猪圆环病毒2型感染PK-15细胞的miRNAome分析及诱导炎症的机制研究

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猪圆环病毒2型(PCV2)感染导致多种猪圆环病毒相关疾病(PCVAD),造成被感染动物免疫系统功能抑制,易伴发或继发其他病原感染,严重影响猪群健康。miRNA是一种具有调节基因表达能力的长度约22nt的非编码RNA分子,其参与多种病毒的复制并在病原与宿主互作中发挥重要作用。因此,研究miRNA在PCV2致病机理中的作用对于PCVAD的防控和治疗具有重要意义。本研究首先鉴定了 PCV2WH株在猪肾上皮细胞(PK-15)上的增殖规律,并基于miRNA测序技术,开展PCV2感染PK-15细胞的miRNA组学分析,挖掘出被感染细胞中的差异miRNA,并构建了差异miRNA和差异mRNA互作网络,为研究miRNA在PCV2致病机制中的作用提供参考。在miRNA组学分析的基础上,深入研究miR-21及其靶基因PDCD4在PCV2诱导NF-κB通路和细胞炎症过程中的作用。主要研究结果如下:1.PCV2感染导致细胞miRNA表达紊乱本研究首先探究PCV2在PK-15细胞上的生长特性,并利用高通量miRNA测序技术和生物信息学技术对PCV2感染细胞的miRNA表达情况进行测定和分析。在各组细胞中共鉴定到297个已知miRNA和427个未知候选miRNA。相对于非感染组的细胞,感染PCV2的PK-15细胞中共有44个miRNA(p-value<0.05)的表达水平发生显著变化,其中16个显著上调,28个显著下调,并使用茎环定量PCR方法验证测序结果的可靠性。预测差异miRNA的候选靶基因并对其进行GO聚类和KEGG信号通路分析,结果显示,差异miRNA的候选靶基因主要具有结合蛋白质、结合小分子和生物催化等分子功能,主要参与大分子代谢和细胞生长等生物途径,主要富集在趋化因子和细胞因子信号通路介导的炎症通路(P00031),这些均是病原和宿主在PCV2感染过程中所必需的功能和通路。以上结果揭示了 PCV2感染能导致PK-15细胞miRNA表达紊乱,为研究PCV2的致病机理提供理论基础。2.PCV2感染通过改变细胞miRNA-mRNA网络来调节细胞炎症反应本研究使用生物信息学技术深入分析miRNA测序结果以及已经发表的PCV2感染PK-15细胞的mRNA测序结果(GEO:GSE71945),发现PCV2感染导致的差异mRNA多属于差异miRNA的候选靶基因且多与细胞炎症通路相关,故使用软件Cytoscape 3.6.1构建差异miRNA和差异mRNA互作网络图,并使用双萤光素酶报告试验验证了 miR-21和miR-378及其靶基因ZNF445和FOXN3的靶向关系。为了进一步探究差异miRNA对细胞炎症反应的影响,本研究使用miRNA拟似物mimics和miRNA抑制物inhibitors在细胞中过表达miRNA或抑制miRNA表达后发现,细胞中miRNA表达水平的上调多导致细胞中炎症因子水平的降低,而细胞中miRNA表达水平的下降多导致炎症因子表达水平的升高。此外,本研究还分析PCV2可能编码的miRNA在病毒基因组的分布情况,但并未发现PCV2所编码的miRNA。以上结果说明PCV2感染能通过调节细胞的miRNA-mRNA互作网络进而调节细胞炎症反应。以上结果为PCV2感染导致细胞和动物机体炎症反应异常的现象提供了理论依据,为进一步研究PCV2的致病机制提供了理论基础,为防制PCV2相关疾病提供了新的诊断和治疗靶标。3.PCV2感染通过circPDCD4/miR-21/PDCD4轴激活NF-κB通路和炎症反应大量研究表明,机体或细胞中miR-21的表达紊乱可导致疾病过程中炎症进程的紊乱。根据miRNA测序以及荧光定量PCR的结果,miR-21在PCV2感染的PK-15细胞中被显著上调。进一步研究发现在PCV2感染细胞后,miR-21表达量呈持续性上升,并呈现一定的接毒量依赖性,而PDCD4和PDCD4源的circRNA(circPDCD4)的表达量呈持续下降趋势。此外,在细胞中过表达miR-21时,circPDCD4以及PDCD4呈现表达量下降的趋势,而抑制细胞中miR-21的水平时,circPDCD4以及PDCD4呈现表达量上升的趋势,提示circPDCD4和PDCD4可能是miR-21的作用靶标。RNA免疫共沉淀试验和双萤光素酶报告试验结果进一步证明了 circPDCD4和PDCD4为miR-21的直接作用靶标。功能研究表明,在细胞中过表达miR-21能提高PCV2感染所导致的NF-κB通路和细胞炎症反应的激活水平,而在细胞中过表达PDCD4以及circPDCD4能通过降低细胞中miR-21的水平来减弱PCV2感染所导致的NF-κB信号通路和细胞炎症反应的激活水平。综上所述,PCV2感染能通过调节circPDCD4/miR-21/PDCD4轴来激活NF-κB通路和细胞炎症反应。
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