基于转录组表达谱分析探讨参麻益智方对VaD的炎症反应相关作用机制

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目的:(1)通过对GEO数据库中的血管性痴呆(Vascular Dementia,VaD)相关数据集进行生物信息学分析,筛选出对疾病具有诊断意义的关键基因,以期为临床认知障碍诊断提供依据。(2)通过高通量测序,构建多发脑梗致血管性痴呆模型大鼠海马脑转录组表达谱,基于测序结果进行差异表达分析,结合关键诊断基因筛选与其相关的VaD驱动因素—关键mRNA,探究其相关基因及信号通路,并纳入临床受试者对筛选出的诊断基因、关键mRNA及相关信号通路进行验证以寻找可能干预VaD的靶点。(3)评价参麻益智方对多发脑梗致血管性痴呆大鼠的影响,验证参麻益智方是否可以通过该靶点治疗VaD。方法:(1)通过对GEO数据库中的认知障碍相关数据集进行检索、筛选,选出合适的两个数据集,使用R包“limma”对数据集中的数据表达谱以阈值|logFC|>0.5、P value<0.05分别对两个数据集进行差异分析,并绘制火山图和聚类图,将差异基因按上调、下调基因分别取交集,使用R包“ROCR”绘制得到的交集基因在数据集中的ROC曲线(具有诊断意义的筛选阈值为AUCscore>0.7)。对有诊断意义的差异基因使用R包“clusterprofiler”进行GSEA-GO、以及GSEA-KEGG功能富集,根据文献获得m6A相关性基因,使用R的cor.test按照阈值|cor|>0.3,Pvalue<0.05计算Hubgene与m6A相关基因在VaD数据集中表达量的Pearson相关,并绘制相关性热图。(2)应用微球栓塞法建立多发脑梗致VaD模型,并对模型大鼠和假手术组大鼠进行高通量转录组测序,进行文库构建、文库质检后,基于Illumina HiSeq测序平台上机测序,使用HISAT2进行参考基因组比对分析,使用HTSeq计算基因表达量,构建基因表达谱,使用DESeq按照|log2(FC)|>1,P<0.05为阈值筛选差异基因并绘制聚类图及火山图。使用GSEA官网软件对组间差异基因进行GSEA富集分析,并基于String数据库和Cytoscape软件构建蛋白互作网络,筛选网络中可能的关键mRNA。采用qPCR对筛选的多个差异基因在模型大鼠海马组织中进行验证。使用R中的cor.test计算第一部分得出的有诊断意义的基因与qPCR结果验证后的各基因在第一部分VaD数据集中表达量的Pearson相关性,相关性显著的基因作为VaD驱动因素关键mRNA,并根据富集分析以及文献检索,确定其相关信号通路,在蛋白质层面进行Western Blot(WB)验证,对前两部分研究中的关键诊断基因和关键基因及其相关信号通路分别进行Pearson相关性分析,绘制热图,筛选相关性高的基因作为可能关键诊断基因。纳入VaD受试者及健康受试者,对上述所得关键基因及其通路蛋白质、可能关键诊断基因通过Elisa进行蛋白质层面检测。(3)采用微球栓塞法构建多发脑梗致VaD模型,将大鼠分为假手术组(Sham)、模型组(Model)、参麻益智低、中、高剂量组以及盐酸多奈哌齐组(DNPQ)和复方苁蓉组(FFCR),灌胃给药3个月,进行Morris水迷宫实验评估其给药后的空间学习记忆能力,HE染色观察海马CA1区神经元状态,透射电镜观察CA1区神经元超微结构变化,应用Elisa、WB分别对Twist1、TNF-α、NF-κB p65、IL-1β、TGF-β1以及STAT3磷酸化进行验证,qPCR对其mRNA层面进行验证。结果:(1)对GEO数据库中筛选出的VaD以及MCI数据集进行差异基因筛选,并对其进行ROC曲线绘制,最终得出三个在VaD疾病中具有可能诊断意义的Hubgene:C4BPA、HEMGN、STRN3。(2)对高通量测序所得的差异表达基因富集分析、PPI网络筛选得出Top10基因以及相关富集通路,构建多发脑梗致VaD大鼠海马转录组表达谱,并通过qPCR检测对部分测序结果进行验证,证明其结果可靠。结合第一部分所得具有诊断意义的Hubgene(C4BPA、HEMGN、STRN3)与qPCR验证的基因进行相关性分析,筛选出与C4BPA、HEMGN、STRN3均高度相关的基因Twist1作为第二部分的关键基因。WB结果显示Twist1在Model组大鼠海马中显著下调(P<0.01),证实其蛋白质层面与基因层面表达一致。结合差异表达基因的GSEA分析结果筛选出TNF信号通路以及NF-κB信号通路与Twist1高度相关,Pearson相关性分析结果显示C4BPA与与TNF信号通路显著负相关(P<0.01)、HEMGN与NF-κB信号通路正相关(P<0.05),故将C4BPA、HEMGN作为可能关键诊断基因。(3)VaD受试者与健康受试者血液样本Elisa检测结果显示:Twist1、TNF-α、和NF-κB p65在VaD受试者血液中均上调,Twist1和TNF-α差异有显著统计学意义(P<0.01),C4BPA在VaD受试者血液中显著下调(P<0.01),结果与前两部分研究结果基本相符。(4)模.型大鼠水迷宫实验结果显示:定位航行试验:各组大鼠之间的平均游泳速度无明显差异(P>0.05),与Sham组比较,Model组大鼠潜伏期明显延长(P<0.05),与Model组比较,SMYZ-L、SMYZ-H两组潜伏期均明显降低(P<0.05),其余各组虽有降低,但差异无统计学意义。HE染色结果显示:Sham组海马CA1区结构清晰细胞数目正常,神经元整齐无肿胀,细胞神经元无坏死;Model组海马CA1区细胞分布不均,数目减少,胞间间隙增宽,神经元变性肿胀坏死明显;参麻益智方各剂量组相较于Model组神经元存活较多且整齐,神经元变性肿胀坏死不明显。SMYZ-H组相较于SMYZ-L、SMYZ-M组以及FFCR组与DNPQ组神经元存活相对较多,排列更为整齐,神经元变形肿胀坏死等状态不明显。透射电镜结果显示:Sham组大鼠海马CA1区神经元结构完整、包膜清楚、形状规则,核膜平滑完好,核内染色质均匀分布,核仁清楚,富含细胞器,线粒体较多,未见肿胀,溶酶体、粗面内质网可见,颗粒未见脱落;Model组大鼠海马CA1区神经元明显肿胀,核膜不完整,胞质内仅见少量线粒体等细胞器且明显水肿,线粒体变性,内质网扩张,内质网表面存在颗粒融合或脱落,出现自噬结构及溶酶体;FFCR组、DNPQ组、SMYZ-L组神经元较好,核膜较完好,核内染色质相对均匀分布,胞质内线粒体虽有部分肿胀,但肿胀程度较小,内质网无扩张,内质网表面颗粒融合、脱落较少,可见少量溶酶体;SMYZ-M与SMYZ-H组较Model组明显改善,神经元相对完好,核膜完整,核内染色质均匀分布,胞质内线粒体及其他细胞器结构几乎无肿胀,内质网无扩张,内质网表面颗粒几乎无融合及脱落现象,无自噬结构,可见少量溶酶体,趋向正常。Elisa、WB、qPCR检测结果提示,与 Sham 组大鼠相比,TNF-α、IL-1β、P-STAT3/STAT3 以及TNF-α mRNA、NF-κB p65 mRNA、Twist1 mRNA、IL-1β、STAT3在Model组大鼠海马组织中均显著上调(P<0.01),NF-κB p65、Twist1、TGF-β1、TGF-β1 mRNA 上调(P<0.05)。参麻益智方各剂量组相较于 Model 组 TNF-α、NF-κB p65、Twist1、IL-1β、P-STAT3/STAT3以及 TNF-αmRNA、NF-κB p65mRNA、Twist1mRNA、IL-1βmRNA、STAT3mRNA均有一定程度的下调,其中高剂量组对各项指标改善均最为明显有显著统计学差异(P<0.05),优于其他各剂量组和药物对照组。结论:(1)构建了微球栓塞法造成多发脑梗致VaD大鼠海马转录组表达谱,初步筛选出关键基因Twist1及TNF-α/NF-κB/Twist1信号通路,其在模型大鼠海马中及VaD患者血液样本中均上调。结合对公共数据库进行生物信息学分析,筛选出与Twist1及TNF-α/NF-κB/Twist1信号通路高度相关的可能关键诊断基因C4BPA,其在VaD患者血液样本中下调。(2)参麻益智方能够改善多发脑梗致VaD模型大鼠的空间学习记忆能力及其海马CA1区的神经元丢失坏死肿胀等状态,参麻益智方可以下调TNF-α/NF-κB/Twist1信号通路以及IL-1β,改善VaD疾病过程中的炎症反应,这可能为参麻益智方改善VaD疾病症状的治疗靶点。
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