基于circular RNA表达及调控的大鼠热习服分子机制研究

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背景:热习服(Heat acclimation,HA)是机体对长期反复高温环境的适应性反应。目前HA的生物学效应已进行了深入研究,但其分子机制尚未完全阐明,HA分子机制及其调控网络的研究匮乏严重制约了热损伤的预防和治疗。Circular RNAs(circRNAs)是一类广泛分布的内源性RNA,在多种生物学过程中发挥重要作用,可作为生物标志物用于疾病的早期诊断和预后评估,但circRNAs在HA的变化及作用尚未完全可知。本文研究了HA大鼠下丘脑差异表达的circRNAs,及其调控的下游miRNA和靶基因,并初步明确了其分子机制和调控网络。这将为HA的监测和精准评估乃至促热习服相关措施的研发提供分子基础和研究依据。方法:(1)大鼠HA模型建立:SPF级SD雄性大鼠随机分为2组:热习服组(HA组)和对照组(C组),HA组大鼠置于环境温度(35±1)℃,相对湿度(55±5)%的动物高温模拟舱,每天暴露2 h(2:30-4:30 pm),连续30天;C组大鼠在常温环境正常饲养。(2)Arraystar circRNAs芯片检测:HA模型建立后,收集大鼠下丘脑组织,采用高密度基因组芯片Arraystar Rat circRNAArrays(8x15K,Arraystar)检测大鼠下丘脑表达差异的circRNAs,生物信息学分析差异表达circRNA在HA中的生物学功能。(3)基因水平和蛋白水平验证:采用RT-qPCR技术验证差异表达的circRNA及其下游的miRNAs和靶基因,酶联免疫吸附试验测量大鼠下丘脑MFAP4蛋白和HIF-1α蛋白的表达变化。结果:(1)高密度基因组芯片共检测到13860个circRNAs(n=3),聚类分析结果显示HA组和C组大鼠下丘脑组织circRNAs表达谱存在差异,共有53个circRNAs存在显著差异,与对照组相比,28个circRNAs表达上调,25个circRNAs表达下调(Fold change≥1.5,P<0.05)。(2)GO分析发现circRNAs可能通过影响如细胞周期、细胞代谢和细胞迁移等相关编码基因的潜在功能参与HA的形成。KEGG通路发现可能的调控HA的通路有磷脂酶D信号通路、MAPK信号通路、cGMP PKG信号通路、mTOR信号通路、Ras信号通路、PI3K Akt信号通路、AGE RAGE信号通路、自噬和内吞作用。(3)根据生物信息学分析的结果,RT-qPCR验证了10个候选的circRNAs,4个miRNAs和17个mRNA。结果显示:与对照组相比,HA组大鼠下丘脑组织rnocircRNA002960,rnocircRNA014301,rnocircRNA011190的表达分别上调3.34倍、1.41倍、1.73倍(P<0.05),rnocircRNA010393的表达下调0.74倍(P<0.05)。其中rnocircRNA014301,rnocircRNA010393和rnocircRNA011190与circRNA基因芯片结果一致。4个预测的miRNA中,rno-miR-23a-5p,rno-miR-3575和rno-miR-3561-3p分别表达下调0.65倍、0.39倍和0.35倍,rno-miR-20b-3p表达上调1.42倍(P<0.05)。17个预测的mRNA中,8个表达上调的mRNA和1个表达下调的mRNA得到了验证。Dusp7,Hnrnpa3,Lppr4,Hif-1α,Sec31a,Zbtb20,Fabp3,Lin28b的表达分别上调1.31倍、1.38倍、1.44倍、1.56倍、2.08倍、2.01倍、1.61倍、1.54倍和3.34倍(P<0.05),Mfap4表达下调0.67倍(P<0.05)。(4)MFAP4及HIF-1α蛋白表达验证:ELISA结果显示,HA组大鼠下丘脑组织HIF-1α的蛋白显著上调,MFAP4的蛋白表达显著下调。结论:(1)circRNA通过参与MAPK、cGMP PKG、AGE RAGE、自噬和内吞作用等多条信号通路,影响细胞周期、细胞代谢和中枢神经系统兴奋性等相关途径参与HA形成。提示circRNA可能通过不同作用机制在HA进程中发挥重要作用;(2)发现3条通路可能促进HA的形成:rnocircRNA014301-vs-rno-miR-3575-vs-Hif-1α可能调控缺氧反应通路;rnocircRNA014301-vs-rno-miR-3575-vs-Lppr4和rnocircRNA010393-vs-mir-20b-3p-vs-Mfap4可能调控脂质/脂蛋白代谢通路。
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