PNPase調控MitomiRs對線粒體DNA氧化損傷的影響.pdf

1、[背景和目的]:線粒體是真核細胞內重要的細胞器,其主要功能包括通過氧化磷酸化產生ATP,也參與細胞內其它生命活動的信號轉導過程。線粒體擁有自身的遺傳物質-線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)。mtDNA中有13個多肽編碼基因存在,可編碼13個相關功能蛋白,這些蛋白可參與合成線粒體呼吸鏈酶復合物。mtDNA中還包括了可編碼22個tRNA以及2個rRNA的基因。mtDNA的轉錄、復制還可能受線粒體microRNA(

2、MitomiRS)的調控,MitomiRS表達變化可能導致線粒體結構及功能的改變。
　　MicroRNAs(microRNAs)長約22至25nt,由核基因組編碼,microRNA通過和靶基因mRNA堿基配對構成基因沉默復合體(RNA-induced silencing complex,RISC)降解mRNA或阻礙其翻譯而發(fā)揮作用。microRNAs在特定的組織(特異性)及特定的發(fā)育階段(時序性)表達,導致了其在生物體功能中起到的

3、特殊性作用,如microRNA進入線粒體后可能會調節(jié)mtDNA的表達,而mtDNA的延緩性損害可以延緩細胞衰老的過程,因此這也提示了microRNA在調控細胞以及組織生長發(fā)育發(fā)展過程中有著不可替代的作用。
　　多核苷酸磷酸化酶(Polynucleotide Phosphorylase, PNPase)存在于線粒體膜間隙(intermembrane space,IMS),是一種高度保守的3’—>5’核糖核酸外切酶,依靠磷酸化作用降解

4、RNA。此外,PNPase介導細胞核編碼的microRNA輸入線粒體。因此推測:調控PNPase可能導致MitomiRS表達譜變化,進而引起線粒體結構及功能的變化。
　　本研究旨在:①通過shRNA技術下調腫瘤細胞PNPase表達,檢測線粒體microRNA(MitomiRs)表達譜的變化。②MitomiRs變化對線粒體DNA損傷的影響。③采用生物信息學預測差異表達的MitomiRs的功能。
　　[實驗方法]
　　1、

5、構建PNPase shRNA慢病毒載體、細胞轉染。選取人肝癌細胞SK-Hep1、Hep G2及人骨肉瘤細胞U2OS三種細胞系,將構建好的帶綠色熒光蛋白(GFP)的慢病毒載體轉染到目的細胞中,采用熒光顯微鏡觀測和western-blot方法檢測PNPase shRNA效果。
　　2、MitomiRs芯片檢測:抽提目的細胞線粒體,再提出線粒體RNA,采用miRNA芯片篩選抑制PNPase表達前后細胞中差異表達的MitomiRs,以信號

6、值>3、2倍法(foldchange=2)作為MitomiRs差異篩選標準,GeneSpring GX軟件分析microRNA芯片得到的數(shù)據(jù)。采用實時定量基因擴增熒光檢測系統(tǒng)(real-time quantitative PCR detecting system,Q-PCR)檢測線粒體DNA(mitochondril DNA,mtDNA)的損傷頻率;采用酶聯(lián)免疫吸附方法(enzyme-linked immunosorbent assay

7、,ELISA)檢測線粒體氧化損傷產物8-羥基脫氧鳥苷(8-hydroxy-2-deoxyguanosine,8-OHdG)的變化情況。
　　3、生物信息學預測:在TargetScan、miRanda、PicTar、MirTarget2、PITA五個生物功能信息數(shù)據(jù)庫中同時對差異表達的MitomiRs對應的靶基因進行預測;同時在三個或三個以上數(shù)據(jù)庫中具有生物學意義的MitomiRs靶基因納入后續(xù)功能分析;利用DAVID功能注釋基因芯

8、片生物信息學分析軟件(DAVID Functional Annotation Bioinformatics Microarray Analysis)(http://david.abcc.ncifcrf.gov/)預測線粒體相關MitomiRs靶基因(GO分析),以及與這些MitomiRs相關的信號通路(Pathway分析)。
　　[實驗結果]
　　1、采用分子克隆技術成功地構建了PNPase shRNA慢病毒表達載體,并轉染

9、人肝細胞癌細胞SK-Hep1、Hep G2以及人骨肉瘤細胞U2OS。
　　2、SK-Hep1、HepG2和U2OS細胞轉染空載體病毒及PNPase shRNA慢病毒12~24小時后可見明顯的綠色熒光。當MOI(轉染復數(shù))=20時,3種細胞的慢病毒轉染效率達到80％以上。連續(xù)觀察1~2周,轉染效率仍維持在70%~80%。
　　3、轉染PNPase shRNA慢病毒細胞PNPase表達顯著低于空白對照組及陰性對照組(p<0.05

10、),而空白對照組和陰性對照組PNPase表達無顯著差異(p>0.05)。
　　4、SK-Hep1-shPNPase、Hep G2-shPNPase、U2OS-shPNPase組細胞線粒體DNA的損傷頻率較空白對照組及陰性對照組顯著減少(P<0.05)。
　　5、SK-Hep1-shPNPase、Hep G2-shPNPase、U2OS-shPNPase組細胞氧化損傷產物8-OHdG的檢測量明顯低于空白對照組和陰性對照組(P<

11、0.05)。
　　6、MicroRNA芯片差異篩選結果顯示(信號值≥3,foldchange≥2):在SK-Hep1、Hep G2及U2OS三種細胞系中, sh-PNPase組細胞表達下調的MitomiRs有hsa-miR-3934-5p、hsa-miR-5010-3p、hsa-miR-3154等16個,表達上調的MitomiRs有hsa-miR-1973、hsa-miR-503-5p、hsa-miR-5010-3p等31個。通過

12、TargetScan等五個靶基因數(shù)據(jù)庫的同時預測,發(fā)現(xiàn)這些差異表達的MitomiRs,如mir-3154、mir-34a-3p、mir-4312、mir-98-3p等涉及的靶基因主要有:CASP(apoptosis-related cysteine peptidase)、CARD(caspase recruitment domain family)、CAAP(caspase activity and apoptosis inhibito

13、r)、AVEN(apoptosis, caspase activation inhibitor)、Fas、FADD(Fas-associated via death domain)等。主要的靶基因功能包括:DNA損傷反應、轉錄調節(jié)、抗凋亡調節(jié)、膜穩(wěn)定性等。主要涉及的信號通路有:細胞凋亡、ErbB信號通路、MAPK信號通路等。這些靶基因可通過Fas—>FADD—>CASP/CARD/CAAP/AVEN—>Mitochondria路徑來保護