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文檔簡(jiǎn)介
1、研究背景:
腦卒中是以腦部缺血及出血性損傷癥狀為主要臨床表現(xiàn)的疾病,俗稱腦中風(fēng)。腦卒中具有極高的病死率和致殘率,其中缺血性腦梗塞約占中風(fēng)發(fā)病率的85%。全球每年約有600萬(wàn)人死于腦卒中,是全世界導(dǎo)致死亡的第二病因。根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì),我國(guó)腦卒中發(fā)生率正以每年8.7%的速度上升,比美國(guó)高出一倍,每年約新增130萬(wàn)例腦血管病、死亡近100萬(wàn)人,已成為居民第一位死亡原因。幸存者中約3/4的人留下偏癱等后遺癥狀,部分病人喪失勞動(dòng)
2、能力和生活能力,給家庭帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和精神壓力,給社會(huì)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)400多億元(中國(guó)疾病預(yù)防控制中心,2012)。因此,腦卒中的預(yù)防和治療已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的重大課題之一。
近幾十年來(lái),雖然大量科研人員致力于腦缺血后病理?yè)p傷機(jī)制的研究,但目前仍未完全闡明。針對(duì)腦缺血病理?yè)p傷機(jī)制中的某個(gè)靶點(diǎn)開發(fā)的治療候選藥物的臨床試驗(yàn)療效都不理想,導(dǎo)致臨床試驗(yàn)失敗的主要原因是腦缺血后的病理?yè)p傷機(jī)制復(fù)雜以及各種損傷機(jī)制之間的級(jí)聯(lián)和
3、網(wǎng)絡(luò)關(guān)系尚不明確,因此,針對(duì)某個(gè)靶點(diǎn)的研究策略也受到了質(zhì)疑。目前還沒(méi)有一種候選藥物能同時(shí)針對(duì)多種損傷機(jī)制而發(fā)揮減輕腦缺血后損傷的作用,從而降低腦缺血患者的致殘率,減輕后遺癥。通過(guò)新機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)是科研人員一直努力的方向。
近年來(lái),高通量技術(shù)和生物信息學(xué)分析技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于解決生物學(xué)問(wèn)題,尤其是應(yīng)用于人類疾病的研究。這種以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向,大規(guī)模、工業(yè)化、整體化的研究模式,使得從基因組(Genomics)水平、轉(zhuǎn)錄組
4、((Transcriptomics)水平、蛋白質(zhì)組(Proteomics)水平對(duì)疾病展開全方位、多層次的研究和分析成為可能。轉(zhuǎn)錄組是連接基因組遺傳信息與生物功能的必然紐帶,轉(zhuǎn)錄組研究已經(jīng)成為揭示疾病基因變化規(guī)律、疾病發(fā)生發(fā)展機(jī)制、發(fā)現(xiàn)致病基因關(guān)鍵調(diào)控靶點(diǎn)等領(lǐng)域的最佳研究手段,廣泛應(yīng)用于疾病預(yù)防、診斷、個(gè)性化治療和預(yù)后等領(lǐng)域。
大量新近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,真核生物中存在著大量來(lái)源于非編碼DNA的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物——“非編碼RNA(non
5、-coding RNAs,ncRNAs)”,它們不僅數(shù)量眾多,是生命活動(dòng)的重要信息載體,并且能在多種生命活動(dòng)中發(fā)揮重要的調(diào)控作用,是轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究的重要組成部分,也使人類對(duì)基因組的認(rèn)識(shí)和研究上升到了更加深入的領(lǐng)域。在過(guò)去的幾年里,非編碼RNA研究取得了很大的進(jìn)步,但大部分工作都集中在microRNA(miRNA)等小分子非編碼RNA,對(duì)于長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA, lncRNAs)的研究相對(duì)較少。lncRN
6、As是一類轉(zhuǎn)錄本長(zhǎng)度超過(guò)200nt,但并不編碼蛋白或者只是編碼很短多肽的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,它們以RNA的形式在多種層面上發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,如基因組印記以及染色質(zhì)修飾,轉(zhuǎn)錄激活,轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,蛋白功能調(diào)節(jié)等。正因?yàn)閘ncRNAs廣泛的分子生物學(xué)功能,lncRNAs可從多方面調(diào)控基因,從而發(fā)揮多靶點(diǎn)的作用,為探討復(fù)雜疾病的病理機(jī)制提供了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。lncRNAs與疾病之間的關(guān)系已得到越來(lái)越多的關(guān)注,lncRNAs在腫瘤,神經(jīng)退行性疾病中的研究結(jié)
7、果顯示,lncRNAs有望成為疾病診斷和預(yù)后的分子標(biāo)志物,在疾病治療方面也有望成為同時(shí)針對(duì)多個(gè)蛋白和信號(hào)通路的治療靶點(diǎn)。
microRNA水平探討腦缺血后病理?yè)p傷機(jī)制已有報(bào)導(dǎo),而且隨著研究的深入,一些腦缺血誘導(dǎo)的特異性miRNA,如miRNA-233,miR-497具有神經(jīng)元保護(hù)作用,可以作為很有希望的治療靶點(diǎn)。相對(duì)于microRNA,lncRNAs在缺血性腦卒中的研究較少,國(guó)外僅有一篇關(guān)于腦缺血后lncRNAs的研究報(bào)導(dǎo)
8、,且該研究?jī)H處在初步的數(shù)據(jù)積累階段,并未對(duì)腦缺血誘導(dǎo)的lncRNAs在病理?yè)p傷級(jí)聯(lián)過(guò)程中的可能作用進(jìn)行深入分析和探討。影響腦缺血后病理過(guò)程的因素較多,如缺血時(shí)間、缺血后時(shí)間長(zhǎng)短等,因此有必要對(duì)腦缺血后lncRNAs的表達(dá)情況進(jìn)行更全面的研究。
本課題猜想:(1)鑒于lncRNAs在細(xì)胞內(nèi)具有廣泛的生物學(xué)功能,lncRNAs在腦卒中損傷級(jí)聯(lián)中必有重要作用;(2)高通量芯片技術(shù)的完善,使我們可以在基因組全局水平研究與疾病相關(guān)的
9、分子機(jī)制,通過(guò)研究缺血性腦卒中l(wèi)ncRNAs的表達(dá)情況,開啟我們對(duì)腦缺血后損傷機(jī)制研究的另一個(gè)新領(lǐng)域,使我們對(duì)腦缺血損傷機(jī)制的認(rèn)識(shí)上升到更高水平;(3)對(duì)比腦缺血模型大鼠大腦缺血半影區(qū)與假手術(shù)模型大鼠大腦相同部位lncRNAs的表達(dá)譜,篩選出腦缺血誘導(dǎo)的、特異性表達(dá)的lncRNAs;(4)通過(guò)構(gòu)建lncRNAs-mRNAs共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)、基因位點(diǎn)分析、KEGG通路分析及GO分析等生物信息學(xué)分析技術(shù),分析大腦皮層缺血半影區(qū)差異表達(dá)的lncRN
10、As在缺血性腦卒中后損傷級(jí)聯(lián)中的可能作用,篩選出候選研究目的lncRNAs,為研究缺血性腦卒中損傷的lncRNAs機(jī)制及發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。
研究目的:
(1)我們采用大鼠局部腦缺血再灌注損傷模型模擬缺血性腦卒中,假手術(shù)組做對(duì)照,通過(guò)高通量芯片研究大腦皮層缺血半影區(qū)lncRNAs表達(dá)譜,篩選出差異表達(dá)lncRNAs。
(2)通過(guò)生物信息學(xué)分析技術(shù),進(jìn)一步分析差異lncRNAs在腦卒中后病理
11、損傷級(jí)聯(lián)過(guò)程中的可能作用,篩選出腦缺血后病理?yè)p傷過(guò)程中具有潛在關(guān)鍵調(diào)控作用的lncRNAs。
(3)為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性和芯片結(jié)果的可靠性,同時(shí)為了排除手術(shù)操作時(shí)動(dòng)物應(yīng)激反應(yīng)的影響因素,我們采用一組新樣本,并設(shè)立正常對(duì)照組,使用RT-PCR進(jìn)行驗(yàn)證,明確候選研究lncRNAs的表達(dá)情況,為進(jìn)一步研究候選目的lncRNAs的功能和機(jī)制奠定基礎(chǔ),為尋找新的治療靶點(diǎn)提供科學(xué)依據(jù)。
研究?jī)?nèi)容:
12、 第一章局部腦缺血再灌注模型大鼠大腦皮層lncRNAs表達(dá)譜研究
目的:
缺血性腦卒中病理?yè)p傷過(guò)程中l(wèi)ncRNAs表達(dá)譜已有研究,但由于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物物種的不同、取樣部位差異或取樣時(shí)間點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)的不同,實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)存在較大差別。通過(guò)高通量芯片技術(shù)研究局部腦缺血再灌注損傷模型大鼠大腦缺血半影區(qū)和假手術(shù)大鼠大腦相同部位組織lncRNAs的表達(dá)譜,篩選差異表達(dá)的lncRNAs,為腦缺血誘導(dǎo)的lncRNAs提供數(shù)據(jù)積
13、累。
方法:
建立局部腦缺血再灌注損傷大鼠模型(N=3),缺血1h,再灌注24h;假手術(shù)組做對(duì)照(N=3)。分別提取模型組缺血半影區(qū)和假手術(shù)組相同部位腦組織的總RNA,純化,檢驗(yàn)RNA質(zhì)量后,合成生物素標(biāo)記的cRNA。利用美國(guó)Arraystar公司大鼠lncRNAs芯片技術(shù)檢測(cè)各組lncRNAs和mRNAs的表達(dá)情況,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、均一化后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。對(duì)比模型組與假手術(shù)組數(shù)據(jù),以2倍以上變化且具有
14、統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)為判斷標(biāo)準(zhǔn),篩選出差異表達(dá)的lncRNAs和mRNAs。對(duì)差異表達(dá)的mRNAs進(jìn)行GO分析和KEGG通路分析。
結(jié)果:
美國(guó)Arraystar公司大鼠lncRNAs芯片共包含9300個(gè)lncRNAs探針和15200個(gè)mRNAs探針,因此在檢測(cè)lncRNAs表達(dá)譜的同時(shí)也檢測(cè)了mRNAs的表達(dá)譜。對(duì)芯片原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和兩組比較后,差異表達(dá)的lncRNAs為1213個(gè),占檢測(cè)ln
15、cRNAs的13.04%,其中上調(diào)373個(gè),下調(diào)840個(gè);5倍以上變化的共101個(gè),其中上調(diào)65個(gè),下調(diào)36個(gè);10倍以上變化的共18個(gè),其中上調(diào)14個(gè),下調(diào)4個(gè)。
差異表達(dá)的mRNAs共1894個(gè),占檢測(cè)mRNAs的12.46%,其中上調(diào)1081個(gè),下調(diào)813個(gè);5倍以上變化的mRNAs共346個(gè),上調(diào)289個(gè),下調(diào)57個(gè);其中6個(gè)mRNAs(Ref-Seq ID號(hào)),NM_001007612,NM_001109536,
16、NM031530,NM012953,NM030845,NM012620上調(diào)100倍以上。
結(jié)論:
局部腦缺血后大鼠大腦皮層缺血半影區(qū)lncRNAs和mRNAs表達(dá)譜發(fā)生了顯著變化。部分差異表達(dá)的mRNAs與已有的研究結(jié)果相同,GO分析和KEGG通路分析發(fā)現(xiàn),差異表達(dá)的mRNAs主要與炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng)有關(guān),這與已知的腦卒中的病理?yè)p傷過(guò)程相符,在一定程度上說(shuō)明了芯片結(jié)果的可靠性,可對(duì)篩選得到的差異lncRNAs
17、進(jìn)行后續(xù)分析。
第二章生物信息學(xué)分析技術(shù)挑選研究目的基因
目的:
高通量芯片篩選出1213個(gè)差異表達(dá)的lncRNAs和1894個(gè)差異表達(dá)的mRNAs,由于lncRNAs的相關(guān)研究資料有限,不能為挑選候選研究的lncRNAs提供參考,發(fā)現(xiàn)與研究目的密切相關(guān)的lncRNAs是一個(gè)挑戰(zhàn)。通過(guò)構(gòu)建lncRNAs-mRNAs共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)、基因位點(diǎn)分析等一系列生物信息學(xué)分析技術(shù),發(fā)現(xiàn)在腦缺血病理?yè)p傷進(jìn)程中起關(guān)
18、鍵作用的lncRNAs,作為深入研究的候選基因。
方法:
生物在不同狀態(tài)下,基因的表達(dá)情況不同,基因間的相互關(guān)系也不同。不同的子網(wǎng)絡(luò)模塊必然與生物當(dāng)前的功能狀態(tài)密切相關(guān)。通過(guò)權(quán)重基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析法(Weighted Correlation Network Analysis)構(gòu)建差異基因的lncRNAs-mRNAs共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。比較模型組和假手術(shù)組各自的lncRNAs-mRNAs共表達(dá)網(wǎng)絡(luò),可發(fā)現(xiàn)同一基因在不同
19、網(wǎng)絡(luò)中與其他基因的關(guān)聯(lián)程度不同,包括關(guān)聯(lián)的基因個(gè)數(shù)不同,關(guān)聯(lián)的基因也可能不同。因此,根據(jù)基因在模型組和假手術(shù)組中的關(guān)聯(lián)度差異,以關(guān)聯(lián)度差異≥0.5為判斷標(biāo)準(zhǔn),篩選出關(guān)聯(lián)度差異較大的lncRNAs。
分析關(guān)聯(lián)差異較大lncRNAs的子網(wǎng)絡(luò),根據(jù)lncRNAs關(guān)聯(lián)mRNAs的功能,大致推斷l(xiāng)ncRNAs與腦缺血后病理?yè)p傷的密切性。因?yàn)閘ncRNAs發(fā)揮作用的機(jī)制可能與lncRNAs鄰近的蛋白編碼RNA有關(guān),因此再對(duì)lncRNA
20、s的基因位點(diǎn)進(jìn)行分析,最終選定研究目的lncRNAs。
結(jié)果:
模型組和假手術(shù)組lncRNAs-mRNAs共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和形狀有很大差別,說(shuō)明腦缺血病理組織和假手術(shù)組織中mRNAs和lncRNAs的共表達(dá)關(guān)系幾乎完全不一樣。比較兩組網(wǎng)絡(luò)中相同基因度的變化,以模型組與假手術(shù)組差異≥0.5為標(biāo)準(zhǔn),共篩選出205個(gè)lncRNAs,其中上調(diào)41個(gè),下調(diào)164個(gè)。子網(wǎng)絡(luò)分析和基因位點(diǎn)再分析后,最后確定BC168687
21、, BC081976,MRAK16399,MRAK051903作為后續(xù)研究的目的lncRNAs。
結(jié)論:
通過(guò)構(gòu)建lncRNAs-mRNAs基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合基因位點(diǎn)分析的方法,能從大量芯片結(jié)果中挑選出與研究目的密切相關(guān)的lncRNAs,這為芯片結(jié)果的進(jìn)一步挑選提供了新方法。通過(guò)生物信息學(xué)分析方法挑選的研究目的lncRNAs-BC168687,BC081976,MRAK16399,MRAK051903具有很好
22、的研究前景。
第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及研究目的基因的RT-PCR驗(yàn)證
目的:
為了進(jìn)一步證明芯片實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性,同時(shí)為了排除模型制作時(shí)大鼠的應(yīng)激反應(yīng)引起候選lncRNAs改變的可能性,我們采用一組新的大鼠腦缺血模型和假手術(shù)標(biāo)本,并同時(shí)設(shè)立正常大鼠對(duì)照組,對(duì)4個(gè)研究目的lncRNAs及其他5個(gè)lncRNAs進(jìn)行RT-PCR驗(yàn)證,明確基因的表達(dá)情況。
方法:
建立大鼠
23、局部腦缺血再灌注損傷模型(N=3),假手術(shù)組(N=3)和正常組(N=3)。取大腦皮層相同部位組織,提取RNA,測(cè)定RNA的濃度和純度。設(shè)計(jì)待驗(yàn)證lncRNAs的逆轉(zhuǎn)錄引物和PCR擴(kuò)增引物,GAPDH作為內(nèi)參。提取的RNA用特異設(shè)計(jì)的引物進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄,反應(yīng)后得到的cDNA溶液用于PCR擴(kuò)增,每個(gè)樣本重復(fù)三次,每次三個(gè)復(fù)孔。以正常組為對(duì)照,采用2-△△Ct法計(jì)算各基因的相對(duì)表達(dá)量。用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)各組目的基因的2-△△Ct進(jìn)行統(tǒng)計(jì)
24、分析,采用方差分析對(duì)樣本間的均數(shù)進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)方差齊性檢驗(yàn),如Levene檢驗(yàn)方差齊性(P>0.05),組間比較采用one-way ANOVA、組間多重比較采用LSD分析;如果方差不齊(P<0.05),組間比較則選擇方差不齊的近似F檢驗(yàn)Welch法、組間多重比較采用Dunnett T3法分析,以P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
結(jié)果:
對(duì)各組目的基因的2-△△Ct進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。lncRNAs-MRAK045
25、258:方差分析結(jié)果表明模型組、假手術(shù)組和正常對(duì)照組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=242.468,P<0.001)。模型組與正常對(duì)照組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001),模型組與假手術(shù)組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001);假手術(shù)與正常對(duì)照組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.058)。
lncRNAs-MRAK134201:方差分析結(jié)果表明模型組、假手術(shù)組和正常對(duì)照組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=28.540,P<0.001)。
26、模型組與正常對(duì)照組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001),模型組與假手術(shù)組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.003);假手術(shù)與正常對(duì)照組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.44)。
lncRNAs-MRUC008bux:方差分析結(jié)果表明模型組、假手術(shù)組和正常對(duì)照組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=27.560,P=0.01)。模型組與正常對(duì)照組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.001),模型組與假手術(shù)組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.001);假手術(shù)
27、與正常對(duì)照組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.626)。
lncRNAs-BC168867:方差分析結(jié)果表明模型組、假手術(shù)組和正常對(duì)照組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=135.735,P<0.001)。模型組與正常對(duì)照組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001),模型組與假手術(shù)組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001);假手術(shù)與正常對(duì)照組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.718)。
lncRNAs-AY383677:方差分析結(jié)果
28、表明模型組、假手術(shù)組和正常對(duì)照組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=16.566,P=0.004)。模型組與正常對(duì)照組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.001≤0.001),模型組與假手術(shù)組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.007);假手術(shù)與正常對(duì)照組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.163)。
lncRNAs-MRAK051903:方差分析結(jié)果表明模型組、假手術(shù)組和正常對(duì)照組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=132.180,P<0.001)。模型組與
29、正常對(duì)照組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001),模型組與假手術(shù)組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001);假手術(shù)與正常對(duì)照組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.582)。
lncRNAs-uc318+:方差分析結(jié)果表明模型組、假手術(shù)組和正常對(duì)照組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=68.613,P<0.001)。模型組與正常對(duì)照組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001),模型組與假手術(shù)組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001);假手術(shù)與正常對(duì)
30、照組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.378)。
lncRNAs-MRAK16399:方差分析結(jié)果表明模型組、假手術(shù)組和正常對(duì)照組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=79.616,P<0.001)模型組與正常對(duì)照組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001),模型組與假手術(shù)組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001);假手術(shù)與正常對(duì)照組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.47)。
lncRNAs-BC079432:方差分析結(jié)果表明模型組、
31、假手術(shù)組和正常對(duì)照組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=71.262,P=0.002)。模型組與正常對(duì)照組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.01),模型組與假手術(shù)組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.007);假手術(shù)與正常對(duì)照組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.914)。
結(jié)論:
新一組樣本的RT-PCR結(jié)果與芯片結(jié)果具有很好的一致性,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性,芯片結(jié)果可靠,芯片提供的大量篩選結(jié)果可為后續(xù)研究提供指導(dǎo)。各目的基因在假手術(shù)
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