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文献分享 | Sci Transl Med(IF=16.71):慢性低氧诱导的Cirbp高甲基化会弱化低温状态下的心脏保护作用

分类:
阿趣动态
发布时间:
2019/05/20 15:25
浏览量
代谢组学
 
发表期刊:Science Translational Medicine
影响因子:16.71
发表时间:2019年
合作单位:阜外医院
 
在体外循环(CPB)期间通常使用治疗性低温来保护心脏免于心脏手术中的心肌损伤。患有慢性缺氧(CH)的患者在心脏手术后具有严重心肌损伤的高风险,但其潜在机制尚不清楚。
 
4.24日,BIOTREE协助客户中国医学科学院阜外医院心血管病国家重点实验室张浩主任医师(现上海儿童医学中心)及其研究团队在Science Translational Medicine(《科学•转化医学》)上发表名为“Chronic Hypoxia-induced Cirbp Hypermethylation Attenuates Hypothermic Cardioprotection via Downregulation of Ubiquinone Biosynthesis”的研究成果。
 
该研究发现CPB期间,CH大鼠的低温心脏保护作用受损,但是在含氧量正常的大鼠中保持不变。蛋白质组的结果显示,CPB期间CH大鼠的冷诱导RNA结合蛋白(CIRBP)显著降低(P=0.03)。另外,甲基化的结果表明,低氧诱导了Cirbp启动子区域的高甲基化,导致其抑制并且对冷应激无反应。所以Cirbp敲除的大鼠观察到减弱的低温心脏保护作用,而Cirbp转基因大鼠则表现出增强的反应。进一步的蛋白质组学分析发现,在Cirbp敲除大鼠的CPB期间,心脏泛醌生物合成途径下调,导致泛醌(CoQ10)浓度显著降低(P = 0.01)。 因此,心脏氧化应激加剧并且腺苷5'-三磷酸产生受损,导致CPB期间心肌损伤增加。 CoQ10补充的心脏停搏液改善了暴露于CH条件下的大鼠的心脏保护作用,但其在常氧大鼠中的作用受到限制。 研究最后表明,应该使用个性化的心脏保护策略来应对需要治疗性低温的CH患者中Cirbp的表观遗传修饰。
 
Biotree为本研究提供蛋白组学的检测分析,接下来我们就具体看一下文章的研究内容吧。
 
1. CPB期间CH大鼠在低温条件下心脏保护作用受损
 
代谢组学
图1 CPB期间低温保护作用在CH大鼠中受损
 
作者建立了CH大鼠模型和常氧对照模型,对这两组进行CPB并在此过程中应用低温以保护心脏。相对于常氧大鼠,CH大鼠患有更严重的心脏损伤,遭受更严重的氧化应激和ATP产生受损,并且细胞凋亡信号通路被显著激活。这些结果表明了CH减弱了CPB期间低温对心脏的保护作用。
 
2. CIRBP的抑制表达导致了CPB期间弱化的低温保护
 
代谢组学
图2  CH大鼠和常氧大鼠的蛋白质组学研究结果
 
为了解释为什么CH在CPB期间减弱的低温保护作用,作者对CH大鼠和常氧大鼠进行了蛋白质组分析。总共鉴定到了2524种蛋白质,其中72个蛋白在两组之间有显著差异表达(FC<0.83或者FC>1.2;P<0.05)。PCA和OPLS-DA分析也显示CH组和常氧祖有明显的组间差异。在45个显著降低的蛋白质中,CIRBP排在第12位,并且在CH组中显著低表达。CIRBP是一种诱发的冷休克蛋白,在低温过低时可以在低温神经中发挥作用。
 
代谢组学
图3  CH大鼠和CH患者在CPB期间CIRPB表达下降
 
作者记录了常氧大鼠在CPB各个阶段CIRBP的表达,发现在此过程中CIRBP的表达显著增加。但是CH大鼠、CCHD患者和高海拔住院患者的CPB表达没有显著增加,表明对冷应激的反应失败,并且研究人员还发现性别并没有改变CH诱导的CIRBP的下降和随后的心肌功能受损的趋势。这些结果表明,CPB期间在CH大鼠和CH患者中观察到的CIRPB的抑制表达可能是造成低温保护受损的原因。
 
3. 慢性低氧诱导Cirbp启动子区域的GC框高甲基化
 
作者对常氧大鼠和CH大鼠的心肌组织进行了WGBS分析,发现CH大鼠的全基因组DNA甲基化显著,并且发现位于Cirbp启动子区域的高甲基化DMR。作者猜测,可能是缺氧介导的TET活性降低扰乱了基因表达谱,从而导致CIRBP的抑制表达。
 
代谢组学
图4 与常氧培养相比,TET在缺氧培养的心肌细胞中活性显著降低。
 
与常氧培养相比,TET在缺氧培养的心肌细胞中活性显著降低。
 
4. 甲基化抑制SP1与Cirbp启动子区域中GC框的结合
 
代谢组学
图5 EMSA实验显示SP1和GC框区域集合
 
通过软件(https://zlab.bu.edu/~mfrith/cister.shtml)预测到转录因子SP1与GC框结合并调节Cirbp的蛋白表达。电泳迁移率变换测定(EMSA)证实了SP1与GC框区域的结合,但是通过甲基化GC框探针进行EMSA发现SP1结合受到抑制。
 
代谢组学
图6 CH诱导的GC框超甲基化抑制SP1在基线和低温后与Cirbp启动子区域的结合。
 
Western和ChIP实验表明,CH对SP1的表达没有影响,但是会导致SP1与GC框的结合显著降低。这些结果显示,缺氧诱导的GC框甲基化抑制SP1与Cirbp启动子区域的结合,导致低温后CIRBP的表达降低。
 
5. Cirbp在低温心肌保护中的诱导机制
 
代谢组学
图7  在CPB期间,泛素生物合成途径在Cirbp-/-大鼠中下调,但在Cirbp-Tg大鼠中增强。
 
为了探讨CIRBP在低温心肌保护中的应用,作者构建了Cirbp敲除(Cirbp-/-)和Cirbp转基因(Cirbp-Tg)大鼠,并对Cirbp-/-大鼠和野生型大鼠进行了蛋白质组学研究。
 
分析显示共有48个显著差异蛋白,pathway分析显示泛素[辅酶Q10(CoQ10)]生物合成过程在Cirbp - / -大鼠中显着受到干扰,从而减少了辅酶Q3甲基转移酶的表达,包括泛醌生物合成单加氧酶COQ6(COQ6),泛醌生物合成蛋白COQ7(COQ7)和泛醌生物合成蛋白COQ9(COQ9)。
 
蛋白质印迹分析显示,在Cirbp -/-大鼠的CPB期间心脏COQ6和COQ9表达显著降低,并且相对于野生型大鼠,Cirbp-Tg大鼠的心脏COQ6和COQ9表达显著增加。此外,COQ6和COQ9 的mRNA表达在三组中是相当的,表明CIRBP在转录后调节COQ6和COQ9的表达。
 
最后,使用超高效液相色谱-多反应监测-串联质谱(UPLC-MRM-MS/MS)分析测定COQ10的浓度。 CPB期间心肌辅酶Q10含量在Cirbp-/-大鼠中显著降低(P <0.05),但在Cirbp-Tg大鼠中相对于野生型大鼠显著增加(P <0.01)。
 
最终的结果表明,CIRBP-COQ6/9-CoQ10轴受损是造成Cirbp-/-大鼠严重心肌损伤和术后心功能不全的原因,而CoQ10补充的心脏停搏液改善CH大鼠的心脏保护作用。
 
Discussion
 
这是一项非常具有临床意义的研究,为CH患者进行心内直视手术提供了个性化心脏保护策略的潜在可能性。对于这些慢性缺氧的患者,在CPB期间应用补充有CoQ10的心脏停搏液来补偿Cirbp的表观遗传修饰可以给与更好的心脏保护和更少的心肌损伤。同时,这项研究结果还可以延伸到CH患者在其他领域的治疗。
 
在这项研究中,作者利用蛋白质组学作为“探路者”,发现了Cirbp信号轴中的多个重要蛋白,并在此基础上进行深入了的分子生物学研究。我们也希望这样的研究思路能够被更多的科研工作者所运用,解决更多的科学问题。
 
BIOTREE蛋白质组学
 
蛋白质组学是以蛋白质为研究对象,通过质谱技术对生物样本中的蛋白质进行检测和分析,研究其组成及变化规律的科学,通过对蛋白质的表达水平,翻译后的修饰,蛋白与蛋白相互作用等的研究,获得蛋白质水平上的关于疾病发生,细胞代谢等过程的整体而全面的认识。
 
技术优势:
技术成熟稳定、分辨率高、选择性好;可多样本同时检测,分离效果好;定量准确性较高,实验周期短;专业的数据处理分析团队。
 
应用方向:
蛋白的鉴定;蛋白功能的研究;信号通路的研究;疾病标志物的发现;药物作用靶点的发现。
 
检测平台:
Q-Exactive或Orbitrap Fusion Tribrid MS
 
 
有兴趣采用此方法进行样品检测和分析的老师,欢迎垂询服务热线:400-664-9912,也可在本文或微信公众号后台留言给我们。
 
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