缺氧预处理心肌细胞源外泌体circHIPK3调控氧化应激状态下心肌微血管内皮细胞凋亡与增殖的实验研究

来源 :遵义医科大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:dong33261
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研究背景:心肌微血管内皮细胞(cardiac microvascular endothelial cells,CMECs)通过循环相互连接,在心肌细胞(cardiomyocytes,CMs)之间形成连续的内皮,对调节和维持心脏功能起着不可或缺的作用。心肌梗死后局部氧化应激环境下,心肌微血管内皮细胞凋亡、坏死,增殖和迁移受限,严重破坏微血管的完整性,使得冠脉再通后心肌细胞水平灌注不充分,促使原本存活的心肌细胞凋亡或坏死,在多种病理生理作用下出现心脏结构和功能的改变,最终导致患者出现心功能不全和心源性死亡。近年来,细胞旁分泌效应在改善心肌梗死局部微环境、修复梗死心肌中发挥着举足轻重的作用,其中外泌体(exosomes)是旁分泌途径发挥作用的主要物质,已经成为血管再生和心脏修复的关键调节剂。Exosomes富含非编码RNA(non-coding RNAs,ncRNAs)、蛋白质、细胞因子等生物活性物质,能够介导细胞与细胞之间的信息交流,其中外泌体源circRANs因具有更好的保守性及稳定性而备受关注。研究表明心肌细胞可通过释放exosomes(CMs-exosomes)至周围接触细胞(成纤维细胞,内皮细胞等),通过细胞间交互作用调控靶细胞的生物学活性,但具体机制不明。本课题前期研究发现,缺氧预处理(Hypoxic preconditioning,HPC)心肌细胞exosomes可通过传递高表达的circHIPK3减少小鼠心梗面积,增加梗死边界区新生血管密度。而目前,关于缺氧预处理心肌细胞源exosomal circHIPK3调控氧化应激状态下CMECs凋亡、增殖及迁移的机制研究尚未见报道。因此本研究拟在前期研究的基础上,进一步在体外建立急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)氧化应激微环境,探讨缺氧预处理心肌细胞源exosomal circHIPK3对氧化应激环境下CMECs凋亡、增殖及迁移的调控作用及其相关机制。第一部分缺氧预处理CMs-exosomes对氧化损伤CMECs的功能研究目的:观察常氧及缺氧预处理CMs-exosomes对氧化损伤CMECs的作用。方法:1、CMs培养:双酶消化法联合差速贴壁法及添加溴脱氧尿苷(BrdU)纯化法体外分离培养小鼠CMs,免疫荧光(immunofluorescence,IF)鉴定CMs心肌肌钙蛋白T(cTnT)分子的表达;2、CMs缺氧预处理时间确立:Cell Counting Kit-8(CCK-8)检测HPC不同时间(0 h、6 h、12 h、18 h、24 h)对CMs细胞活性的影响。3、CMECs培养:酶消化法联合差速贴壁法诱导培养实验所需的CMECs,IF鉴定CMECs细胞标志物vWF、CD31。4、Exosomes提取鉴定:超速离心法(ultracentrifugation,UC)提取常氧心肌细胞exosomes(Normal exosomes,Nor-exos)与缺氧预处理心肌细胞exosomes(Hypoxic exosomes,HPC-exos)。Western Blot检测exosomes表面标志蛋白CD9、HSP70及Alix的表达,透射电镜(transmission electron microscope,TEM)观察exosomes形态;纳米颗粒追踪分析(nanoparticle tracking analysis,NTA)分析exosomes群体特征。5、建立CMECs的体外氧化应激模型:以不同浓度的H2O2(50μM、100μM、200μM、300μM)处理CMECs 3h探索H2O2模拟氧化应激微环境的最佳浓度,以200μM的H2O2处理CMECs不同时间(1 h、2 h、3 h、4 h),设常氧状态CMECs为对照组,采用流式细胞术(flow cytometry,FCM)检测不同浓度H2O2及处理不同时间对CMECs凋亡的影响,探讨体外建立氧化应激微环境的最佳浓度及时间。6、Exosomes内化验证:以红色荧光染料Dil标记exosomes并与CMECs共培养不同时间(4 h、8 h、12 h),IF观察CMECs摄取exosomes的情况。确定最佳的共培养时间作为后续exosomes处理CMECs的条件;FCM检测不同浓度exosomes(0μg/mL、100μg/mL、200μg/mL、300μg/mL及400μg/mL)与CMECs共培养8h后对氧化应激微环境CMECs增殖的影响。7、Exosomes抗氧化应激效应:为验证Nor-exos及HPC-exos对氧化应激状态下CMECs凋亡、增殖与迁移的影响,实验分为5组:(1)Normal(Nor)组;(2)H2O2组;(3)exos-depleted组;(4)Nor-exos组;(5)HPC-exos组。采用Annexin V-FITC/PI双染法检测细胞膜内侧磷脂酰丝氨酸(PS)外翻情况;2’,7’-二氯荧光素二乙酸酯(2’,7’-dichlorofluorescein diacetate,DCFH-DA)荧光探针检测细胞活性氧(reactive oxygen spieces,ROS)的释放;Western Blot检测凋亡相关蛋白Bcl-2、Bax、Caspase3的表达量;Tunel染色检测细胞DNA片段化。采用FCM检测细胞周期,EdU染色检测细胞DNA复制活性与增殖能力;Western Blot检测增殖相关蛋白PCNA、CyclinD1、P21的表达。采用Transwell细胞迁移实验检测CMECs的体外迁移能力。结果:1、原代CMs呈细小圆形,1天后镜下观察部分细胞已贴壁,2天后细胞呈三角形、梭形、多边形和不规则形等,并且存在细胞的自发性搏动。IF鉴定cTnT呈阳性表达。2、CCK-8结果显示,缺氧预处理12 h CMs的细胞活性显著上调(P<0.05)。3、酶消化法联合差速贴壁法诱导培养的CMECs 2天已贴壁,34天后生长较快,胞质伸展,6天后细胞呈不规则、梭形生长,铺路石样排列。IF观察细胞表面分子vWF与CD31均呈阳性表达。4、UC法分别提取Nor-exos及HPC-exos,Western Blot结果显示exosomes表面标记蛋白CD9、Alix、HSP70均呈阳性表达;TEM观察见大小不一,呈圆形或双凹圆盘状有脂质膜包裹的囊泡状小体;NTA结果显示Nor-exos与HPC-exos的颗粒大小均为151 nm。5、FCM结果显示,200μM H2O2处理CMECs 3 h组的早期凋亡率显著上调(P<0.05),且坏死率无明显变化(P>0.05),因此选取200μM H2O2 3 h组作为诱导CMECs氧化应激微环境的最佳处理条件。6、Dil标记exosomes与CMECs共培养8 h后,荧光显微镜观察发现绝大部分exosomes被CMECs摄取。FCM结果显示与0μg/m L、100μg/m L、200μg/m L组相比,300μg/m L exosomes处理细胞8 h,可使CMECs增殖率达最高(P<0.05),与300μg/m L组相比,400μg/m L组细胞增殖率无显著差异(P>0.05)。最终选取300μg/m L exosomes与CMECs共培养8 h为后续实验处理条件。7、与Nor组相比,H2O2可显著诱导CMECs凋亡及抑制CMECs的增殖及迁移(P<0.05)。与H2O2组相比,Nor-exos组与HPC-exos组细胞凋亡减少,细胞增殖及迁移增加(P<0.05),且HPC-exos较Nor-exos具有更好抗凋亡、促增殖的保护作用(P<0.05)。小结:在氧化应激条件下,Nor-exos及HPC-exos均可抑制CMECs的凋亡、促进CMVEC的增殖及迁移,发挥CMECs的保护作用,但HPC-exos的效果更加显著。第二部分HPC-exosomal circ HIPK3靶向抑制miR-29a调控氧化应激状态下CMECs的凋亡、增殖及迁移目的:探讨HPC-exosomal circ HIPK3调控氧化应激微环境下CMECs凋亡、增殖及迁移效应。方法:1、HPC-exos中circ HIPK3的相对表达情况:采用q RT-PCR检测Nor-exos与HPC-exos中circ HIPK3的表达量;Nor-exos和HPC-exos处理CMECs后细胞内circ HIPK3的表达是否有变化,实验分为4组:(1)Nor组;(2)H2O2组;(3)Nor-exos组;(4)HPC-exos组。采用q RT-PCR检测各组中circ HIPK3的表达量。2、circ HIPK3感染复数的确立:采用慢病毒转染的方法,过表达或沉默CMECs或CMs中circ HIPK3,实验分组:CMECs:MOI=10、MOI=50、MOI=100;CMs:MOI=50、MOI=100、MOI=200,采用q RT-PCR检测转染效率。3、验证HPC-exos主要通过传递circ HIPK3发挥抗细胞凋亡、促细胞增殖与迁移效应,实验分为8个组:(1)H2O2组;(2)Lentiviral vector(LV)组;(3)LV-circ HIPK3组;(4)LV-si-circ HIPK3组;(5)HPC-exos组;(6)LV-exos组;(7)LV-si-HIPK3 m RNA-exos组;(8)LV-si-circ HIPK3-exos组。采用q RT-PCR检测不同处理组CMECs中circ HIPK3的表达情况。采用Annexin V-FITC/PI双染法检测细胞凋亡,DCFH-DA荧光探针检测ROS的释放,Western Blot检测凋亡相关蛋白Bcl-2、Bax、Caspase3的表达量;Tunel染色检测细胞DNA片段化。采用FCM检测细胞周期,Ed U染色检测细胞DNA复制活性与增殖能力;Western Blot检测增殖相关蛋白PCNA、Cyclin D1、P21的表达量。采用Transwell细胞迁移实验检测CMECs的体外迁移能力。4、circ HIPK3与miR-29a相关性验证:采用q RT-PCR检测(1)H2O2组、(2)LV组、(3)LV-circ HIPK3组、(4)LV-si-circ HIPK3组中circ HIPK3、miR-29a的表达;采用荧光素酶报告实验、Ago2免疫共沉淀实验验证circ HIPK3与miR-29a的结合;采用RNA FISH实验检测circ HIPK3与miR-29a在细胞中的定位。5、氧化应激状态下CMECs中miR-29a相对表达量:实验分为2组,正常CMECs组(control组)与H2O2处理的CMECs组(H2O2组),采用q RT-PCR检测氧化应激状态下CMECs中miR-29a的表达量。6、miR-29a对氧化应激微环境CMECs的作用验证:以ribo FECT?CP转染试剂转染miR-29a及其阴性对照物至氧化应激状态下CMECs,观察miR-29a对氧化应激状态下CMECs凋亡、增殖与迁移的影响。实验分组:(1)H2O2组;(2)miR-29a mimics组;(3)MNC(mimics negative control)组;(4)miR-29a Inhibitors组;(5)INC(inhibitor negative control)组。通过Annexin V-FITC/PI双染法检测细胞凋亡,DCFH-DA荧光探针检测ROS的释放,Western Blot检测凋亡相关蛋白Bcl-2、Bax、Caspase3的表达量;Tunel染色检测细胞DNA片段化。采用FCM检测细胞周期,Ed U染色检测细胞DNA复制活性与增殖能力;Western Blot检测增殖相关蛋白PCNA、Cyclin D1、P21的表达量。采用Transwell细胞迁移实验检测CMECs的体外迁移能力。7、HPC-exos介导miR-29a调控CMECs凋亡、增殖与迁移的作用:实验分组:(1)H2O2组;(2)HPC-exos组;(3)HPC-exos+miR-29a mimics组;(4)HPC-exos+MNC组;(5)HPC-exos+miR-29a Inhibitors组;(6)HPC-exos+INC组。采用Annexin V-FITC/PI双染法检测细胞凋亡;DCFH-DA荧光探针检测ROS的释放;Western Blot检测凋亡相关蛋白Bcl-2、Bax、Caspase3的表达量;Tunel染色检测细胞DNA片段化。采用FCM检测细胞周期,Ed U染色检测细胞DNA复制活性与增殖能力;Western Blot检测增殖相关蛋白PCNA、Cyclin D1、P21的表达量。采用Transwell小室细胞迁移实验检测细胞的体外迁移能力。结果:1、q RT-PCR结果显示缺氧预处理CMs-exosomes内cric HIPK3表达量明显高于常氧CMs-exosomes(P<0.05)。在氧化应激的基础上,Nor-exos与HPC-exos处理CMECs后细胞内的circ HIPK3的表达也明显上调(P<0.05),且HPC-exos的作用更加明显(P<0.05)。2、q RT-PCR结果显示,慢病毒转染CMECs时,MOI=50的转染效率最高,转染CMs时,MOI=100的转染效率最高。因此选择MOI=50作为转染CMECs的最佳MOI,MOI=100作为转染CMs的最佳MOI。3、q RT-PCR结果显示,与H2O2组相比,LV-circ HIPK3组、HPC-exos组circ HIPK3表达明显上调(P<0.05),LV-si-circ HIPK3组circ HIPK3表达显著下调(P<0.05)。与HPC-exos组相比,LV-si-HIPK3 m RNA-exos组circ HIPK3表达无明显差异(P>0.05),LV-si-circ HIPK3-exos组circ HIPK3表达显著下调(P<0.05)。FCM、Western Blot与Tunel结果显示,与H2O2组相比,LV-circ HIPK3组、HPC-exos组细胞PS外翻减少(P<0.05),细胞内ROS的释放减少(P<0.05),Bax与Cleaved caspase3表达量降低、Bcl-2表达量升高(P<0.05),细胞DNA片段化减少(P<0.05),LV-si-circ HIPK3组细胞PS外翻增加(P<0.05),细胞内ROS的释放增加(P<0.05),Bax与Cleaved caspase3表达量增多、Bcl-2表达量减少(P<0.05),细胞DNA片段化增加(P<0.05)。与HPC-exos组相比,LV-si-HIPK3 m RNA-exos组细胞PS外翻,细胞内ROS的释放,Bcl-2、Bax及Cleaved caspase3表达量,细胞DNA片段化均无明显差异(P>0.05),LV-si-circ HIPK3-exos组细胞PS外翻减少(P<0.05),细胞内ROS的释放减少(P<0.05),Bax及Cleaved caspase3表达量减少、Bcl-2表达量增加(P<0.05),细胞DNA片段化减少(P<0.05)。与H2O2组相比,LV-circ HIPK3组、HPC-exos组细胞G0/G1期比例降低、S+G2/M期比例升高(P<0.05),细胞增殖能力明显增强(P<0.05),PCNA与Cyclin D1的表达量均明显增多、P21的表达量明显减少(P<0.05),细胞迁移数目均明显增多(P<0.05),LV-si-circ HIPK3组G0/G1期比例升高、S+G2/M期比例降低(P<0.05),细胞增殖能力明显减弱(P<0.05),PCNA与Cyclin D1的表达量均明显减少、P21表达量明显增多(P<0.05),细胞迁移数目明显减少(P<0.05)。与HPC-exos组相比,LV-si-HIPK3 m RNA-exos组细胞G0/G1期比例与S+G2/M期比例,细胞增殖能力,P21、PCNA、Cyclin D1表达量,细胞迁移数目均无显著变化(P>0.05),LV-si-circ HIPK3-exos组细胞G0/G1期比例升高、S+G2/M期比例降低(P<0.05),细胞增殖能力显著减弱(P<0.05),PCNA与Cyclin D1的表达量显著减少、P21表达量显著增多(P<0.05),细胞迁移数目显著减少(P<0.05)。4、q RT-PCR结果显示,与H2O2组相比,LV-circ HIPK3组的circ HIPK3的相对表达量明显上调(P<0.05),LV-si-circ HIPK3的circ HIPK3相对表达量明显下调(P<0.05),但miR-29a的相对表达量均无明显变化(P>0.05)。荧光素酶报告实验结果显示,circ HIPK3与miR-29a可以结合。RNA FISH实验结果显示,circ HIPK3与miR-29a共定位于细胞胞质。Ago2共沉淀实验结果显示,circ HIPK3与miR-29a、Ago2可形成三元复合物。5、q RT-PCR结果显示,与control组相比,H2O2组miR-29a的相对表达量明显增高(P<0.05)。6、与H2O2组相比,miR-29a mimics组细胞PS外翻增多(P<0.05),细胞内ROS的释放增多(P<0.05),Bax与Cleaved caspase3表达量增多、Bcl-2表达量减少(P<0.05),细胞DNA片段化增加(P<0.05)。miR-29a Inhibitors组细胞PS外翻减少(P<0.05),细胞内ROS的释放减少(P<0.05),Bax与Cleaved caspase3表达量减少、Bcl-2表达量增多(P<0.05),细胞DNA片段化减少(P<0.05)。与H2O2组相比,miR-29a mimics组细胞G0/G1期比例升高,S+G2/M期比例降低(P<0.05),细胞增殖能力减弱(P<0.05),PCNA与Cyclin D1的表达均明显降低、P21表达明显升高(P<0.05),细胞迁移数目明显减少(P<0.05),miR-29a Inhibitors组细胞G0/G1期比例降低,S+G2/M期比例降低升高(P<0.05),细胞增殖能力增强(P<0.05),PCNA与CyclinD1的表达均明显升高、P21表达明显降低(P<0.05),细胞迁移数目均明显增多(P<0.05)。7、与H2O2组相比,HPC-exos组细胞PS外翻减少(P<0.05),细胞内ROS的释放减少(P<0.05),Bax与Cleaved caspase3表达量减少、Bcl-2表达量增多(P<0.05),细胞DNA片段化减少(P<0.05)。与HPC-exos组相比,HPC-exos+mimics组细胞PS外翻增多(P<0.05),细胞内ROS的释放增多(P<0.05),Bax与Cleaved caspase3表达量增多、Bcl-2表达量减少(P<0.05),细胞DNA片段化增加(P<0.05)。HPC-exos+Inhibitors组细胞PS外翻减少(P<0.05),细胞内ROS的释放减少(P<0.05),Bax与Cleaved caspase3表达量减少、Bcl-2表达量增多(P<0.05),细胞DNA片段化减少(P<0.05)。与H2O2组相比,HPC-exos组细胞G0/G1期降低、S+G2/M期比例升高(P<0.05),细胞增殖能力增强(P<0.05),PCNA、Cyclin D1的表达均明显升高、P21表达明显降低(P<0.05),细胞迁移数目均明显增多(P<0.05)。与HPC-exos组相比,HPC-exos+mimics组细胞G0/G1期比例升高,S+G2/M期比例降低(P<0.05),细胞增殖能力减弱(P<0.05),PCNA、Cyclin D1的表达均明显降低、P21表达明显升高(P<0.05),细胞迁移数目显著减少(P<0.05),HPC-exos+Inhibitors组细胞G0/G1期比例降低,S+G2/M期比例升高(P<0.05),细胞增殖能力增强(P<0.05),PCNA、Cyclin D1的表达均明显升高、P21表达明显降低(P<0.05),细胞迁移数目均明显增多(P<0.05)。小结:HPC-exosomal circ HIPK3通过调控miR-29a的作用从而抑制氧化损伤CMECs的凋亡,并促进其增殖、迁移。第三部分HPC-exosomal circ HIPK3靶向抑制miR-29a调控IGF-1、VEGFA介导氧化应激状态下CMECs的凋亡、增殖及迁移目的:探讨HPC-exosomal circ HIPK3靶向抑制CMECs中miR-29a,促进下游IGF-1与VEGFA表达,调控氧化应激微环境下CMECs凋亡、增殖与迁移效应。方法:1、miR-29a与IGF-1相关性验证:采用荧光素酶报告实验验证miR-29a与IGF-1的结合;以ribo FECT?CP转染试剂转染miR-29a及其阴性对照物至氧化应激状态下CMECs,实验分组:(1)H2O2组;(2)miR-29a mimics组;(3)MNC组;(4)miR-29a Inhibitors组;(5)INC组。采用q RT-PCR检测各组miR-29a、IGF-1的相对表达情况;Western Blot检测IGF-1的蛋白表达量。2、miR-29a与VEGFA相关性验证:采用荧光素酶报告实验验证miR-29a与VEGFA的结合;以ribo FECT?CP转染试剂转染miR-29a及其阴性对照物至氧化应激状态下CMECs,实验分组:(1)H2O2组;(2)miR-29a mimics组;(3)MNC组;(4)miR-29a Inhibitors组;(5)INC组。采用q RT-PCR检测各组VEGFA的相对表达情况;Western Blot检测各组VEGFA的蛋白表达量。3、HPC-exos通过传递circ HIPK3调控miR-29a对氧化应激状态下CMECs凋亡、增殖与迁移的影响:实验分组:(1)HPC-exos组;(2)LV-si-circ HIPK3-exos(si-circ-exos)组;(3)si-circ-exos+mimics组;(4)si-circ-exos+MNC组;(5)si-circ-exos+Inhibitors组;(6)si-circ-exos+INC。采用Annexin V-FITC/PI双染法检测细胞凋亡;DCFH-DA荧光探针检测ROS的释放;Western Blot检测凋亡相关蛋白Bcl-2、Bax、Caspase3的表达量;Tunel染色检测细胞DNA片段化。采用FCM检测细胞周期,Ed U染色检测细胞DNA复制活性与增殖能力;Western Blot检测增殖相关蛋白PCNA、Cyclin D1、P21、IGF-1及VEGFA的表达量。采用Transwell小室细胞迁移实验检测细胞的体外迁移能力。结果:1、荧光素酶报告实验结果显示,miR-29a与IGF-1具有结合位点。q RT-PCR结果显示,与H2O2组相比,miR-29a mimics组miR-29a的表达量明显增高,IGF-1的表达量明显降低(P<0.05),miR-29a Inhibitors组miR-29a的表达量明显降低,IGF-1的表达量明显升高(P<0.05)。Western Blot结果显示,与H2O2组相比,miR-29a mimics组IGF-1的表达量明显下调(P<0.05),miR-29a Inhibitors组IGF-1的表达量明显上调(P<0.05)。2、荧光素酶报告实验结果显示,miR-29a与VEGFA具有结合位点。q RT-PCR结果显示,与H2O2组相比,miR-29a mimics组VEGFA的表达量明显降低(P<0.05),miR-29a Inhibitors组VEGFA的表达量明显升高(P<0.05)。Western Blot结果显示,与H2O2组相比,miR-29a mimics组VEGFA的表达明显下调(P<0.05),miR-29a Inhibitors组VEGFA的表达量明显上调(P<0.05)。3、与HPC-exos组相比,si-circ-exos组细胞PS外翻增多(P<0.05),细胞内ROS的释放增加(P<0.05),Bax与Cleaved caspase3表达量增多、Bcl-2、IGF-1表达量减少(P<0.05),细胞DNA片段化增多(P<0.05)。与si-circ-exos组相比,si-circ-exos+mimics组细胞PS外翻增多(P<0.05),细胞内ROS的释放增多(P<0.05),Bax与Cleaved caspase3表达量增多、Bcl-2与IGF-1表达量减少(P<0.05),细胞DNA片段化增多(P<0.05)。si-circ-exos+Inhibitors组细胞PS外翻减少(P<0.05),细胞内ROS的释放减少(P<0.05),Bax与Cleaved caspase3表达量减少、Bcl-2与IGF-1表达量增多(P<0.05),细胞DNA片段化减少(P<0.05)。与HPC-exos组相比,si-circ-exos组细胞G0/G1期升高、S+G2/M期比例降低(P<0.05),细胞增殖能力减弱(P<0.05),PCNA、Cyclin D1与VEGFA的表达量均明显降低、P21表达量明显升高(P<0.05),细胞迁移数目明显减少(P<0.05)。与si-circ-exos组相比,si-circ-exos+mimics组细胞G0/G1期比例升高、S+G2/M期比例降低(P<0.05),细胞增殖能力减弱(P<0.05),PCNA、Cyclin D1与VEGFA的表达量均明显降低、P21表达量明显升高(P<0.05),细胞迁移数目显著减少(P<0.05),si-circ-exos+Inhibitors组细胞G0/G1期比例降低、S+G2/M期比例升高(P<0.05),细胞增殖能力增强(P<0.05),PCNA、Cyclin D1与VEGFA的表达量均明显升高,P21表达量明显降低(P<0.05),细胞迁移数目均明显增多(P<0.05)。小结:在氧化应激微环境中,HPC-exosomal circ HIPK3靶向抑制miR-29a调节IGF-1、VEGFA的表达,从而抑制CMECs的凋亡、促进CMECs的增殖及迁移。结论:1、缺氧预处理心肌细胞可释放保护性的外泌体抑制氧化损伤心肌微血管内皮细胞的凋亡,并促进其增殖与迁移。2、缺氧预处理心肌细胞源外泌体发挥保护作用的潜在机制可能是通过传递circ HIPK3,竞争性结合miR-29a,调节IGF-1与VEGFA的表达,从而发挥作用。
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