国际神经病学神经外科学杂志  2019, Vol. 46 Issue (6): 589-595  DOI: 10.16636/j.cnki.jinn.2019.06.001

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谭颖, 管宇宙, 朱立, 崔丽英
TAN Ying, GUAN Yu-Zhou, ZHU Li, CUI Li-Ying
乙酰胆碱受体抗体阳性重症肌无力外周血单个核细胞miRNA表达谱
Expression profile of microRNAs in peripheral blood mononuclear cells of patients with myasthenia gravis with acetylcholine receptor antibodies
国际神经病学神经外科学杂志, 2019, 46(6): 589-595
Journal of International Neurology and Neurosurgery, 2019, 46(6): 589-595

文章历史

收稿日期: 2019-09-21
修回日期: 2019-12-03
乙酰胆碱受体抗体阳性重症肌无力外周血单个核细胞miRNA表达谱
谭颖1, 管宇宙1, 朱立2, 崔丽英1,3    
1. 中国医学科学院北京协和医院神经科/北京协和医学院, 北京市 100010;
2. 中国医学科学院北京协和医院核医学科, 北京市 100010;
3. 中国医学科学院神经科学中心, 北京市 100010
摘要目的 本研究对比乙酰胆碱受体抗体阳性重症肌无力患者(AchR-MG)和正常对照组外周血单个核细胞miRNA,预测对AchR-MG发病可能产生影响的通路,为进一步探讨发病机制打下基础。方法 采用病例对照研究方法,基于高通量测序,筛选了AchR-MG特异性表达的miRNA。利用TargetScan、miRanda进行靶基因交叉预测,利用基因条目(GO)和京都基因与基因组百科全书(KEGG)进行富集分析。结果 共筛选出差异性miRNA 28种,其中上调17种,下调11种。差异最显著的前5个为:mmu-miR-3968、miR-4785、miR-210-3p、miR-664a-3p、miR-2277-5p。miR-4785预测到METTL22、TMEM38A、ZNF324、ITGB4、CDC34等395种靶基因。最终识别了319条GO term(P < 0.01),获得了119个的风险通路(P < 0.05)。结论 AchR-MG特异性表达miR-4785、miR-210-3p、miR-664a-3p、miR-2277-5p等28种miRNA。以Wnt信号通路为代表的多种通路可能参与AchR-MG的发病。
关键词重症肌无力    乙酰胆碱受体抗体    miRNA    基因条目    京都基因与基因组百科全书    富集分析    
Expression profile of microRNAs in peripheral blood mononuclear cells of patients with myasthenia gravis with acetylcholine receptor antibodies
TAN Ying1, GUAN Yu-Zhou1, ZHU Li2, CUI Li-Ying1,3    
Department of Neurology, Peking Union Medical College Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100010, China
Abstract: Objective To investigate the difference in the expression profile of microRNAs (miRNAs) in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) between patients with myasthenia gravis with acetylcholine receptor antibodies (AchR-MG) and healthy controls, predict the possible pathways involved in the development of AchR-MG, and to lay a foundation for further research on the pathogenesis of AchR-MG. Methods A case-control study was performed to screen out specifically expressed miRNAs in AchR-MG patients based on high-throughput sequencing. TargetScan and miRanda were used for cross-prediction of target genes, and gene ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) enrichment analyses were performed. Results A total of 28 differentially expressed miRNAs were screened out, among which 17 were upregulated and 11 were downregulated. The top 5 differentially expressed miRNAs were mmu-miR-3968, miR-4785, miR-210-3p, miR-664a-3p, and miR-2277-5p. A total of 395 target genes, such as METTL22, TMEM38A, ZNF324, ITGB4, and CDC34, were predicted for miR-4785. A total of 319 GO terms were identified (P < 0.01), and 119 risk pathways were obtained (P < 0.05). Conclusions A total of 28 specifically expressed miRNAs are found in AchR-MG, including miR-4785, miR-210-3p, miR-664a-3p, and miR-2277-5p. Multiple pathways, including the Wnt signaling pathway, may be involved in the pathogenesis of AchR-MG.
Key words: myasthenia gravis    acetylcholine receptor antibody    microRNA    gene ontology    Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes    enrichment analysis    

乙酰胆碱受体(anti-acetylcholine receptor, AchR)抗体阳性的重症肌无力(myasthenia gravis, MG)患者占总体85%~90%,其发病被认为与体液免疫相关,胸腺中的异常生发中心伴B细胞浸润与AchR抗体滴度有关[1],但抗体和基因对临床疗效分层的价值目前仍不明晰[2]。本病涉及到许多复杂的机制,如何理解各临床型之间的转化、如何更好地监测病情波动等,仍是临床研究面临的问题。

miRNA一般由22个核苷酸组成,可以特异性结合到目标mRNA的3’端,导致mRNA降解或抑制下游蛋白的表达,调控目标基因的转录和表达。在MG中差异表达的miRNA参与的生物学过程涵盖了淋巴细胞功能、细胞因子产生等。Cron等[3]发现早发型MG的miR-150上调。Cao等[4]发现miR-653通过干扰TRIM9的功能影响淋巴细胞的增生和凋亡。Bao等[5]筛选了126种与MG相关的miRNA,并确定了上述miRNA的富集通路。这些研究为miRNA在重症肌无力中的作用奠定了理论证据。本实验将对比未经免疫治疗的AchR-MG患者和正常人外周血单个核细胞的miRNA,并采用高通量测序,以提高实验的敏感性。通过生物富集分析,预测对AchR-MG发病可能产生影响的通路,为进一步的研究打下理论基础。

1 对象与方法 1.1 研究对象

本研究采用病例对照研究方法,从北京协和医院门诊入组4例AchR-MG,所有患者为首次诊断,尚未接受任何免疫性治疗。纳入标准:①有重症肌无力典型的临床和电生理特征;②放射免疫沉淀法检测外周血血清中乙酰胆碱受体抗体≥0.4 nmol/L。同期入组了4例年龄、性别匹配的正常对照组,正常对照组排除标准:①任何已知的自身免疫性疾病病史;②任何已知的肿瘤病史;③合并高血压、糖尿病。研究对象基本资料见表 1。本研究获得了北京协和医院伦理委员会审批,所有入组患者均签署了知情同意书。研究方案获得了北京协和医院研究委员会审核,许可号JS-1685。

表 1 研究对象(AchR-MG)的临床资料
编号 性别 年龄 病程(年) MGFA评分 MGFA分型 AchR-Ab(nmol/L) 其他自身抗体 免疫药物
1 28 1 4 IIA 5.83
2 58 1 8 IIA 3.41 ANA1:80
3 40 3 6 IIA 1.28 AMA-M2弱阳性
4 68 1.5 12 IIB 10.47
注:MGFA:美国重症肌无力协会;AchR-Ab:乙酰胆碱受体抗体滴度;ANA:抗核抗体;AMA-M2:抗线粒体抗体M2型
1.2 研究方法 1.2.1 采血和RNA的提取

在获得研究对象书面同意后采取血样8 ml,混入PBS,转入淋巴细胞分离液,离心后清洗、回收;溶解于TRIzol后,放入-80℃冰箱保存。用TRIzol(Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)试剂法提取收集RNA,Agilent 2100 Bioanalyzer检测样品纯度。

1.2.2 提取miRNA和构建cDNA文库

采用15%聚丙烯酰胺胶对总RNA进行分离,选择miRNA(18~30 nt)。根据TruSeq Small RNA Sample Preparation Kit(Illumina)流程进行文库制备。使用Qubit 2.0对文库进行初步定量至浓度为1 ng/μl,用Agilent 2100对文库的插入片段大小进行检测,再通过Q-PCR使文库有效浓度>2 nM。

1.2.3 高通量测序

将miRNA和外源人工合成的miR-168内参稀释至10nM后,进行测序(Illumina, Santiago, CA, USA),用测序软件进行实时分析,后续用ACGT 101-miR软件(LC Sciences, Houston, TX, USA)进行分析。

1.2.4 差异miRNA筛选

用主成分分析法(Principal Component Analysis)分析两组内各样本的生物学重复性,差异miRNA用DEseq程序分析,差异定义为P < 0.05(P值经过多重矫正)。按照差异miRNA的P值从小到大进行排序,如表 2表 3。分别绘制火山图(图 1)和热图(图 2)。

表 2 AchR-MG和对照组的差异miRNA(上调)列表
miRNA log2(fold change) t P
mmu-miR-3968 0.47 7.59 3.05×10-4
miR-4785 2.90 5.37 2.66×10-3
miR-2277-5p_R-1 0.66 4.19 6.50×10-3
miR-1273h-5p 2.67 3.44 1.13×10-2
miR-1264_R-1 2.12 3.47 1.64×10-2
miR-130b-5p_R+1 0.22 3.20 1.85×10-2
miR-7977_R+3_1ss6AG 0.38 4.49 2.07×10-2
hsa-miR-1-3p_1ss21AG 2.04 4.09 2.58×10-2
hsa-miR-1273c_R-1 2.70 3.10 2.69×10-2
hsa-miR-3677-3p 2.10 2.99 2.90×10-2
eca-miR-191b_1ss2AG 1.45 2.91 3.14×10-2
miR-3140-5p 1.31 3.01 3.26×10-2
miR-1296-5p 0.66 3.48 3.28×10-2
miR-1285-3p 1.24 2.73 3.54×10-2
miR-532-5p 0.45 2.70 3.56×10-2
ssc-miR-339 0.22 2.84 3.73×10-2
miR-21-3p 0.73 2.67 4.62×10-2

表 3 AchR-MG和对照组的差异miRNA(下调)列表
miRNA log2(fold change) t P
miR-210-3p -0.77 -5.08 3.43×10-3
miR-664a-3p -0.43 -4.35 5.73×10-3
miR-101-3p_R+1 -0.56 -3.05 2.27×10-2
bta-miR-2484 -1.63 -3.04 2.35×10-2
miR-548ak_R-1 -0.88 -3.06 2.89×10-2
miR-19b-3p -1.23 -2.77 3.33×10-2
miR-20a-5p -0.66 -3.12 4.02×10-2
miR-20b-5p -0.58 -2.70 4.12×10-2
PC-5p-18860_70 -0.44 -2.63 4.47×10-2
hsa-miR-26b-5p_R+1 -0.31 -2.50 4.75×10-2
hsa-miR-19a-3p -1.28 -2.53 4.97×10-2

注:以log2(fold change)为横坐标,-log10(P值)为纵坐标,对差异表达分析中所有的miRNA绘制火山图。其中散点代表miRNA在不同样本中差异表达倍数变化。阈值|log2(Foldchange)| > 1,P < 0.05。红色代表上调miRNA,蓝色代表下调miRNA,灰色的点未达到上述差异标准的miRNA。 图 1 差异miRNA的火山图

注:纵坐标代表不同样本,实验组为MG1、MG2、MG3和MG4,对照组为HC1、HC2、HC3和HC4。不同色块表示miRNA在不同样品中表达变化。表达量越大越接近红色,表达量相对较小接近蓝色。图上方的树形图对不同样本的聚类分析可以看到,实验组的总体miRNA表达与对照组存在较大差异。左侧树状图代表来自不同样本不同基因的聚类结果。 图 2 差异miRNA的热图
1.2.5 靶基因预测

采用TargetScan和miRanda软件对差异miRNA分子进行靶基因预测,将TargetScan算法中靶基因得分小于50的舍去,同时将miRanda算法中最大自由能大于-10的去除。

1.2.6 基因条目和京都基因与基因组百科全书富集分析

采用基因条目(Gene Ontology, GO)/京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopaedia of Genes and Genomes, KEGG)的显著富集分析,应用超几何检验方式,获得差异基因在整个基因背景中的富集通路。

1.3 统计学分析

对高通量测序获得的miRNA数据,采用t检验。用Benjamini-Hochberg方法矫正GO和KEGG富集分析获得的P值。P < 0.05为差异具有统计学意义。上述分析采用SPSS软件19.0版本。

2 结果 2.1 临床症状

4例AchR-MG患者中有2例分别合并抗核抗体(ANA)1 : 80和抗线粒体抗体(AMA-M2)弱阳性,均无其他临床症状,经风湿免疫科会诊排除了自身免疫性疾病。

2.2 RNA质量

2100峰图基线平稳,RNA 28S和18S条带清晰并很少见到降解的5S条带。所有样本均达到RIN≥11.0,28S/18S>1.2。

2.3 两组差异miRNA筛选和靶基因预测

表 2表 3,共筛选出差异性miRNA共28种,其中上调17种,下调11种。以两组差异较大的miR-4785为例,预测到METTL22、TMEM38A、ZNF324、ITGB4、CDC34等395种靶基因。miR-210-3p也是一种较为重要的miRNA,用同样方法预测到包括CREB3L3、PDZD4在内的537种。

2.4 GO富集分析

识别了319条GO(图 3)。按与免疫相关进行筛选,找到21条GO,按照重要性排序如图 4所示,依次为Wnt signal pathway、Fc-epsilon receptor signaling pathway、regulation of Wnt signaling pathway等。

注:采用ggplot2对GO富集分析结果以散点图展示,Rich factor表示位于该GO的差异基因个数/位于该GO的总基因数。P值代表富集显著程度,P值越小,GO富集程度越高;P值越小,散点颜色接近红色。 图 3 AchR-MG与健康对照组的GO散点图

注:以-log10(P值)为扇面面积,以不同颜色代表不同通路,绘制了在GO富集分析中P值小于0.05的免疫相关通路的饼图。其中面积越大,代表该通路的P值越小,该通路越有意义。 图 4 AchR-MG与免疫相关的重要GO
2.5 KEGG富集分析

共获得了119个风险通路(图 5)。按照KEGG数据库信息进一步筛选了与免疫相关的通路,按照重要性排序如图 6所示,分别为Platelet activation、T cell receptor signaling pathway等。

注:采用ggplot2对KEGG富集分析结果以散点图展示,Rich factor表示位于该KEGG的差异基因个数/位于该KEGG的总基因数,P值越小,KEGG富集程度越高,富集显著性越高;P值越小,散点颜色接近红色。 图 5 AchR-MG的KEGG散点图

注:以-log10(P值)为扇面面积,以不同颜色代表不同通路,绘制了在KEGG富集分析中P值小于0.05的免疫相关通路的饼图。其中面积越大,代表该通路的P值越小,该通路越有意义。 图 6 AchR-MG与免疫有关的KEGG
3 讨论

MG涉及到多个生理机制和途径,例如Toll样受体表达增多[6, 7];I型干扰素增高[8];Treg细胞免疫失衡;异位生发中心的B细胞浸润、浆细胞增多[9]等。研究证实,miRNA调控与帕金森、痴呆等疾病具有一定关联[10-13]。在AchR-MG中,已发现下调表达的有:miR-7-5p[9]、miR-320a[14]、miR-15b、miR-122、miR-140-3p、miR-185、miR-192、miR-20b、miR-885-5p[15]、miR-27a-3p[16]、miR-612[17]。上调表达的有:miR-150-5p、miR-21-5p、miR-3654、miR-3651[16-17]。在骨骼肌特异性受体酪氨酸激酶抗体(muscle-specific tyrosine kinase, MuSK)MG中下调的有miR-210-3p、miR-324-3p[18],上调的有miR-151a-3p、let-7、miR-155[19, 20]等。MG患者胸腺瘤中的miR-125a-3p异常表达[21],MG实验动物中的miR-145低水平表达[22]

本研究发现,AchR-MG的外周血单个核细胞中miRNA表达差异的共28种,其中上调17种,下调11种,这表明AchR抗体致病过程中上调占优势。其中miR-21(上调)、miR-20b(下调)均与文献报道相符[23, 24]。MiR-21-3p预测到的靶基因众多,其中包括CD80基因(gene ID 941),该基因编码CD80又称为B7-1,一般存在于活化的B细胞、T细胞、树突状细胞、IFN-γ活化的单核细胞表面。CD80可正负两个方向协同调控T细胞活化和细胞因子的产生[25]。此外,CD80还与结肠癌组织的异常甲基化[26]、CD4阳性T细胞行为相关[27]。miR-21-3p是否通过CD80在MG中起到致病作用,有待在今后进行进一步验证。

本研究发现了以Wnt signaling pathway、Fc receptor signaling pathway、T cell signal pathway为代表的重要GO。Wnt信号在细胞增殖等多个面发挥着重要作用[28],如系统性红斑狼疮[29],该信号有调控T细胞增殖和分化的重要作用[30, 31]。Fc受体信号通路与MG有关,重组多价Fc分子有治疗MG的潜力[32],高加索人的FcγRIIA单核苷酸多态性与MG相关[33]。TCR信号通路上的PTPN2基因多态性与早发型重症肌无力患病风险相关[34],一些经抗T淋巴细胞相关抗原4(cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4, CTLA-4)治疗后的个体出现了MG、多发性肌炎等免疫性疾病[35, 36]。Wnt signaling pathway、Fc receptor signaling pathway和T cell signal pathway是否参与到MG中,有待进一步研究。

在我们的另一项研究中,用同样的方法观察了MuSK-MG和正常对照组外周血单个核白细胞miRNA的差异,并将AchR-MG的差异miRNA和MuSK-MG得到差异miRNA进行了对比,绘制韦恩图(图 7)。取P < 0.05为标准,在本研究中28个差异表达miRNA中,有6个同时也是MuSK-MG特异性表达的,其余22个差异miRNA是AchR特有的。这6个miRNA为:miR-548ak_R-1、miR-20b-5p、miR-19a-3p、miR-19b-3p、miR-101-3p_R+1、bta-miR-2484。

注:红色圆形内代表MuSK-MG特异表达的miRNA,共101个,绿色圆形内代表AchR-MG特异表达的miRNA,共28个。两圆交集内有6个miRNA,代表共同差异表达的miRNA有6个。 图 7 AchR-MG和MuSK-MG差异miRNA的韦恩图

本研究还发现了28种AchR-MG特异性表达的miRNA,找到了多种重要通路,但上述结果仅为初步探索所见,需要在今后的研究中进一步验证。

本研究也存在一些不足,如对照组仅通过病史排除了自身免疫性疾病和肿瘤,但并未进行自身抗体、全身影像学的全面筛查,不能排除潜在的疾病风险。未同时对比双阴性MG,很难确定这28种miRNA是否为AchR-MG独有的表达谱。此外,筛选试验入组例数较少也带来了一些偏倚。为解决这些缺陷,需要在以后纳入更多的亚组、扩大样本量,并尽量采取多种手段对结果进行重复验证,找到有潜力提示病情进展的miRNA,对真正可能参与发病的靶基因和相关蛋白进行功能验证。

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