实验研究
低氧诱导视网膜色素上皮细胞损伤的生物学机制转录组测序分析
中华实验眼科杂志, 2021,39(6) : 505-514. DOI: 10.3760/cma.j.cn115989-20201127-00799
摘要
目的

利用转录组测序(RNA-seq)和生物信息学技术对低氧与常氧条件下人视网膜色素上皮细胞系ARPE-19细胞的差异表达基因(DEGs)及信号通路的变化进行分析,探讨低氧诱导ARPE-19细胞损伤的生物学机制。

方法

将ARPE-19细胞分为低氧处理组和常氧对照组,分别采用体积分数1%和21% O2处理细胞8、24、48、72 h,采用实时荧光定量PCR法检测不同时间点血管内皮生长因子(VEGF)和低氧诱导因子(HIF-1α)mRNA相对表达量。分别对2个组处理后8 h和24 h的ARPE-19细胞进行RNA-seq及生物信息学分析,以|log2FC|≥1且P≤0.05为条件筛选出DEGs,并对DEGs进行聚类热图分析、基因本体论(GO)功能富集分析、京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路富集分析及蛋白-蛋白互作(PPI)网络分析。采用实时荧光定量PCR法检测低氧处理ARPE-19细胞24 h后DEGs中可能与低氧有关的基因mRNA相对表达量。采用细胞活力检测试剂盒验证2个组不同时间点低氧对ARPE-19细胞的损伤作用。

结果

低氧处理组8、24、48、72 h VEGF和低氧处理组8、24、48 h HIF-1α mRNA相对表达量均高于常氧对照组,差异均有统计学意义(均P<0.05),其中低氧处理后8 h和24 h各因子mRNA表达差异较大。低氧诱导8 h,低氧处理组与常氧对照组间筛选显著DEGs共62个,其中显著上调基因45个,显著下调基因17个;低氧诱导24 h,2个组间筛选显著DEGs共255个,其中显著上调基因228个,显著下调基因27个。DEGs的GO功能分析主要富集在蛋白质降解、核苷酸生物合成及物质转运等进程。KEGG通路分析主要富集在PI3K-Akt、cGMP-PKG以及其他与代谢、细胞周期、细胞生长和细胞凋亡密切相关的信号通路。PPI网络分析发现核心基因HPCAMT3NOS3等。实时荧光定量PCR检测结果示,低氧处理ARPE-19细胞24 h后,低氧相关基因DEPP1NPPBPDZK1HILPDATCEA3NDRG1RORC的mRNA表达水平升高,TFRCNQO1的mRNA表达水平降低,差异均有统计学意义(均P<0.05)。低氧诱导ARPE-19细胞后8 h和24 h,细胞形态均正常,生长状态较好,未出现死亡细胞,低氧诱导48 h后ARPE-19细胞出现死亡,低氧诱导72 h后死亡细胞数量增加。

结论

与代谢相关的PI3K-Akt、cGMP-PKG信号通路可能参与低氧诱导的ARPE-19细胞损伤作用,HPCAMT3NOS3核心基因可作为功能性靶基因,在低氧反应中起到关键作用。

引用本文: 卢聪, 史平玲, 杨琪翔, 等.  低氧诱导视网膜色素上皮细胞损伤的生物学机制转录组测序分析 [J] . 中华实验眼科杂志, 2021, 39(6) : 505-514. DOI: 10.3760/cma.j.cn115989-20201127-00799.
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持续的视网膜缺血、缺氧会造成组织细胞损伤,引起细胞凋亡或坏死,进而导致糖尿病视网膜病变、视网膜中央静脉阻塞和早产儿视网膜病变等疾病的发生和发展,造成严重的视力损害[1]。研究表明,缺氧能够引起视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)细胞以及视网膜血管功能的紊乱,在缺氧环境中RPE细胞会持续表达血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)[2,3,4],促使视网膜及脉络膜微血管内皮细胞不断分裂增生,形成异常新生血管,继而引起视力的不可逆损害。因此,减缓甚至阻止视网膜缺血缺氧进程变得尤为重要。低氧诱导因子(hypoxia-inducible factors-1α,HIF-1α)是一种重要的核转录调节因子,在缺氧条件下被激活,并诱导包括VEGF在内的多种基因产物的表达[5]。RPE细胞位于神经视网膜外的色素细胞层,与上层视网膜感光细胞和下层脉络膜紧密相连并滋养视网膜感光细胞,在缺血或低氧状态下极易受到影响并造成损伤[2,6,7]。深入探讨低氧诱导RPE细胞损伤的分子机制有助于相关疾病的早期防治,改善患者预后。转录组测序技术又称RNA测序(RNA sequencing,RNA-seq),具有高通量、全方位、快速获取转录本的特点[8,9]。用于定量基因在细胞、组织、器官乃至整个机体中的表达异质性,在破译基因组结构和功能、识别细胞生物系统下的遗传网络、建立应对疾病、病原体的分子生物标志物等方面发挥着重要作用[10,11,12]。生物信息学技术是采用计算机技术结合信息论方法对蛋白质、核酸信息进行采集、存储、传递以及分析的科学,通过数据库建设、序列分析、结构分析与功能预测、大规模功能表达谱分析、代谢网络建模分析等,整合数据量巨大的核酸、蛋白质信息,使之成为具有明确生物学意义的生物信息[13,14]。本实验拟通过RNA-seq及生物信息学技术分析低氧与常氧处理下的ARPE-19细胞基因表达谱变化,探讨低氧诱导的RPE细胞损伤发生和发展可能的分子机制。

 
 
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