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苯并芘暴露大鼠海马组织的全基因组DNA甲基化差异分析
谭强1, 王晶2, 李春林3, 唐萍1, 况桃1, 黄强1, 陈承志1, 蒋学君1, 程淑群1, 涂白杰1, 夏茵茵1     
1. 400016 重庆,重庆医科大学公共卫生与管理学院,医学与社会发展研究中心,健康领域社会风险预测治理协同创新中心;
2. 611430 成都,四川省成都市新津县疾病预防控制中心;
3. 400010 重庆,重庆医科大学附属第二医院预防保健科
[摘要] 目的 研究苯并芘暴露大鼠海马组织的DNA甲基化差异,探讨苯并芘对海马功能损伤的机制。方法 将大鼠分为对照组和苯并芘染毒组,每组10只;染毒结束后,采用Morris水迷宫检测大鼠的空间记忆学习能力,随后对大鼠海马进行HE染色与简化表观亚硫酸氢盐测序法(reduced representation bisulfite sequencing, RRBS)测序,对测序结果进行GO和KEGG分析,用qRT-PCR检测Tnr基因与Pla2g2a基因mRNA的表达。结果 Morris水迷宫与HE染色发现苯并芘暴露导致了大鼠空间学习记忆能力的障碍与海马组织损伤;RRBS测序后检测到差异性甲基化区域32个,GO分析富集到871条GO条目,KEGG分析得到52条通路,其中145条GO条目和11条通路显著富集(P < 0.05),苯并芘染毒组与对照组相比,Tnr基因相对表达量减少,而Pla2g2a基因相对表达量增加(P < 0.05)。结论 与未染毒的大鼠相比,苯并芘染毒后大鼠海马组织存在一定数量的甲基化差异位点,这些甲基化差异位点可能对研究苯并芘导致海马损伤的机制具有重要指导意义。
[关键词] 苯并芘    海马    DNA甲基化    大鼠    
Genome-wide differential DNA methylation in hippocampus of rats after benzo(a)pyrene exposure
TAN Qiang1, WANG Jing2, LI Chunlin3, TANG Ping1, KUANG Tao1, HUANG Qiang1, CHEN Chengzhi1, JIANG Xuejun1, CHENG Shuqun1, TU Baijie1, XIA Yinyin1     
1. Research Center for Medicine and Social Development, Innovation Center for Social Risk Governance in Health, School of Public Health and Management, Chongqing Medical University, Chongqing, 400016;
2. Xinjin Center for Disease Control and Prevention, Chengdu, Sichuan Province, 611430;
3. Department of Preventive Health Care, the Second Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing, 400010, China
[Abstract] Objective To study the differential DNA methylation in the hippocampus of rats exposed to benzo(a)pyrene and explore the mechanism of benzo(a)pyrene-induced functional impairment of the hippocampus. Methods Twenty male SD rats (3 weeks old) were randomly divided into control group and benzo(a)pyrene exposure group (n=10), and in the latter group, the rats were exposed to benzo(a)pyrene delivered via gavage on a daily basis for 7 consecutive weeks. After the exposure, Morris water maze test was performed to assess the changes in the spatial memory and learning ability of rats; the brain tissues were dissected for morphological examination of the hippocampal neurons with HE staining. Reduced representation bisulfite sequencing (RRBS) of the genomic DNA from the hippocampus was performed, followed by GO and KEGG analyses of the sequencing data; qRT-PCR was used to detect the expression levels of Tnr and Pla2g2a mRNAs. Results Morris water maze test and HE staining showed that exposure to benzo(a)pyrene resulted in obvious impairment of the spatial learning and memory abilities and caused hippocampal injuries in rats. DNA methylation sequencing identified 32 differentially methylated regions; GO analysis enriched 871 GO items and KEGG analysis obtained 52 pathways, of which 145 GO items and 11 pathways were significantly enriched (P < 0.05). Compared with the control rats, the benzo(a)pyrene-exposed rats showed significantly decreased Tnr mRNA expression and increased Pla2g2a mRNA expressions in the hippocampus(P < 0.05). Conclusion A number of differentially methylated sites occur in the genomic DNA in rat hippocampus following benzo(a)pyrene exposure, and these sites may provide important clues in exploring the mechanism of benzo(a)pyrene-induced hippocampal injury.
[Key words] benzo(a)pyrene    hippocampus    DNA methylation    rats    

苯并芘{benzo(a)pyrene,B[a]P}是一种通过煤炭、石油等物质燃烧,食物高温烹调还有吸烟等方式而产生的多环芳烃化合物,广泛存在于人们生产与生活环境中[1]。据报道,B[a]P除了可以导致肺癌的发生外[2],它的神经毒性也引起了人们的广泛关注。本课题组之前的研究发现,B[a]P可以影响大鼠的学习记忆功能和造成海马的损伤[3]。表观遗传学是指不改变DNA序列的前提下,基因表达发生了改变并导致表型变化的一门学科[4],常见的表观遗传学修饰有DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控等,其中DNA甲基化是最常见、最主要也是研究最多的一种表观遗传学修饰方式,与多种复杂综合征、癌症等都有密切关系[5]。青春期是大脑发展高级认知能力与运动能力的关键时期[6],为了探讨大鼠从青春期B[a]P持续暴露到成年后海马损伤过程与DNA甲基化之间的关系,本研究采用B[a]P染毒4周龄的SD大鼠进行建模,检测各组大鼠海马全基因组甲基化水平,为分析B[a]P导致海马损伤的机制提供表观遗传学方面的依据。

1 材料与方法 1.1 实验动物

雄性SD大鼠20只,采购于重庆医科大学实验动物中心,SPF级,3周龄。将大鼠饲养在适宜环境下[温度为(23±1)℃,相对湿度为45%~55%,12 h光照/12 h黑暗周期,自由饮食和饮水]。实验前动物适应环境1周,于第4周开始染毒。

1.2 主要试剂

包括:玉米油、苯并芘粉末(美国Sigma公司),基因组DNA提取试剂盒(北京天根生化科技有限公司),HE染色试剂盒、多聚甲醛(上海碧云天生物技术有限公司),TRIzol试剂(美国Thermo Fisher Scientific公司)等。

1.3 动物模型建立

将大鼠分为B[a]P染毒组与溶剂对照组,每组各10只,采取灌胃法进行染毒。将B[a]P溶于玉米油中制成储备液,染毒浓度为2.0 mg/kg[7]。对照组采用等量玉米油进行灌胃,采用每天1次,连续7周的亚急性染毒。

1.4 Morris水迷宫实验

在连续染毒7周后,进行水迷宫实验。实验第1天将两组实验大鼠依次放在水里自由游泳,熟悉环境,适应水温;随后进行为期5 d的定位巡航实验,将每只大鼠从划分好的4个象限分别入水,记录大鼠找到平台的时间(逃避潜伏期)和游泳路径;在逃避潜伏期训练后的1 d撤除平台,进行空间探索实验,记录60 s内大鼠在目标象限活动的时间,计算时间百分比。

1.5 HE染色

大鼠处死后快速分离其脑组织,将组织置于4%多聚甲醛中固定,包埋制作石蜡切片,进行脱蜡、水化、染色等常规HE染色步骤后封片,光镜下观察海马神经元形态结构。

1.6 海马组织DNA的提取

B[a]P染毒组和溶剂对照组采用简单随机抽样的方法各取3只雄鼠海马组织破碎匀浆混合,取25 mg根据基因组DNA提取试剂盒步骤提取DNA,通过ND-2000 Nanodrop超微量分光光度计来测定DNA的浓度及纯度。

1.7 甲基化分析

差异性甲基化区域(differentially methylated regions, DMR)指在不同样本中基因组表现出不同的甲基化状态的DNA片段[8]。委托广州锐博生物科技有限公司进行该项检测,将样品进行简化表现亚硫酸氢盐测序法(reduced representation bisulfite sequencing, RRBS)测序,检测甲基化位点的最低深度为20×,将测序的结果进行信息分析,找出DMR,进一步进行GO和KEGG功能富集分析。

1.8 荧光定量PCR

取大鼠海马组织20~30 mg,用TRIzol试剂提取总RNA,检测其浓度与纯度,并随后逆转录得到cDNA;反应所得cDNA以15 μL体系进行PCR反应。引物由上海生工生物工程有限公司设计合成,Tnr上游引物5′-GCGGGAGGGAGGAGAGTGAAC-3′;下游引物5′-GTGGAGAAGTTGGTGGCGATGG-3′,产物长度为307 bp;Pla2g2a上游引物5′-CTTCTACGGTTGCCATTG-3′;下游引物5′-TCTCCAGACG GTTGTAAC-3′,产物长度为101 bp;β-actin上游引物5′-GTCATCACTATCGGCAA-TG-3′;下游引物5′-GTGTTGGCATAGAGGTCT-3′,产物长度为152 bp。

1.9 统计学分析

采用SPSS 20.0统计软件。水迷宫实验中同时间点的两组数据采用两独立样本的t检验分析;甲基化数量与水平分析、两组间各甲基化位点间差异采用χ2检验,两两间的比较采用Bonferroni法进行校正。检验水准:α=0.05。

2 结果 2.1 大鼠的空间学习和记忆功能的变化

通过Morris水迷宫实验观察两组大鼠的空间记忆和学习能力,结果显示:随着训练时间的增加,两组大鼠的逃避潜伏期时间总体趋势是减少的;从第3天开始,对照组比B[a]P染毒组逃避潜伏期缩短(P < 0.05,图 1A),对照组与B[a]P染毒组在定位巡航实验时代表性的游泳路径如图 1B所示;空间探索实验结果显示:对照组在目标象限时间百分比明显长于B[a]P染毒组(P < 0.05,图 1C)。

a:P < 0.05,与对照组比较A:两组大鼠5 d的逃避潜伏期时间;B:大鼠定位航行第5天的代表性路径;C:空间探索实验中大鼠在目标象限中花费的时间百分比 图 1 Morris水迷宫实验观察两组大鼠的空间记忆和学习能力

2.2 苯并芘对海马的损害作用

通过HE染色观察大鼠海马神经细胞形态学变化,对照组神经细胞形态正常排列紧密且数量偏多,细胞膜边缘界限清晰,细胞核染色均匀;B[a]P染毒组海马神经细胞排列紊乱,胞膜边界模糊,数量减少;出现了萎缩颗粒细胞与锥体细胞呈均匀红染(图 2)。

白色箭头示萎缩颗粒细胞呈均匀红染;黄色箭头示萎缩椎体细胞呈均匀红染 图 2 HE染色观察大鼠海马神经细胞形态学变化

2.3 全基因组甲基化数量与水平分析

对照组全基因组有1 777 826个甲基化C位点,B[a]P染毒组全基因组有1 802 071个甲基化C位点,但两组各甲基化位点水平差异无统计学意义(表 1);两组大部分甲基化C位于CGI岛(CpG island)与启动子区域的CG位点(图 3);此外,从不同基因元件上来比较,内含子与外显子为甲基化水平最高的两个区域,基因下游和剪切区为这两组的甲基化水平最低的区域(图 4)。

表 1 全基因组不同甲基化C碱基的数量及比例
组别 甲基化CG 甲基化CHG 甲基化CHH
B[a]P组 718 324(39.86%) 436 128(24.20%) 647 619(35.94%)
对照组 681 699(38.34%) 462 816(26.03%) 633 311(35.63%)

A:对照组;B:B[a]P组 图 3 不同类型甲基化C分布比例

图 4 不同功能元件区域的甲基化水平分布

2.4 差异性甲基化区域分析及其关联基因分析

对照组与B[a]P染毒组在不同染色体上存在32个DMR,318个差异甲基化C碱基(differentially methylated C, DMC)(表 2)。对DMR相关基因进行GO和KEGG富集分析。通过KEGG分析得到52条通路,其中11条通路显著富集(P < 0.05,表 3)。GO富集到 871条GO条目,其中145条GO条目显著富集(P < 0.05,图 5)。

表 2 各染色体DMR的数目及长度分析
染色体 DMC的数目 DMR的数目 DMR的长度
染色体1 90 7 1 103
染色体4 7 1 99
染色体5 3 1 51
染色体7 11 2 173
染色体8 20 2 301
染色体10 20 3 331
染色体12 8 1 91
染色体13 10 2 148
染色体14 80 5 634
染色体15 6 1 345
染色体18 13 1 253
染色体19 18 3 416
染色体X 32 3 623
合计 318 32 4 568

表 3 差异甲基化基因的KEGG富集分析
通路 通路编号 候选基因数量 P 基因名称
Ras信号通路 rno04014 3 0.001 Ikbkg; Fgf14; Pla2g2a
B细胞受体信号通路 rno04662 2 0.002 Cr2; Ikbkg
凝血与补体级联反应信号通路 rno04610 2 0.003 Plg; Cr2
PI3K-Akt信号通路 rno04151 3 0.004 Ikbkg; Fgf14; Tnr
EB病毒感染 rno05169 2 0.021 Cr2; Ikbkg
α-亚麻酸代谢 rno00592 1 0.025 Pla2g2a
MAPK信号通路 rno04010 2 0.026 Ikbkg; Fgf14
脂肪的消化吸收 rno04975 1 0.039 Pla2g2a
原发性免疫缺陷 rno05340 1 0.039 Ikbkg
亚油酸代谢 rno00591 1 0.040 Pla2g2a
醚脂质代谢 rno00565 1 0.042 Pla2g2a

图 5 差异甲基化基因的GO分析

2.5 TnrPla2g2a基因甲基化状态与mRNA的表达

根据KEGG与GO分析指标,选出代表性基因TnrPla2g2进行分析。TnrPla2g2a基因差异甲基化所处的功能元件分别为基因间区域与外显子区域,与对照组相比,B[a]P染毒组中Tnr基因在基因间隔区为低甲基化水平,Pla2g2a基因在外显子区域表现为高甲基化水平(表 4)。与对照组相比,B[a]P染毒组大鼠海马组织中Tnr的mRNA表达降低,Pla2g2a的mRNA表达升高(P < 0.05,图 6)。

表 4 TnrPla2g2a基因的甲基化特点
染色体 起始位置 终止位置 基因名称 功能元件 差异甲基化水平均值 差异甲基化C碱基数目 P
染色体13 77 120 964 77 121 027 Tnr 基因间隔区 -48.62 4 < 0.01
染色体5 157 284 899 157 284 949 Pla2g2a 外显子 41.74 3 < 0.01
差异甲基化水平均值:该区间差异甲基化水平均值,该值为{B[a]P组-对照组}×100

a:P < 0.05, 与对照组比较 图 6 TnrPla2g2a基因mRNA相对表达量分析

3 讨论

近年来,相关研究证明B[a]P作为一种潜在的神经毒素,可以造成神经损伤从而影响学习和记忆功能[3]。本研究通过对大鼠进行B[a]P染毒并进行Morris水迷宫实验和海马HE染色,验证了B[a]P对大鼠海马的损伤及空间学习记忆功能的影响,与本课题组之前研究结果基本一致[9]。DNA甲基化是表观遗传学最主要现象之一[10],DNA甲基化可以发生在不同染色体、不同基因区域和功能元件上,有转录抑制、DNA损伤和修复、DNA的复制与包装等功能[11]。本研究发现B[a]P染毒组甲基化C位点数量多于对照组,与WANG等[12]的研究结果一致,苯并芘暴露引起的大鼠海马甲基化异常,即在WANG等[12]的从幼年暴露和本研究从青春期开始的暴露,均可能通过表观改变调节突触可塑性,从而影响哺乳动物的认知功能。

为了更好了解B[a]P诱导的神经毒性机制,本研究对差异甲基化基因进行GO与KEGG功能富集。GO富集分析结果显示基因都直接或间接与学习记忆相关,如突触可塑性主要的表现形式为长时程增强(long-term potentiation, LTP),而LTP则是构成学习与记忆的主要分子机制之一[13];同时,GO分析也富集了钙离子转运与其通道活性的调节,YANG等[14]通过对新生大鼠进行B[a]P暴露进行研究得出:钙离子在神经传递、神经退行性病变与神经发育等神经元间的过程可能起关键作用。在KEGG分析富集到的通路中,MAPKs通路是哺乳动物中存在的重要信号转导通路,参与细胞增殖、分化、凋亡以及应激反应等生理活动过程[15],张盼盼等[16]研究得出MAPKs通路中的经典通路—ERK通路的激活会促进c-fos蛋白表达,调控海马CA1区神经元的凋亡,ERK通路也在学习、记忆功能等方面发挥关键作用[17];而在文献[18]中发现Ras信号通路与PI3K-Akt信号通路也与学习记忆功能相关,这些功能与通路都可能在B[a]P致青春期到成年阶段的大鼠海马损伤中起关键作用,但是B[a]P具体在通路中充当何种角色,还需要接下来进一步研究。

根据本研究GO与KEGG富集分析结果,筛选出代表性基因进行分析。与对照组相比,B[a]P染毒组中Tnr基因在基因间区域的甲基化水平降低,Pla2g2a基因在外显子区域的甲基化水平升高,其中Tnr mRNA表达下降, Pla2g2a mRNA表达增加。Tnr与神经系统的发育、神经元的可塑性以及神经细胞的迁移等有密切关系[19],SAGHATELYAN等[20]通过对Tnr基因敲除小鼠的研究发现:Tnr基因的缺失能够导致神经细胞外周的抑制性电流减弱,从而增加了兴奋性突触传递,并有可能最终引起了海马CA1区的LTP变异。Pla2g2a作为分泌型磷脂酶A2中的一种亚型,是一种广泛的促炎症因子[21],能够诱导神经元的凋亡并与神经退行性病变相关[22]。由此,我们推测甲基化所致的基因表达水平改变可能是B[a]P导致青春期到成年大鼠海马组织神经毒性的原因之一。

RRBS虽是一种准确、高效、经济的DNA甲基化研究方法,但仍有它的局限性[23],本研究发现的基因甲基化位点、基因表达水平和相应功能元件的表达情况仍然需要多种方法联合验证。从表观遗传学方面深入探讨B[a]P对大鼠海马的损伤机制,有望为未来研究B[a]P导致神经功能损伤的原因提供新的思路。

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http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.201909139
中国人民解放军总政治部、国家科技部及国家新闻出版署批准,
由第三军医大学主管、主办

文章信息

谭强, 王晶, 李春林, 唐萍, 况桃, 黄强, 陈承志, 蒋学君, 程淑群, 涂白杰, 夏茵茵
TAN Qiang, WANG Jing, LI Chunlin, TANG Ping, KUANG Tao, HUANG Qiang, CHEN Chengzhi, JIANG Xuejun, CHENG Shuqun, TU Baijie, XIA Yinyin
苯并芘暴露大鼠海马组织的全基因组DNA甲基化差异分析
Genome-wide differential DNA methylation in hippocampus of rats after benzo(a)pyrene exposure
第三军医大学学报, 2020, 42(4): 359-366
Journal of Third Military Medical University, 2020, 42(4): 359-366
http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.201909139

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收稿: 2019-09-18
修回: 2019-12-10

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