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党参水提物对D半乳糖致衰老小鼠组织microRNA表达谱的影响

2020-05-13 来源:华佗健康网
中药新药与临床药理2016年1月第27卷第1期

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党参水提物对D-半乳糖致衰老小鼠肝组织microRNA表达谱的影响王

晶1,李海龙1,2,耿广琴1,楚惠媛1,王

勇1,陈

1彻(1.甘肃中医药大学,甘肃兰州730000;2.甘

肃省中药新产品创制省级工程实验室,甘肃兰州730000)摘要:目的

研究党参水提物对衰老模型小鼠肝组织microRNA(miRNA)表达谱的影响,探究中药党参抗衰老

将100只昆明种小鼠,随机分为正常对照组,D-半乳糖致衰老模型组,低、中、高党参

的分子机制。方法

剂量干预组。连续造模42d,随时监测模型小鼠的一般症状和体质量变化;并在造模结束后检测各组小鼠血清谷丙转氨酶(ALT)和碱性磷酸酶(ALP)的值变化;利用AffymetrixmiRNA4.0微阵列芯片筛选了D-半乳糖致小鼠衰老和高剂量党参干预衰老过程中差异表达的miRNA,利用生物信息学工具对芯片结果进行聚类及信号通路分析。结果与正常对照组小鼠比较,衰老模型组小鼠血清ALT和ALP值显著升高(P<0.05);与衰老模型组比较,党参干预组小鼠血清ALT和ALP值有下降趋势,其中高剂量干预组ALP下降较显著(P<0.05);芯片聚类分析显示衰老模型组的miRNA表达谱与正常对照组和高剂量党参干预组明显分开,而高剂量党参干预组和正常对照组的miRNA表达谱聚在一起;D-半乳糖致衰老和党参抗衰老相关的差异表达miRNA主要都属于7个miRNA基因簇(miR-466a/bcluster、miR-297acluster、miR-145acluster、miR-486cluster、miR-299acluster、miR-127cluster和miR-134cluster);生物信息学分析显示致衰老过程中差异表达miRNA的靶基因功P<0.01),党参干预过程中差异表达miRNA的靶基因,参与调控的信号通路有能显著富集于29条信号通路(67个(P<0.01)。结论中图分类号:R285.5

miRNA的靶向调控作用在D-半乳糖致衰老及党参抗衰老过程中发挥着重要作用。文献标志码:A

文章编号:1003-9783(2016)01-0011-05

关键词:党参;衰老;miRNA;芯片;信号通路doi:10.3969/j.issn.1003-9783.2016.01.003

EffectofRadixCodonopsisAqueousExtractonHepaticmicorRNAExpressionProfilingofAgingMiceInducedbyD-galactose

21

WANGJing1,LIHailong1,,GENGGuangqin1,CHUHuiyuan1,WANGYong1,CHENChe(1.GansuUniversityof

TraditionalChineseMedicine,Lanzhou730000Gansu,China;2.GansuProvincialLaboratoryforNewChineseMedicinalProductsDevelopmentEngineering,Lanzhou730000Gansu,China)

Abstract:ObjectiveToinvestigatetheeffectofRadixCodonopsisaqueousextract(RCAE)onhepaticmicorRNAexpressionprofilingofagingmicemodelinducedbyD-galactose.MethodsOnehundredKunmingmicewererandomlydividedintonormalcontrolgroup,agingmodelgroupandlow-,middle-,andhigh-doseRCAEgroups.MiceexceptforthenormalcontrolgroupweregivenD-galactosefor42days,andmiceofRCAEgroupsweresimultaneouslygivenRCAE.Duringtreatment,thechangesofthegeneralsymptomandbodyweightweremonitoredatanytime.Attheendofmodeling,theserumlevelsofalaninetransmerase(ALT)andalkalinephosphatase(ALP)inmicewereexamined,thedifferentially-expressedmicroRNA(miRNA)relatedtoanti-agingprocesswasidentifiedwithAffymetrixmiRNA4.0microarray,andclusterofmiRNAmicroarrayandthepathwaysinvolvingthetargetgeneswithdifferentially-expressedmiRNAwereanalyzedbythebioinformaticstools.ResultsComparedtothenormalcontrolgroup,ALTandALPlevelsinmouseserumwereincreased(P<0.05).Comparedtotheagingmodelgroup,ALTandALPlevelsinRCAEgroupsshowedadecreasingtend,andthedecreaseofALPinhigh-doseRCAEgrouphad

收稿日期:2015-07-29

作者简介:王晶,女,博士,副教授。研究方向:利用生物芯片进行药物的筛选、疾病机理研究。Email:wangjing@gszy.edu.cn通信作者:陈彻,博士,教授。Email:Chen72123@163.com。基金项目:甘肃省高等学校科研项目(2013A-087);甘肃省中医方药挖掘与创新转化重点实验室开放基金项目(ZYFYZH-KJ-2015-008)。

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TraditionalChineseDrugResearch&ClinicalPharmacology,2016January,Vol.27No.1

statisticaldifference(P<0.05).ThemicroarrayclusteranalysisshowedthemiRNAexpressionprofilingofhigh-doseRCAEgroupandcontrolgroupwerebroughttogether,whiletheprofilingofagingmodelgroupwasclearlyseparatedfromtheothergroups.Theanti-agingdifferentially-expressedmiRNAsinthisstudyweremainlyattributedto7miRNAclusters,andtheyweremiR-466a/bcluster,miR-297acluster,miR-145acluster,miR-486cluster,miR-299acluster,miR-127cluster,andmiR-134cluster.Thetargetgeneswithdifferentially-expressedmiRNAsintheaging),andthetargetgeneswithprocessinducedbyD-galactoseweresignificantlyenrichedin29signalpathways(P<0.01differentially-expressedmiRNAsintheinterventionwithRCARmainlyparticipatedin69signalingpathways(P<0.01).ConclusionThemiRNA-targetingregulationplaysanimportantroleintheD-galactose-inducedagingandtheanti-agingeffectofRCAE.

Keywords:RadixCodonopsis;aging;miRNA;microarray;signalingpathway

MicroRNA(miRNA)是一类长约20 ̄25nt的非编码RNAs,通过对靶mRNA的转录后抑制作用调控其表达,在人的各种生命活动,如发育、衰老和肿瘤发生等过程中,发挥着重要功能[1]。党参,味甘性平,补中益气,是甘肃有名的道地药材,很多研究发现其有明显的抗衰老作用[2]。目前关于党参抗衰老作用及机制的研究已有很多报道,但衰老是一个复杂的多环节生物学过程,而且以中医的延年养生之道干预这一过程,必须考虑整体观念和辩证论治的结合[3-5]。鉴于当前从系统水平研究党参抗衰老机制研究鲜有报道,本研究利用生物芯片和生物信息学工具分析党参水提物对D-半乳糖致衰老小鼠后肝组织的miRNA表达谱的影响,以及miRNA的靶基因功能分析,拟从miRNA组学水平探讨党参抗衰老作用的机制。

1.4实验分组、模型复制及给药方法将100只小

鼠,随机分为正常对照组,衰老模型组,低、中、高剂量党参干预组,每组20只,雌雄各半。衰老模型组和党参低、中、高剂量干预组,每日每只小鼠颈背部皮下注射50g·L-1的D-半乳糖溶液,注射量为0.025mL·g-1,正常对照组注射等体积量生理盐水。衰老模型的制备,参考龚国清等人[6]的方法,以体质量减轻和机体代谢紊乱为造模成功的标志。党参干预组采用灌胃给药法,每日上午按相当于生药量5,10,15g·kg-1剂量给药,正常对照组和衰老模型组灌服等体积生理盐水,以上连续造模42d。1.5生化指标测定

动物处死前,先进行尾静脉取血

1mL,3000r·min-1离心10min,分离血清,用生化分析仪测定ALT和ALP。1.6miRNA芯片检测

利用液氮和Trizol提取各组小

鼠肝组织的总RNA,采用AffymetrixmiRNA4.0微阵列芯片(生物芯片北京国家工程研究中心提供),共有探针数目30424条(包含所有物种)进行检测分析。整个实验过程严格按照博奥AffymetrixmiRNA4.0微阵列芯片实验指南进行。杂交完成的芯片采用GeneChipRScanner3000激光扫描仪进行扫描,再用AGCC软件(AffymetrixRGeneChipRCommandConsoleRSoftware)对扫描得到的芯片图像进行分析,经过归一化和“坏点”剔除,选择荧光信号值在1000以上,Cy5/Cy3≥2.0或≤0.5以上的miRNA为表达差异miRNA。

1.7生物信息学分析

利用CluterV3.0对芯片数据进

行聚类分析,利用miRBaseRelease21(http://www.mirbase.org/)数据库分析miRNAcluster,采用Argonaute数据库(该数据库收录的miRNA靶基因是已被文献报道和实验证实过的)分析差异表达miRNA的靶基因[7],在此基础上利用博奥晶芯生物分子功能注释系统

1材料与方法

1.1动物

SPF级昆明种小鼠100只,2月龄,雌雄

)g,甘肃中医药大学科研实验动各半,体质量(18±2物中心,合格证号:SCXK(甘)2011-0001。1.2药物及试剂

党参,采自甘肃岷县,经甘肃中医

药大学中药资源教研室杜弢教授鉴定为白条党参。取党参100g,分2次煎煮,第1次加10倍量水煎煮1h,第2次加6倍水煎煮1h,合并2次提取液,过滤后,浓缩成含生药0.5g·mL-1的水煎剂,置4℃冰箱备用,水煎液每5d制备1次。D-半乳糖,美国Sigma公司产品,批号:24895207,临用前用生理盐水配制成12g·L-1,备用。谷丙转氨酶(ALT)和碱性磷酸酶(ALP)测试试剂盒,上海酶联生物诊断技术有限公司,批号分别为:ml002169和ml002235。1.3仪器公司。

7020全自动生化分析仪,日本日立公司;

GeneChipRScanner3000激光扫描仪,美国Affymetrix

中药新药与临床药理2016年1月第27卷第1期

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状;正常对照组小鼠依然活泼好动,皮毛顺滑有光泽,无明显脱毛现象;党参干预组动物接近正常对照组,而且高剂量党参干预组小鼠表现得较活跃。各组小鼠在造模42d中的平均体质量变化见表1,与正常对照组比较,衰老模型小鼠的平均体质量随造模时间的延长增加的幅度最小(P<0.05);与衰老模型组比较,低剂量党参干预组小鼠体质量变化差异不大,而中剂量和高剂量组小鼠体质量均增加较明显,其中高剂量党参干预组显著高于衰老模型组(P<0.05),与正常对照组体质量增加相当。

MASV4.0(http://bioinfo.capitalbio.com/mas/)分析其所参与的信号通路显著性[8]。1.8统计学处理方法

实验数据分析用Excel软件进

行,结果用均数±标准差(x±s)表示,组间比较采用单因素方差分析,以P<0.05为差异有统计学意义。

2结果

2.1党参对D-半乳糖致衰老小鼠形态和体质量的影响造模4周后,模型小鼠开始出现精神萎靡、倦怠少动、食量下降、皮毛疏松欠光泽等一系列的衰老症

表1

D-半乳糖致衰老小鼠体质量增长变化及党参干预作用(x±s,g,n=20)

BodyweightchangesofagingmouseinducedbyD-galactoseandinterventionaleffectofCPPS

造模时间/周

121.7±1.621.9±2.722.0±3.122.1±2.521.8±1.0

224.1±2.223.2±1.823.5±3.523.0±1.524.7±1.3

325.8±2.824.5±1.824.9±3.024.7±1.626.2±1.2

427.2±2.725.2±1.625.7±2.425.9±1.627.6±1.6

528.9±2.126.2±1.326.0±2.826.7±2.028.5±1.7

630.7±1.826.9±1.327.3±3.027.8±2.030.1±1.6

731.5±2.027.8±1.2△28.1±3.429.0±2.131.0±2.1*

Table1

组别

正常对照组衰老模型组低剂量党参干预组中剂量党参干预组高剂量党参干预组

注:与正常对照组比较,△P<0.05;与衰老模型组比较,*P<0.05。

2.2党参对D-半乳糖致衰老小鼠肝功能的影响图党参干预组小鼠肝组织的总RNA,先分别将各实验组的样本收集在一起,每组共20个样本,再利用试剂提取合并后样本的总RNA,然后进行miRNA芯片检测。每个样本分别检测到1909个小鼠miRNA探针信号变化,将检测到的所有数据做聚类分析,发现衰老模型组和正常对照组的miRNA表达谱被明显分开,而高剂量党参干预组与正常对照组的miRNA表达谱却聚类在一起,见图2。这表明D-半乳糖致衰老过程中,miRNA的表达出现了异常调控,而党参干预

1。与正常对照组比较,衰老模型组小鼠肝功能指标中血清ALT和ALP明显上升(P>0.05);与衰老模型组比较,各浓度党参干预组小鼠血清ALT和ALP有下降趋势,其中党参高剂量干预组ALP下降更明显(P<0.05),接近正常对照组水平。

250200150100500

ALT

ALP

正常对照组衰老模型组低剂量党参干预组中剂量党参干预组高剂量党参干预组

可以逆转miRNA的异常表达。在芯片结果中,许多差异表达的miRNA属于一些miRNA基因簇,即染色体上彼此紧密相邻的两个或多个基因构成的基因群[8],如表2所示。

2.4党参干预D-半乳糖致衰老小鼠肝组织miRNA靶基因的信号通路分析

利用Argonaute数据库和

MAS分析工具,发现在D-半乳糖致小鼠衰老过程中差异表达的miRNA有197个已证实的靶基因,参与到72条KEGG信号通路中,通过显著性分析,有29)。在高剂量党参干预衰老条通路显著富集(P<0.01过程中,差异表达miRNA已证实的靶基因有123个,其参与的信号通路有91条,其中67条通路显著富集(P<0.01)。根据P值排序,将分析结果中的前20条信号通路整理于表3中。

数值/U·mL-1肝功能指标

注:与正常对照组比较,△P<0.05;与衰老模型组比较,*P<0.05。

图1D-半乳糖致衰老小鼠的肝功能与党参干预的影响(n=20)Figure1

LiverfunctionofagingmouseinducedbyD-galactose

andinverventionaleffectofCPPS

2.3党参对D-半乳糖致衰老小鼠肝组织miRNA表达谱的影响

提取正常对照组、衰老模型组和高剂量

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TraditionalChineseDrugResearch&ClinicalPharmacology,2016January,Vol.27No.1

3讨论

衰老过程涉及遗传和环境等多个复杂因素,表现

衰老模型组

为各个组织器官功能的衰退和紊乱,是一个不可逆转的现象[10]。虽然不可逆,但是可以缓解,随着人民生活水平的提高,探讨衰老的机制以及寻求抗衰老的方法,成为当今医学界的研究热点之一。本研究从动物学实验模型和肝功能生化检测,证实了党参水提物在抗衰老研究中的重要作用。为了探寻其中的机制,本研究从miRNA进行入手,这是近些年发现的一类在细胞中起重要调控作用的小分子RNA。在2013年Cell杂志上列出的9个衰老标志物,其中就涉及miRNA[11]。通过聚类分析,研究证实党参的确从分子水平影响和干预了我们构建的衰老模型。另外,研究发现与党参抗衰老研究相关的差异表达miRNA大都属于一些基因簇,其中典型的有7个(miR-466a/bcluster、miR-297acluster、miR-145acluster、miR-486cluster、miR-299acluster、miR-127cluster和miR-134cluster)。有研究报道miRNA基因簇的表达和功能有协同性的特点[12],本研究结果与报道相一致。

值得注意的是,在衰老模型组比正常对照组中表达上调的miR-466acluster在党参干预组比衰老模型组中表达下调了;而在衰老模型组比正常对照组中表

图2正常对照组、衰老模型组和高剂量党参干预组小鼠肝脏

TheclusteranalysisofmiRNAexpressionprofilingsof

组织miRNA表达谱聚类分析图Figure2

normalcontrolgroup,agingmodelgroupandhighdoseofCPPSinverventionalgroup表2

正常对照组比衰老模型组、高剂量党参干预组比衰老模型组差异表达的miRNA基因簇

ThedifferentiallyexpressedmiRNAclustersofnormalcontrolgoupversusagingmodelgoup,andhighdoseofCPPSinverventional

正常对照组比衰老模型组

高剂量党参干预组比衰老模型组

表达变化倍数

5.88382.58756.92035.91477.62512.58756.89293.88412.76056.83886.66784.21155.91470.37850.42160.44210.44210.45890.6775

miRNA基因簇miR-127miR-299amiR-134miR-145amiR-466amiR-486

miRNAmiR-127-3pmiR-665-3pmiR-379-5pmiR-667-3pmiR-382-5pmiR-541-5pmiR-145a-5pmiR-669c-5pmiR-466h-3pmiR-486-5pmiR-3107-5p

表达变化倍数

2.06842.83294.05118.508892.07662.4150.45390.3950.3980.3320.332

Table2

groupversusagingmodelgoup

miRNA基因簇

miRNAmiR-297a-5pmiR-669a-5p

miR-466a

miR-466h-5pmiR-669m-5pmiR-669o-5p

miR-466b

miR-669p-5pmiR-669b-5pmiR-466f-5pmiR-669d-5p

miR-297a-2

miR-669f-5pmiR-669e-5pmiR-669l-5pmiR-466m-5p

miR-145amiR-486miR-299a

miR-145a-5pmiR-143-3pmiR-486-5pmiR-3107-5pmiR-379-5pmiR-667-3p

中药新药与临床药理2016年1月第27卷第1期

表3正常对照组比衰老模型组、高剂量党参干预组比衰老模型组差异表达miRNA的靶基因所参与的信号通路(前20位)Table3Thesignalingpathwaysassociatedwiththedifferentially-expressedmiRNAstagetgenesofnormalcontrolgroupversagingmodelgroup,andhighdoseofCPPSinverventionalgroupversagingmodelgroup(Top20)

正常对照组比衰老模型组信号通路Melanomap53signalingpathwayMAPKsignalingpathwayCellcycleRegulationofactincytoskeletonCalciumsignalingpathwayNeurodegenerativeDisordersAcutemyeloidleukemiaGliomaRenalcellcarcinomaVEGFsignalingpathwayPPARsignalingpathwayAdherensjunctionErbBsignalingpathwayProstatecancerColorectalcancerSmallcelllungcancerGnRHsignalingpathwayMelanogenesisP值8.56E-088.56E-082.40E-073.50E-072.48E-066.15E-056.15E-051.21E-041.33E-041.33E-041.33E-041.33E-041.33E-041.56E-041.56E-041.56E-041.56E-041.56E-041.56E-04MelanomaMAPKsignalingpathwayAdipocytokinesignalingpathwayMelanogenesisp53signalingpathwayTypeIIdiabetesmellitusInsulinsignalingpathwaySmallcelllungcancerTGF-betasignalingpathwayGliomaCellcyclePancreaticcancerColorectalcancerApoptosisEndometrialcancerFocaladhesionCellCommunicationAdherensjunctionAdipocytokinesignalingpathway8.56E-08高剂量党参干预组比衰老模型组信号通路ProstatecancerP值7.87E-197.68E-185.86E-174.34E-161.86E-141.09E-133.02E-133.15E-138.83E-139.63E-136.3E-127.91E-121.28E-115.99E-115.99E-111.06E-103.06E-106.41E-101.11E-09·15·

研究中没有被报道过。

综上所述,本研究利用miRNA表达谱芯片筛选了与D-半乳糖致小鼠衰老和党参水提物抗衰老相关的差异表达miRNA;并结合生物信息学工具揭示了在这些过程中起显著作用的信号通路,为研究衰老及党参抗衰老治疗提供了重要资料。参考文献:

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Argonaute--a

databaseforgeneregulationbymammalianmicroRNAs[J].Nucleic

Maturityonsetdiabetesoftheyoung9.26E-18达下调的miR-299acluster在党参干预组比衰老模型组中却显著上调了,这表明这些miRNA基因簇在党参干预D-半乳糖致小鼠衰老的过程中发挥着重要的功能。研究已报道miR-466acluster位于2号染色体Sfmbt2基因的内含子10中,是一系列促凋亡因子,参与调控哺乳动物的凋亡通路[13]。而且miR-299cluster中的miR-379也被研究证实调控CyclinB1,在肿瘤、衰老等疾病中表达下调[14-15]。本研究再一次证明了这些miRNA在调控细胞凋亡增殖方面的功能,并提示其可能是党参抗衰老机制中的靶点。

研究通过分析miRNA靶基因所富集的信号通路,发现D-半乳糖致衰老过程中,主要涉及的信号通路有p53通路、MAPK通路和细胞周期等;在党参抗衰老过程中,主要参与的通路也出现了p53通路、MAPK通路和细胞周期,表明这些通路在党参抗衰老机制中起到非常重要的作用。另外,研究发现凋亡通路也参与党参的抗衰老作用,这与之前的研究报道一致[16]。除此以外,本研究还发现TGF-β信号通路、胰岛素信号通路、脂肪细胞因子信号通路和细胞粘连等与党参的抗衰老也有密切关系,这些结果在之前的

(编辑:修春)

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