基于转录组学研究Wnt/β-catenin通路在纳米氧化镍致肺纤维化中的分子机制

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目的:建立纳米氧化镍(Nickel oxide nano particles,NiONPs)致肺纤维化大鼠模型和人胚肺成纤维细胞(Human fetal lung fibroblast 1,HFL1)胶原沉积模型,探讨NiONPs致大鼠肺纤维化过程中差异表达的非编码RNA(Non-coding RNA,nc RNA),以及Wnt/β-catenin信号通路在NiONPs致肺纤维化发生发展中的作用。方法:1.体内实验:(1)实验设计:24只成年雄性Wistar大鼠随机分为生理盐水组和NiONPs(0.015、0.06和0.24 mg/kg)组,气管滴注NiONPs混悬液染毒,每周2次连续9周。染毒结束后处死大鼠摘取肺组织用于后续实验。(2)指标检测:(1)分别从生理盐水组和0.24 mg/kg NiONPs组随机挑选3只大鼠(n=3),取100mg肺脏组织制作肺组织芯片进行转录组基因测序,筛选显著性差异表达(DE)的转录组基因。(2)使用基因本体学(Gene Ontology,GO)和KEGG分析对差异表达的转录组基因进行功能注释和通路分析。(3)使用Mi Randa 3.3a预测与mi RNA具有靶向负调控关系的circ RNA、lnc RNA和m RNA,构建ce RNA网络。(4)RT-q PCR验证18个差异表达的RNA。(5)Western blot检测大鼠肺组织中wnt3a、β-catenin、GSK-3β蛋白表达水平。2.体外实验:(1)实验设计:(1)采用不同浓度的NiONPs混悬液(0、25、50、100和200μg/m L)处理HFL1细胞12 h、24 h和36 h,检测细胞存活率并确定后续NiONPs处理的3个剂量和1个时间。(2)采用上述确定的NiONPs处理剂量和时间建立HFL1细胞胶原沉积模型,检测Wnt/β-catenin信号通路蛋白改变,确定后续NiONPs处理的1个剂量和时间。(3)用Wnt抑制剂NSC668036预处理HFL1细胞,1 h后加入NiONPs培养细胞24h。(2)指标检测:(1)CCK8试剂盒检测细胞存活率。(2)羟脯氨酸(Hyp)试剂盒检测细胞培养上清液中Hyp含量。(3)Western blot检测wnt3a、β-catenin、GSK-3β、I型胶原蛋白(Type I collagen,Col-I)和基质金属蛋白酶2(Matrix metalloproteinase 2,MMP2)蛋白表达水平。结果:1.NiONPs致肺纤维化大鼠肺组织的转录组学数据分析及ce RNA网络构建:(1)测序结果显示:在NiONPs致肺纤维化大鼠肺组织中,65个circ RNA(P<0.05)、74个mi RNA(P<0.05,Log2|(Fold change)|>2)、124个lnc RNA(P<0.05,Fold change(FC)≥1.5)和1675个m RNA(P<0.05,FC≥1.5)差异表达。(2)GO和KEGG功能富集分析显示,与肺纤维化相关的生物学过程和信号通路被富集在差异表达的nc RNAs中,其中Wnt/β-catenin信号通路在各类nc RNA中均显著性富集。(3)通过靶基因预测,差异表达的基因中共有25个circ RNA、28个mi RNA和15个m RNA用于构建circ RNA-m RNA(13对调控关系)、circ RNA-mi RNA(104对调控关系)和circ RNA-mi RNA-m RNA(61对调控关系)网络,74个lnc RNA、50个mi RNA和28个m RNA用于构建lnc RNA-m RNA(118对调控关系)、lnc RNA-mi RNA(141对调控关系)和lnc RNA-mi RNA-m RNA(174对调控关系)网络。同时mi RNA-m RNA网络(39对调控关系)由23个mi RNA和33个m RNA构建。(4)RT-q PCR结果显示,18个DE RNA表达与测序结果一致,且上述基因组成两条ce RNA调控网络,即lnc Melttl16/mi R-382-5p/Hsd17b7和circ Iqch/mi R-181d-5p/Stat1。2.Wnt/β-catenin信号通路在NiONPs致肺纤维化中的作用:(1)与对照组相比,NiONPs染毒组大鼠肺组织中wnt3a和GSK-3β蛋白含量升高(P<0.05),β-catenin蛋白含量仅在0.24 mg/kg NiONPs组增加(P<0.05)。(2)NiONPs混悬液处理HFL1细胞,细胞存活率随着处理剂量和处理时间的增多而下降,处理24 h时细胞存活率后从97%降至73%。因此,本研究选择50、100和200μg/m L的NiONPs混悬液和24 h的处理时间进行后续实验。(3)使用上述剂量和时间处理HFL1细胞后,与对照组相比,NiONPs处理组中wnt3a、β-catenin、GSK-3β、Col-I、MMP2蛋白含量和细胞培养上清液中Hyp的含量均降低(P<0.05)。(4)使用Wnt/β-catenin信号通路抑制剂NSC668036联合200μg/m L NiONPs混悬液处理HFL1细胞24 h后,与200μg/m L NiONPs处理组相比,200μg/m L NiONPs+NSC668036组中wnt3a、β-catenin、GSK-3β、Col-I、MMP2蛋白含量和细胞培养上清液中Hyp的含量均降低(P<0.05)。结论:(1)NiONPs暴露导致大鼠肺组织中nc RNA的表达发生了改变,差异表达的nc RNA参与调控相应的生物学过程、信号通路以及其他ce RNAs的表达。(2)Wnt/β-catenin通路通过调控胶原沉积影响NiONPs诱导的肺纤维化进程。
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