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miRNA芯片研究大鼠脑创伤后3天皮层miRNA的差异表达

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临床和实验医学杂志2010年11月 第9卷 第22期 ・1681・ miRNA芯片研究大鼠脑创伤后3天皮层 miRNA的差异表达 陈芳莲李耀华雷平张建宁(天津医科大学总医院天津市神经病学研究所天津300052) 【摘要】 目的 筛选大鼠脑创伤3 d后皮层差异表达的miRNA,为颅脑创伤治疗中的miRNA干预策略提供可供选 择的目标miRNA。方法将6例创伤后3 d的大鼠大脑皮层组织混匀代袁该组样本,将6例正常对照的大鼠大脑皮层 与正常对照相比,创伤后3 d组共有251个miRNA表达,其 组织混匀代表该组样本。利用miRNA芯片检测伤后3 d的创伤大脑皮层组织与正常对照的差异表达基因。并随机挑 选差异表达基因作定量聚合酶链反应(PCR)验证。结果中,2倍以上差异表达上调的20个,2倍以上差异表达下调的5个。定量PCR验证结果提示芯片结果可信。结论 创 伤大鼠大脑皮层的差异表达miRNA在以前的脑创伤文献中鲜有报道,对其干预有望成为颅脑创伤基因治疗的新方向。 【关键词】 大鼠脑创伤miRNA芯片 差异表达 Study oH the differentially expressed miRNA of traunmtic human cerebrum cortex 3 days after trauma by miRNA genechip.CHEN Fang lon,L1 Yao—hua,i ,P ,et e1.Department ofNeurosurgery,Tianjin Medical University General Hospital;TiaT ̄jin Neurological Institute; Key Laboratory fPosot—trauma Neuro—repair and Regeneration in Central Nervous System,Ministry fEducatoion;Tianjin Key Laboratory of 一 ries,Variations and Regeneration ofNervous System,Tianjin 300052,China 【Abstract】Objective This study was designed to screen the diferent expression of miRNA after traumatic brain injury(TBI)in rats, and to provide the target miRNA for miRNA interference in TBI treatments.Methods Diferently expressd genes were examined using miRNA chip in contused cerebral tissue 3days after TBI.The gene that express diferently were chose randomly to further be validated by quantitative PCR.Results 25 1 diferent expression of miRNA(20 up—regulated and 5 down—regulated more than twice)were found 3 days after injury. Quantitative PCR approved the results as wel1.Conclusion The interference of diferently expressed miRNA after TB1 would be a new gene thera- PY on TBI. 【Key words】Rat;Brain trauma;MiRNA gene chip;Differential expression 颅脑创伤的伤残率和死亡率占全身各部位损伤的 个标准大气压的压力造成大鼠颅脑冲击损伤。伤后即 首位,各国学者都在努力寻找有效的治疗方法。近年发 刻接小动物呼吸机予以辅助呼吸,确认自主呼吸恢复后 现内源性非编码单链小分子RNA(miRNA)可同时封闭 去除打击管,缝合头皮,将动物放回鼠笼继续喂养。假 多个靶基因的翻译,干预调节miRNA可改变多个靶基 手术组动物与实验组动物行相同手术步骤,但不致伤。 因的表达水平,可大大提预效率 。目前,miRNA 动物处死后立即断头取脑组织,均严格选取创伤灶 在脑创伤的表达情况报道鲜见。本研究利用miRNA芯 边缘水肿区皮层脑组织,显微镜下清除软膜及血管,生 片研究大鼠脑创伤后3 d的皮层miRNA表达变化,为颅 理盐水漂洗后立即装入冻存管置液氮罐速冻后再转至 脑创伤治疗中的miRNA干预策略提供目标miRNA。 80℃低温冰箱保存待用。 一1材料和方法 1.2 主要试剂、仪器 液压颅脑创伤仪(美国NEW 1.1 动物分组、模型制作及标本处理 成年Wistar大 SUN公司);小动物固定仪(自主研制,已申请国家专 鼠12只(由北京大学医学部动物中心供应),雌雄不拘, 利,200610129584.8);Trizol试剂和M—MLV逆转录酶 体质量250—300 g,随机分为两组,一组假手术组(不致 (美国Invitrogen公司);T4 RNA连接酶和低分子质量 伤),另外一组为实验组,伤后3 d,每组6只。10%水合 DNA marker(美国NEB公司);5 一(P)CU—Cy3—3 氯醛腹腔麻醉满意后将动物呈俯卧位头部固定于脑立 RNA(美国Dharmacon公司);miRNA Probe Construction 体定位仪上,备皮消毒后沿正中线切开头皮及皮下组 kit(1550#)(美国Ambion公司);mirVanaTMqRT—PCR 织,分离骨膜暴露颅骨。致伤部位选择位于右侧顶部皮 miRNA检测试剂盒(美国Ambion公司);50 X ROX ref- 层(紧挨冠状缝后,矢状缝旁2 mm)。高速磨钻行颅骨 erence dye(美国Invitrogen公司);SmartArrayTM 48芯 钻孔,保持硬膜完整,开一直径约3 mm的圆形骨窗,用 片点样仪、LuxScanTM 10K—A激光共聚焦芯片扫描仪、 牙科磷酸锌水门汀将打击管严密固定在颅骨骨窗上。 芯片杂交盒、BioMixerTM 1I芯片杂交清洗仪和DNA点 再将大鼠头部固定,待大鼠恢复清醒状态后,将打击管 样液(博奥生物公司);LilferSlipTM杂交盖片(美国Erie 注满水,连接到的液压颅脑创伤仪打击口,打开数字存 公司);SpotDataTM分析软件(博奥生物公司);Signifi— 储示波器准备记录液压冲击波形,松开摆锤,以约1.5 canoe Analysis of Mieroarrays(SAM)分析软件和Cluster 3.0软件(Stanford University);MJ—real time PCR仪(美 基金项目:国家自然科学基金(30700865) ・1682・ Journal of Clinical and Experimental Medicine Vo1.9,No.22 Nov.20 1 0 国BioRad公司)。 1.3方法 1.3.4 miRNA表达的定量PCR的验证随机挑选差 异表达的基因作为验证基因,以u6为内参,设计、合成 参照miRNA 相应的PCR引物,首先取100 ng总miRNA加入20 1.3.1 芯片探针的设计及芯片的制备Registry Release 7.0设计成熟的miRNA序列,包括人313 逆转录体系,16qC 30 min,37℃30 min,70℃10 min,4 ̄C 条、大鼠192条和小鼠261条miRNA序列,由于人、大鼠 保存。再取I Ixl cDNA加人20 I Realtime PCR体系, 和小鼠的miRNA三者具有共同的序列,取三者的并集共 扩增反应程序为:95℃预变性10 min;95 ̄C 15 S,60℃30 74 ̄C 3 S,测定荧光强度,重复40个循环;75℃至95℃ 有387条,加上Nature杂志预测的122个,最终在芯片上 S,一共设计了509条成熟miRNA序列对应的探针。考虑到 绘制溶解曲线;确定校准基因后再以同样的模板、优化 探针较短(miRNA长度在19~25 nt左右),可能影响探 后的实验体系、相同的扩增反应程序进行qRT—PCR扩 针在芯片表面的空问伸展,我们在探针上加上了与miR— 增;数据分析。 NA无关的序列使探针长度扩展到40 nt,并在5 端进行氨 2 结果  总RNA的质量 分别抽提各只大鼠脑组织样品 基修饰。同时设计了tRNA和U6 RNA的探针作为内源 2.1阳性对照(内标),另外合成了与所有RNA没有同源性的 的总RNA,OD260/OD280均在1.8~2.0之间,甲醛变  8条RNA作为外源阳性对照(外标),以不同的浓度掺人 性胶电泳见28S和18S条带清晰,未有明显降解条带, 到待检测的RNA样品中。所有探针都在德国MWG公司 说明抽提的RNA纯度和浓度符合要求。RNA芯片质量控制包括3种阳性对照和2种 合成,然后以40 tunol/L的浓度溶于DNA点样液中。探 2.2 miRNA芯片结果共得到2张芯片数据,伤后3 d 的玻片上,每个探针重复3个点,点好的芯片通过探针上 2.3 miRNA共 的氨基和芯片表面的醛基发生的希夫碱反应进行固定化 皮层与假手术对照组相比较发现差异表达的mi。  圣一针经Smart Array TM 48芯片点样仪点制在经过醛基修饰 阴性对照,结果提示芯片质量符合要求。_重_量_蒌-詈m_詈-量眦_詈 _处理,然后室温保存备用。 1.3.2样品处理及芯片杂交有251个,其巾,表达上调的140个(其中2倍以上的20 :一.  1个(其中2倍以上的5个)。具体 将各组6例样本分组混 个),表达下调的11表1 miRNA芯片 表达增高2倍以上的miRNA列表  匀后,Trizo|一步法提取脑组织总RNA,然后测定总 见表1和2。RNA的A260:A280比值检测其纯度。然后用聚乙二 醇6000(PEG 6000)分离出低分子质量RNA(LMW RNA),分离后的RNA片段用变性聚丙烯酰胺凝胶电泳 miRNA名称 差异倍数 6 3 3 2 3 2 2 2 2 2 (PAGE)鉴定其分离效果。分离后的LMW RNA采用 T4 RNA连接酶按照Thomson等 的方法进行标记。 采用LifterSlipTM杂交盖片,将杂交盒置于可以促 进盖片下的杂交液流动的辅助杂交仪上,在42 ̄C水浴 杂交过夜,然后在42℃用洗液I(2×SSC、0.2%SDS)、 一一一一一一一一一一一一洗液Ⅱ(0.2×SSC)分别洗4 min,然后离心甩干芯片。 1.3.3 图像获取和数据处理 采用LuxScanTM 10K— A激光共聚焦芯片扫描仪扫描芯片,获得芯片的TIFF 图后,用SpotDataTM软件提取数据。在芯片数据处理 时,先筛选除去弱信号点。由于一个探针点是由多个像 素的信号构成的,一个探针点中必须有超过30%的像 素信号高于此探针本底背景信号值.4-2倍标准差,此探 针的信号才被视为有效信号,进入后续的数据分析。然 后用每张芯片上所有有效探针点信号的平均值进行归 一化,以便芯片之间的比较。为了确定各张芯片之间的 表2 IniRNA芯片上表达下降2倍以上的miRNA列表 miRNA名称 差异倍数 0.O453178l6 miRNA表达差异的显著性,用SAM分析软件中的two class unpaired进行芯片数据分析,差异基因筛选为: FDR控制在5%以内,Fold change为2.0倍。miRNA表 达的聚类分析采用每张芯片平均值归一化后的数据,用 Cluster 3.0软件进行聚类分析 。 0.O433O5290 O.015934464 0.497l85l67 0.448734695 临床和实验医学杂志2010年11月 第9卷 第22期 ・1683・ 2.4定量PCR验证据芯片结果随机选择mir一21为 后3 d出现大量miRNA的表达变化,但发生明显表达改 TGGATATGGATGGTCAGAT— 验证对象,设计引物(Forward 5一q3"TCTFGCCGTFCTG. 变(按2倍差异标准)的数量并不多,表达上调2倍以上 TAAGTG一3.Reverse 5 的20个,表达下调2倍以上的5个。 下一步工作将在脑创伤动物模型上逐个研究差异 GAA一3),内参U6的引物(Forward 5一CTCGCTYCG. GCAGCACA 一3.Reverse 5一AACGCTTCACGAATIT— 表达的miRNA正负向干预对脑创伤结果的影响,以检 GCGT一3)。miRNA芯片上Ratio值是2.8372,定量 验颅脑创伤治疗中的miRNA干预策略的可行性。 PCR Ratio值是3.2131,可见Ratio值趋势基本吻合,说 明芯片结果可信。 参考文献 [1]Bushati N,Cohen SM.microRNA functions[J].Annu Rev Cell Dev 3讨论 颅脑创伤过程中的基因表达变化犹如一个“黑匣 子”,并不是单一的信号通路的改变,而是呈现错综复杂 的立体网络变化,颅脑创伤瞬间迅速激发了多个基因的 表达改变,上游基因表达改变又导致了下游相关基因的 表达改变,出现级联瀑布反应和扩大效应。本研究室曾 利用基因芯片研究临床脑创伤后手术患者的创伤灶附 近皮层脑组织基因表达变化情况,筛选出了部分与脑创 伤密切相关的基因,相关研究结果已经公开发表 ,并 将在后期研究中逐步验证其干预效果。可以预见的是, 在如此复杂庞大的基因表达网络中,单独对某个基因实 施干预,对脑创伤的治疗影响将是有限的,如果能够同 时对多基因表达进行干预,将会大大提高效率。现代生 命科学的研究进展已为我们带来了事半功倍的曙光,这 丝曙光要得益于RNA的研究进展——miRNA的发现。 miRNA是近年发现的一种由21~23个碱基组成的 内源性非编码单链小分子RNA,广泛存在于真核生物 中。哺乳动物的miRNA与靶标mRNA不是序列严格互 补的完全结合,故而每个哺乳动物的miRNA都能阻止 很多个下游靶标mRNA的翻译,从而封闭多个基因的表 达。所以从干预单个的基因转向干预miRNA可能会让 我们的基因治疗策略事半功倍。但迄今为止,国内外有 关miRNA的研究都集中在生物生长发育、分化,肿瘤, 心脏病,艾滋病等慢性生理或病理过程中,鲜有见到 miRNA在急性损伤病理状态时的研究报道 。。 。 本研究目的是探索脑创伤后皮层组织miRNA的表 达变化情况,寻找与创伤后果密切相关的miRNA。因为 在脑创伤研究领域鲜见miRNA的研究报道,对脑创伤 后miRNA的表达情况尚不清楚,所以本研究应用了高 效的基因表达研究武器——miRNA芯片初步筛选和鉴 定脑创伤后明显表达改变的miRNA。结果发现脑创伤 Biol,2007,23:175—205. 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