的顯著性。計(jì)算的結(jié)果會(huì)返回一個(gè)富集顯著性的P值,P<0.05表示差異基因在該信號(hào)通路中出現(xiàn)了富集。信號(hào)通路分析對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有提示的作用,通過(guò)差異基因的信號(hào)通路分析,可以找到富集差異基因的信號(hào)通路條目,尋找不同樣品的差異蛋白編碼基因可能與哪些細(xì)胞通路的改變有關(guān)。
按照THUNDERBIRD SYBR qRT-PCR Mix 試劑盒說(shuō)明進(jìn)行操作。實(shí)時(shí)定量RT-PCR 反應(yīng)完成后,保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以2-ΔΔCt法計(jì)算目的相對(duì)lncRNA的表達(dá)水平。
Western印跡法分析結(jié)果顯示,與HBEp53-wt細(xì)胞相比,HBEp53-/-細(xì)胞中P53蛋白表達(dá)顯著降低(圖1)。
Fig.1 Verification of p53 knockout efficiency in p53 knockout HBE(HBEp53-/-)cells established by CRlSPRCas9. HBEp53-wt:p53 wild type HBE cells.
通過(guò)芯片篩選4 Gy 照射后HBEp53-wt細(xì)胞和HBEp53-/-細(xì)胞中差異表達(dá)的lncRNA,發(fā)現(xiàn)多個(gè)lncRNA 的表達(dá)水平出現(xiàn)顯著性差異改變,其中有239個(gè)上調(diào)表達(dá),287個(gè)下調(diào)表達(dá)。
lncRNA 表達(dá)譜的聚類分析結(jié)果如圖2A所示,與HBEp53-wt細(xì)胞相比,HBEp53-/-細(xì)胞下調(diào)表達(dá)的lncRNA 數(shù)量略多于上調(diào)表達(dá)的數(shù)量(P<0.05)。lncRNA 表達(dá)譜分析的火山圖結(jié)果所示,顯著性下調(diào)表達(dá)的lncRNA數(shù)量(綠色)略多于顯著性上調(diào)表達(dá)的數(shù)量(P<0.05)(灰色為表達(dá)水平無(wú)顯著性差異)??梢姡鹕綀D的結(jié)果和聚類分析的結(jié)果基本吻合。
與受照射HBEp53-wt細(xì)胞相比,受照射HBEp53-/-細(xì)胞中顯著上調(diào)和顯著下調(diào)表達(dá)排名前10的lncRNA分子見表1和表2。從表1可見,ENST00000651681上調(diào)倍數(shù)最高,達(dá)到6.43 倍;其次是NR_037600.1,上調(diào)倍數(shù)為6.27倍。從表2可見,ENST00000366397下調(diào)倍數(shù)最大,為6.30倍;其次是ENST00000520590,下調(diào)倍數(shù)為6.19倍。
圖3 展示了差異表達(dá)水平改變?cè)谇?0 位的lncRNA 調(diào)控靶基因的GO 分析結(jié)果。GO 分析包含生物學(xué)過(guò)程、細(xì)胞成分和分子功能等3 方面。生物學(xué)過(guò)程分析結(jié)果顯示,差異表達(dá)的前10 位lncRNA 靶基因主要涉及溫度穩(wěn)態(tài)、負(fù)調(diào)控產(chǎn)熱、負(fù)調(diào)控多細(xì)胞生物體的代謝過(guò)程、正調(diào)控腎上腺素能受體信號(hào)通路和正調(diào)控泛素-蛋白轉(zhuǎn)移酶活性等;細(xì)胞成分結(jié)果顯示,差異表達(dá)的前10 位lncRNA靶基因主要涉及包被蛋白復(fù)合體囊泡包被、順面高爾基體網(wǎng)絡(luò)和高爾基-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中間體成分和第二步驟催化反應(yīng)拼接體等;而分子功能分類結(jié)果顯示,主要涉及β3腎上腺素受體結(jié)合蛋白、酪氨酸激酶活性蛋白、DNA結(jié)合蛋白、鋅離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白、突觸融合蛋白結(jié)合蛋白和泛素結(jié)合蛋白等。
Fig.2 Cluster analysis and volcano maps of differentially expressed long non-coding RNAs(lncRNAs)in irradiated HBEp53-/-cells. Cells were treated with 4 Gy,the expression lncRNAs chip analysis was performed 4 h post-irradiation. A:cluster analysis,pink means up-regulation,purple means downregulation;B:volcano map,red dots mean up-regulation,green dots mean down-regulation,gray dots mean no change.log2fold=log2(expression level of HBEp53-/-/expression level of HBEp53-wt).
Tab.1 Top ten up-regulated lncRNAs sassociated with p53 deficiency in irradiated HBEp53-/-cells
Tab.2 Top ten down-regulated lncRNAs sassociated with p53 deficiency in irradiated HBEp53-/-cells
Fig.3 GO analysis of differentially expressed lncRNA in HBEp53-wt and HBEp53-/- cells after irradiation treatment.See Fig.2 for the cell treatment.
圖4 顯示了差異表達(dá)lncRNA 調(diào)控靶基因的KEGG 分析結(jié)果。從生物體系統(tǒng)通路劃分,有感知、神經(jīng)、免疫、內(nèi)分泌、環(huán)境適應(yīng)、發(fā)育和循環(huán)系統(tǒng)等;從代謝劃分,有外源物的生物降解、核苷代謝、維生素和輔助因子代謝、脂質(zhì)代謝和能量代謝等;人類疾病相關(guān)的通路與上述生物體系統(tǒng)通路基本吻合;細(xì)胞過(guò)程通路有轉(zhuǎn)運(yùn)和分解代謝、細(xì)胞遷移、細(xì)胞增長(zhǎng)和死亡等。
Fig.4 KEGG analysis of targeted genes of differentially expressed lncRNA associated with p53 deficiency in HBEp53-wt and HBEp53-/-cells after irradiation treatment. See fig.2 for the cell treatment.Pink horizontal bar:cellular processes-related signaling pathways;blue horizontal bar:environmental information processing-related signaling pathways;cyan horizontal bar:genetic information processing-related signaling pathways;green horizontal bar:human diseases-related signaling pathways;brown horizontal bar:metabolism-related signaling pathways;red horizontal bar:organism systems-related signaling pathways.
為了驗(yàn)證芯片結(jié)果,分別選取上調(diào)和下調(diào)表達(dá)變化前5的lncRNA分子利用實(shí)時(shí)定量RT-PCR進(jìn)行驗(yàn)證。芯片結(jié)果中參與上調(diào)表達(dá)的ENST00000651681,NR_037600.1,ENST00000420335,ENST000006-10086和ENST00000635508分子,實(shí)時(shí)定量RT-PCR結(jié)果(圖5A)均出現(xiàn)上調(diào)變化。芯片結(jié)果中參與下調(diào)表達(dá)的ENST00000366397,ENST00000520590,ENST00000624128,ENST00000652722 和NR_110099.1分子,實(shí)時(shí)定量RT-PCR結(jié)果(圖5B)均出現(xiàn)下調(diào)變化。提示芯片結(jié)果可靠。
Fig.5 Verification of differential expression of lncRNAs from microarray analysis. See Fig.2 for the cell treatment. The top five of up-regulated(A)and down-regulated lncRNAs(B)were selected respectively,and performed by real time RT-PCR assay.,n=3.**P<0.01,compared with HBEp53-wt group.
近期針對(duì)p53 與lncRNA 相互作用的研究報(bào)道逐漸增多,主要集中在與p53 依賴相關(guān)的lncRNA在腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移等中的作用。Mello等[10]使用染色質(zhì)免疫共沉淀與高通量測(cè)序相結(jié)合的方法,聯(lián)合RNA 測(cè)序數(shù)據(jù)集,識(shí)別出一個(gè)受p53 調(diào)控的新lncRNA,即Neat1,發(fā)現(xiàn)Neat1 具有抑制細(xì)胞轉(zhuǎn)化和癌癥起始的功能。Zhu 等[11]研究發(fā)現(xiàn),在肝癌細(xì)胞中,lncRNAMEG3 能促進(jìn)p53 轉(zhuǎn)錄活性,lncRNAMEG3 能與P53蛋白的DNA結(jié)合區(qū)域發(fā)生交互作用,引起P53 下游眾多靶基因表達(dá)發(fā)生改變。Chaudhry[12]使用實(shí)時(shí)定量RT-PCR 技術(shù)檢測(cè)了人TK6 細(xì)胞(p53 表達(dá)的淋巴母細(xì)胞)和WTK1(p53 不表達(dá)的淋巴母細(xì)胞)經(jīng)過(guò)照射后小核RNA(small nuclear RNA,snRNA)及核仁小RNA(small nucleolar RNA,snoRNA)的變化,發(fā)現(xiàn)在p53 表達(dá)的TK6 細(xì) 胞 中,SNHG1,SNHG6 和SNHG11 等snoRNA 表達(dá)水平升高;而在p53 不表達(dá)的WTK1細(xì)胞中,SNHG 和SNHG11 表達(dá)下調(diào),說(shuō)明照射后細(xì)胞中部分lncRNA 的表達(dá)改變可能與p53 有關(guān),也是細(xì)胞對(duì)外界放射性損傷反應(yīng)的一種調(diào)控方式,也提示p53 和lncRNA 可能在照射后的細(xì)胞反應(yīng)中共同發(fā)揮作用。有研究報(bào)道,肺上皮細(xì)胞受照射后,lncRNA 也出現(xiàn)相應(yīng)改變。本研究通過(guò)敲除肺支氣管上皮細(xì)胞HBE的p53基因表達(dá),利用芯片雜交技術(shù),分析敲除p53 后細(xì)胞放射損傷應(yīng)答lncRNA的差異表達(dá)譜變化。本研究設(shè)計(jì)上與之前報(bào)道不同的地方,一是使用CRISPR-cas9技術(shù)敲除HBE細(xì)胞上的p53表達(dá);二是采用了人正常肺上皮細(xì)胞HBE。采用這2 點(diǎn)的原因主要是想了解p53缺失的情況下,肺上皮細(xì)胞中l(wèi)ncRNA 在照射后的變化。另外,擬通過(guò)這種方法構(gòu)建p53 依賴性的放射損傷反應(yīng)細(xì)胞模型,以便為今后開展放射性纖維化的機(jī)制研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。P53 是DNA 損傷的關(guān)鍵蛋白,其損傷或缺失會(huì)直接影響放射所致的DNA 損傷應(yīng)答和修復(fù)信號(hào)通路。本實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),照射后微小lncRNA miR-34a 過(guò)表達(dá),通過(guò)抑制其靶基因p53 的表達(dá)從而降低其下游的DNA 同源重組修復(fù)基因RAD51 的轉(zhuǎn)錄表達(dá),導(dǎo)致細(xì)胞自發(fā)DNA 雙鏈斷裂損傷殘留增加[13]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),HBEp53-/-細(xì)胞受輻照損傷后,多種lncRNA 分子出現(xiàn)顯著差異變化。生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn),差異表達(dá)的lncRNA 參與多種細(xì)胞生物學(xué)功能和多個(gè)細(xì)胞信號(hào)通路。如負(fù)調(diào)控多細(xì)胞生物體的代謝過(guò)程、正調(diào)控腎上腺素能受體信號(hào)通路和正調(diào)控泛素-蛋白轉(zhuǎn)移酶活性、調(diào)控順式高爾基體網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、參與維生素和輔助因子、內(nèi)分泌、免疫、脂質(zhì)代謝通路等。有研究報(bào)道,腎上腺素能受體信號(hào)通路參與調(diào)控上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化,如去甲腎上腺素能夠誘導(dǎo)Slug 和Snail 蛋白表達(dá),刺激轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1分泌,促進(jìn)細(xì)胞的上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化。β 腎上腺素能受體拮抗劑心得安能抑制去甲腎上腺素的上述作用[14-15]。本研究發(fā)現(xiàn),在HBE 細(xì)胞放射損傷反應(yīng)中,調(diào)控腎上腺素能受體信號(hào)通路的lncRNA 分子(XR_001738079.2,XR_001738080.2和TCONS_00008371)表達(dá)出現(xiàn)變化。推測(cè)這些lncRNA 可能在輻照后,在p53 的調(diào)控作用下,對(duì)腎上腺素能受體產(chǎn)生作用,從而激活或抑制下游一系列與上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化相關(guān)的基因表達(dá),最終影響上皮間充質(zhì)變化的進(jìn)程,這為揭示電離輻射誘發(fā)細(xì)胞的上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)制提供了新的信息。
總之,p53作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,直接調(diào)控其下游編碼蛋白的功能靶基因轉(zhuǎn)錄活性,在細(xì)胞放射損傷反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。本研究表明,p53 還可通過(guò)調(diào)控多個(gè)lncRNA 分子的表達(dá)變化,繼而影響下游功能靶基因的轉(zhuǎn)錄活性及相應(yīng)信號(hào)通路,同樣發(fā)揮對(duì)細(xì)胞放射損傷應(yīng)答反應(yīng)的調(diào)控作用。這些基于lncRNA 芯片分析技術(shù)結(jié)合生物信息學(xué)手段,發(fā)掘出來(lái)的p53相關(guān)的放射損傷響應(yīng)lncRNA 表達(dá)譜數(shù)據(jù)信息,對(duì)今后生物研究放射損傷反應(yīng)機(jī)制具有一定價(jià)值。但是,具體功能還需進(jìn)一步在細(xì)胞水平甚至動(dòng)物水平上進(jìn)行功能學(xué)實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證預(yù)測(cè)分析的結(jié)果。
本研究的不足之處在于采用的是單一劑量4 Gy照射,未探討細(xì)胞p53缺失受多個(gè)劑量輻射后的lncRNA 變化是否與照射劑量有關(guān)。另外,本研究?jī)H用1種肺上皮細(xì)胞進(jìn)行了實(shí)時(shí)定量RT-PCR驗(yàn)證分析,這對(duì)芯片測(cè)序結(jié)果的解讀可能有一定影響。
綜上所述,本研究表明,HBEp53-/-細(xì)胞受4 Gy γ射線照射后lncRNA 表達(dá)發(fā)生變化,并對(duì)差異表達(dá)顯著的lncRNA 分子的生物學(xué)功能進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析,為今后進(jìn)一步研究p53 和lncRNA 在細(xì)胞放射損傷反應(yīng)中的作用提供了基礎(chǔ)信息。