慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是全球人口死亡的主要原因之一。慢阻肺急性加重(acute exacerbation of COPD,AECOPD)使患者肺功能及生活质量下降,增加住院率和病死率,造成巨大经济和社会负担
[1-3]。呼吸道病毒感染是AECOPD的主要原因。气道上皮细胞是抵御呼吸道感染的第一道防线,识别病毒、产生Ⅰ型干扰素(type Ⅰ interferons,IFN-Ⅰ),IFN-Ⅰ与受体(IFN-Ⅰ receptor,IFNAR,由IFNAR1和IFNAR2组成)结合并促进信号转导及转录激活因子1/2(signal transducer and activator of transcription1/2,STAT1/2)磷酸化及IFN刺激基因(IFN-stimulated genes,ISGs)表达以抵御病毒
[4,5]。香烟烟雾(cigarette smoke,CS)是COPD的主要危险因素,抑制抗病毒固有免疫反应使其对病毒易感性增加
[6],具体机制尚不明确。
环状RNA(Circular RNAs,circRNAs)由前体mRNA反向剪接形成,无5′帽结构和3′poly(A)结构,据报道circRNA与COPD发病机制相关
[7],研究发现AECOPD患者血清circRNA0001859丰度降低,可能作为其预后标志物,但未涉及机制研究
[8]。circRNA也调节抗病毒防御反应,参与新型冠状病毒及甲型流感病毒等的免疫调控
[9,10]。研究报道具有凝血反应蛋白基序-6的崩解素和金属蛋白酶基因(a disintegrin and metalloprotease with thrombospondin motif-6 ADAMTS-6)产生的环状RNA circADAMTS-6(hsa_circ_0008667)通过miR-324-5p/PIK3R3对IL-1β刺激的软骨细胞发挥保护作用
[11],但hsa_circ_0008667(即circADAMTS-6)在AECOPD中作用尚不明确。本研究通过香烟烟雾提取物(cigarette smoke extract,CSE)联合poly(dA∶dT)干预BEAS-2B细胞构建AECOPD细胞模型,探索circADAMTS-6、miR-1260b、IFNAR2在AECOPD抗病毒固有免疫中的作用,为AECOPD防治提供潜在生物靶点。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 细胞
人支气管上皮细胞(BEAS-2B,AW-CNH004)和人胚肾细胞(HEK-293T,AW-CNH086)购买于长沙艾碧维科技有限公司。
1.1.2 主要试剂
DMEM培养基、胎牛血清、胰酶(Gibco,美国),链青霉素、RIPA裂解液(索莱宝,北京),香烟(白沙牌,湖南长沙)。BCA蛋白浓度测定试剂盒、抗体稀释液(碧云天,中国)。5×蛋白上样缓冲液、蛋白分子量marker、HRP发光试剂、poly(dA∶dT)、Lipofectamine2000脂质体、TransZol、circRNA及mRNA逆转录和PCR试剂盒(赛默飞,美国),PCR引物(生工,上海)。microRNA逆转录及PCR试剂盒(康维世纪,江苏)。小干扰RNA和过表达质粒、双荧光素酶报告质粒circADAMTS-6-3ʹUTR-WT、circADAMTS-6-3ʹUTR-MUT及检测试剂盒、miR-1260b mimic、miR-NC(吉玛基因,上海)。IFNAR2-3ʹUTR-WT、IFNAR2-3ʹUTR-MUT双荧光素酶报告质粒(汉恒生物,上海)。circRNA原位杂交探针及试剂盒(lnc1100621,锐博,广州)。抗体GAPDH、STAT1、p‑STAT1、STAT2、IFNAR2(abcam,英国),抗体p-STAT2(CST,美国)及羊抗兔IgG(H+L)二抗(三鹰,武汉)。
1.1.3 主要仪器
分光光度仪、超净工作台、多功能酶标仪(赛默飞,美国),PVDF膜(Minipore,美国),制胶架、电泳槽、转膜仪(天能,上海),激光共聚焦显微镜系统(徕卡,德国),PCR仪及凝胶成像分析系统(赛默飞,美国)。
1.2 方法
1.2.1 制备CSE
充分燃烧一支去除过滤嘴的香烟(湖南中烟工业有限责任公司,白沙牌香烟,成分:焦油量10 mg,烟气烟碱量0.8 mg,烟气一氧化碳含量12 mg)产生的烟雾通过负压装置(LeyNow,广州)溶解于5 mL PBS。溶液经0.22 μm过滤嘴(Lida,美国)过滤,制备成无菌CSE经分光光度仪检测320 nm和540 nm波长的吸光值在0.9~1.2,定为100%CSE。提前30 min制备新鲜的100%CSE溶液,使用前稀释至所需的浓度。
1.2.2 细胞培养
BEAS-2B和293T细胞系培养于含10%胎牛血清和1%青霉素-链霉素的DMEM培养基中,培养条件为37 ℃、5%CO₂。按照实验目的将BEAS-2B、293T细胞接种于培养皿或培养板中,细胞生长至70%~80%,接受不同分组处理。后续使用3%CSE及2 µg/mL poly(dA∶dT)干预24 h进行AECOPD细胞体外实验。
1.2.3 细胞转染
用Lipofectamine 2000将对照小干扰RNA si-NC、si-circADAMTS-6、对照质粒Vector、过表达质粒pcDNA3.1IFNAR2(OE-IFNAR2)、pcDNA3.1circADAMTS-6(OE-circADAMTS-6)、miR-NC、miR-1260b mimic按转染说明书转染至BEAS-2B细胞,24 h后检测转染效率,再按照不同实验目的予以不同干预,24 h后收集细胞进行检测。寡核苷酸序列见
表1。
1.2.4 荧光原位杂交实验
BEAS-2B接种至12孔板爬片,经4%多聚甲醛固定、0.1%TritonX-100渗透细胞膜、PBS洗涤。按照说明书进行预杂交,避光条件下分别加入Cy3标记的circADAMTS-6探针和18S探针杂交,37 ℃避光孵育过夜。次日予DAPI行核染色,使用激光共聚焦显微镜系统进行图像采集。
1.2.5 双荧光素酶报告基因检测
用Lipofectamine 2000将双荧光素酶报告基因质粒野生型或突变型分别与miR-1260bmimic或miR-NC共转染至293T细胞培养48 h,分组如下:miR-NC+circADAMTS-6-3ʹUTR-WT,miR-1260bmimic+circADAMTS-6-3ʹUTR-WT,miR-NC+circADAMTS-6-3ʹUTR-MUT,miR-1260bmimic+circADAMTS-6-3ʹUTR-MUT,miR-NC+IFNAR2-3ʹUTR-WT,miR-1260bmimic+IFNAR2-3ʹUTR-WT,miR-NC+IFNAR2-3ʹUTR-MUT,miR-1260bmimic+IFNAR2-3ʹUTR-MUT。48 h后冰上裂解细胞、离心收集上清,双荧光素酶报告基因试剂盒检测各组萤火虫荧光Firefly和海肾荧光Renilla活性,并计算比值。
1.2.6 定量实时聚合酶链反应(qRT-PCR)
BEAS-2B按照不同实验分组干预,TransZol提取总RNA并测浓度,按照说明书逆转录circRNA、miRNA及mRNA合成cDNA,circRNA、mRNA用
GAPDH作参照,miRNA用
U6作参照,按照qPCR试剂盒对上述cDNA进行荧光定量扩增,
表2为引物序列。以2
-ΔΔCt值统计分析相关分子相对表达水平。
1.2.7 Western Blot
BEAS-2B接种于6孔板,按照不同分组干预,冰上裂解细胞30 min,收集于4 ℃,12 000×g离心20 min取上清,BCA检测蛋白浓度。蛋白与上样缓冲液按照4∶1混合充分,95 ℃金属浴10 min使蛋白充分变性。通过SDS-PAGE进行电泳分离蛋白,于转膜槽将蛋白转至PVDF膜,蛋白快速封闭液封闭30 min,与相应抗体IFNAR2(1∶1 000)、STAT1(1∶1 000)、p-STAT1(1∶1 000)、STAT2(1∶1 000)、p-STAT2(1∶1 000)、GAPDH(1∶1 000)在4 ℃孵育过夜。次日,TBST溶液充分漂洗3次,二抗(1∶5 000)室温孵育2 h,TBST漂洗3次。通过凝胶成像系统进行化学发光。
1.3 统计学处理
使用ImageJ检测WB条带灰度值、GraphPad Prism 9软件进行数据统计分析。本研究计量资料符合正态分布,以表示,两组间比较采用独立样本t检验,多组间比较采用单因素方差分析,组间两两比较采用Bonferroni's多重比较检验。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 circADAMTS-6、miR-1260b、IFNAR2在CSE干预的人支气管上皮细胞内表达情况
荧光原位杂交实验FISH显示circADAMTS-6定位于细胞质和细胞核(
图1A)。PCR表明与空白组(NC)相比,CSE组
circADAMTS-6、IFNAR2表达明显降低,而
miR-1260b表达增加(
P<0.05),见
表3。WB结果表明CSE抑制IFNAR2蛋白表达(
图1B、C)。
2.2 过表达circADAMTS-6削弱CSE对BEAS-2B细胞抗病毒免疫应答的抑制作用
使用poly(dA∶dT)模拟病毒感染,与Vector组相比,poly(dA∶dT)能明显诱导
ISG15和
CXCL10 mRNA表达及STAT1、STAT2磷酸化,CSE明显抑制poly(dA∶dT)的诱导效应;而过表达circADAMTS-6明显增强poly(dA∶dT)诱导的
ISG15和
CXCL10 mRNA表达及STAT1、STAT2磷酸化,且明显削弱CSE对poly(dA:dT)的抑制作用(
P<0.05),见
表4、
5及
图2。
2.3 circADAMTS-6、IFNAR2和miR-1260b三者之间相互作用
生物信息学预测miR-1260b分别与circADAMTS-6、IFNAR2-3ʹUTR存在靶向关系(
图3)。双荧光素酶实验结果显示,与miR-NC比较,miR-1260b mimc明显减弱circADAMTS-6-WT、IFNAR2-3ʹUTR-WT组荧光素酶活性,而对circADAMTS-6-MUT、IFNAR2-3ʹUTR-MUT组荧光素酶活性无明显影响(
表6、
7)。进一步说明circADAMTS-6与miR-1260b相互作用,miR-1260b与IFNAR2相互作用。
2.4 circADAMTS-6/miR-1260b靶向IFNAR2调控CSE对BEAS-2B细胞的抗病毒免疫应答
过表达IFNAR2明显减轻CSE对poly(dA∶dT)诱导的STAT1/STAT2磷酸化的抑制(
图4,
表8、
9);共转染miR-1260b mimic及OE-IFNAR2,明显削弱OE-IFNAR2对STAT1/STAT2磷酸化的促进作用(
图4A,
表8)。同样,共同转染si-circADAMTS-6及OE-IFNAR2,结果显示si-circADAMTS-6明显降低OE-IFNAR2对STAT1、STAT2磷酸化的促进作用(
图4B,
表9)。
3 讨论
AECOPD是慢阻肺的严重并发症,减少和预防AECOPD发生是慢阻肺治疗的重要目标之一
[12]。慢阻肺是异质性疾病,患者常不能识别急性加重的临床表现而耽误治疗,故预防、及时精准诊断AECOPD将使患者获益
[13]。呼吸道病毒感染是慢阻肺急性加重的主要诱因,COPD患者易合并病毒感染,而后者会加重气道炎症反应
[14]。研究发现香烟损害COPD患者气道抗病毒免疫反应而对病毒易感导致AECOPD发生,确切机制尚不明确
[15]。
circRNAs通过调控细胞凋亡、炎症、氧化应激等参与COPD发病
[16]。Zhou等
[17]报道了circFOXO3在CS暴露的肺组织和CSE处理的小鼠肺泡上皮细胞中过表达,敲减circFOXO3后CXCL1和IL-6表达减少,减轻炎症反应。研究发现AECOPD患者血清中circRNA表达失调,提示circRNA可能参与调控慢阻肺急性加重
[18]。本研究利用CSE干预支气管上皮细胞建立COPD细胞模型,发现CSE组circADAMTS-6表达降低。研究发现同样来源于ADAMTS-6亲本基因的hsa_circ_0072688参与COPD肺气肿发生
[19]。然而,尚无对circADAMTS-6在AECOPD中的报道。以往研究已证实circRNA是重要的抗病毒固有免疫防御调节因子,抑制或促进病毒感染
[20]。如hsa_circ_0004445通过与hnRNPC的结合明显抑制MERS-CoV的复制
[21]。本研究显示,过表达circADAMTS-6促进支气管上皮细胞对poly(dA∶dT)诱导的细胞因子CXCL10、ISG15 mRNA表达及STAT1/STAT2蛋白磷酸化水平,表明circADAMTS-6参与STAT1/2-ISGs抗病毒固有免疫通路调控,缓解CSE对固有免疫反应的抑制。
circRNAs作为miRNA分子海绵调节基因表达,如circBBS9通过靶向miR-30e-5p/ADAR加剧COPD的肺部炎症
[22]。circXPO1通过靶向miR-23b-3p抑制TGF-β活化激酶1/MAP3K7结合蛋白3(
TAB3)的表达,而抑制circXPO1可缓解CS暴露的肺和CSE处理的肺泡上皮细胞的炎症和衰老
[23]。本研究FISH结果显示circADAMTS-6位于细胞质和细胞核中。生物信息学发现、双荧光素酶报告基因检测显示circADAMTS-6与miR-1260b结合,说明circADAMTS-6作为ceRNA结合miR-1260b。既往研究显示miR-1260b在COPD大鼠和NR8383细胞中高表达,并靶向抑制I κBα表达促进炎性细胞因子产生
[24]。本研究也表明miR-1260b在CSE干预的BEAS-2B细胞中表达升高,miR-1260b mimic加剧CSE对poly(dA:dT)诱导的抗病毒相关分子的抑制,说明miR-1260b在AECOPD抗病毒免疫防御受损中发挥作用。
Ⅰ型IFN受体由IFNAR1和IFNAR2亚基组成,IFNAR2与重症新冠肺炎患者临床预后相关
[25]。香烟通过下调IFNAR抑制IFN-I依赖性抗病毒免疫反应
[26]。与之前研究一致,本研究发现CSE抑制BEAS-2B细胞内IFNAR2 mRNA和蛋白表达,OE-IFNAR2促进STAT1/STAT2磷酸化,增强抗病毒固有免疫。Liu等
[27]发现miR-30c靶向结合并抑制IFNAR2表达从而促进猪繁殖与呼吸综合征病毒复制,提示IFNAR2表达及下游的抗病毒免疫受miRNA靶向调控。本研究通过生物信息学分析及荧光素酶报告基因检测发现IFNAR2与miR-1260b靶向结合,miR-1260 mimic减弱OE-IFNAR2对STAT1/STAT2蛋白磷酸化的促进作用。敲低circADAMTS-6也可削弱OE-IFNAR2的作用。表明circADAMTS-6通过调节miR-1260b靶向IFNAR2参与AECOPD细胞模型的抗病毒固有免疫调控。
综上所述,本研究在AECOPD细胞模型中阐述circADAMTS-6通过miRNA-ceRNA机制对抗病毒固有免疫发挥调控作用。机制研究发现circADAMTS-6在AECOPD细胞模型中表达减少,使miR-1260b丰度增加,对IFNAR2表达抑制作用增强而损害抗病毒固有免疫信号通路。以上结果为AECOPD抗病毒先天免疫异常及病毒易感性增加提供新的机制解释,同时也为预防及治疗AECOPD提供潜在生物靶点。circRNAs由于其稳定性及安全性高,现在逐渐成为疫苗、抗肿瘤生物疗法研究热点
[28]。未来circADAMTS-6能否作为一种预测或预防COPD急性加重的候选靶标、向临床应用转化等,仍需更多体内动物实验甚至临床试验验证。本研究也存在不足之处:除了气道上皮细胞外,多种免疫细胞也参与先天抗病毒免疫反应,探索参与AECOPD发生、发展的其他细胞中circADAMTS-6的作用也十分必要。circRNAs通过多种机制发挥生物功能,除外miRNA-ceRNA,circADAMTS-6是否通过其他机制产生作用,仍待进一步研究。同时,关于circADAMTS-6的免疫调节作用也需在AECOPD动物模型中验证。
作者贡献度说明:
秦会平:设计文章内容、书写文章并完成部分分子实验;蔡晓瑜:分子及细胞实验;黄斌、高枫:数据统计、表格处理及查阅文献资料;阳芳、王昌明:进行课题指导及文章修改。所有作者都阅读了这篇文章,并同意提交使用该手稿的出版版本。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
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