时间序列转录组分析揭示PANoptosis在真菌性角膜炎中的关键作用

Time-Course Transcriptomic Analysis Reveals the Crucial Roles of PANoptosis in Fungal Keratitis

作者信息Xizhan Xu, Yuan Wei, Jinding Pang, Zhenyu Wei, Leying Wang, Qiankun Chen, Zhiqun Wang, Yang Zhang, Kexin Chen, Yan Peng, Zijun Zhang, Jiamin Liu, Yuheng Zhang, Zi-Bing Jin, Qingfeng Liang
PMID36867131
发布时间2023-03-01
DOI10.1167/iovs.64.3.6

实验完整度

包含小鼠模型转录组测序、免疫细胞浸润推断及qPCR/Western blot/免疫组化验证,但缺乏功能获得或缺失实验验证机制。

主要模型

烟曲霉感染的小鼠真菌性角膜炎模型(C57BL/6小鼠,角膜基质注射)

重点核对

烟曲霉孢子悬液浓度:5 × 10^5 CFU/mL,注射体积5 μL,注射途径:角膜基质注射 感染后时间点:1、3、5天(dpi) 小鼠品系、性别、周龄:C57BL/6,雌性,8周龄 对照组:注射5 μL PBS PANoptosis相关基因表达验证:qPCR、Western blot(cleaved GSDMD、cleaved CASP3、p-MLKL)

摘要

目的:真菌性角膜炎(FK)是一种致残率高的严重角膜感染。宿主免疫反应是一把双刃剑,既能清除真菌病原体,又能造成角膜损伤,决定FK的严重程度、进展和预后。然而,其潜在的免疫发病机制仍不清楚。方法:对FK小鼠模型进行时间序列转录组测序,以阐明动态免疫景观。整合的生物信息学分析包括差异表达基因鉴定、时间序列聚类、基因本体论富集和浸润免疫细胞推断。基因表达通过定量聚合酶链反应(qPCR)、Western blot或免疫组织化学验证。结果:FK小鼠表现出动态免疫反应,临床评分、转录改变和免疫细胞浸润评分均在感染后第3天(dpi)达到峰值,呈现协同趋势。FK早期、中期和晚期依次出现底物代谢紊乱、广泛的免疫激活和角膜伤口愈合。同时,浸润的先天性和适应性免疫细胞的动态变化呈现出不同特征。树突状细胞的比例随着真菌感染呈现总体下降趋势,而巨噬细胞、单核细胞和中性粒细胞的比例在早期急剧上升,随后随着炎症消退逐渐下降。在感染晚期也观察到适应性免疫细胞的激活。此外,不同时间点均显示出共享的免疫反应以及AIM2、pyrin和ZBP1介导的PANoptosis的激活。结论:我们的研究描绘了动态免疫景观,并强调了PANoptosis在FK发病机制中的关键作用。这些发现为宿主对真菌的反应提供了新的见解,并有助于开发针对FK患者的PANoptosis靶向治疗。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
真菌性角膜炎(FK)的免疫发病机制中,动态免疫反应如何变化以及PANoptosis是否参与其中?
核心机制
烟曲霉感染激活AIM2、pyrin和ZBP1介导的PANoptosis,导致焦亡、凋亡和坏死性凋亡的协同发生,并伴随大量促炎细胞因子释放,加剧角膜炎症。
主要证据
小鼠FK模型时间序列转录组测序显示共享免疫反应,PANoptosis相关基因(Zbp1, Aim2, Casp1, Ripk3等)显著上调,qPCR验证15个基因显著升高,Western blot检测到cleaved GSDMD、cleaved CASP3和p-MLKL。
研究意义
揭示FK的免疫病理机制,为靶向PANoptosis的治疗策略提供新方向。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

建立真菌性角膜炎小鼠模型

构建烟曲霉感染的小鼠真菌性角膜炎模型,用于研究FK的免疫病理过程。

C57BL/6小鼠角膜基质注射烟曲霉孢子悬液(5×10^5 CFU/mL, 5 μL),对照组注射等量PBS,观察1、3、5天临床评分、IVCM和H&E染色验证模型。

2

时间序列转录组测序并分析差异表达基因

揭示感染过程中角膜组织的转录组变化,鉴定差异表达基因及其动态模式。

提取角膜总RNA,构建cDNA文库,进行Illumina Novaseq 6000双端测序(PE150),通过Trimmomatic、HISAT2、HTSeq和DESeq2分析差异表达基因(padj<0.05,|log2FC|>1),并进行PCA、相关性热图、UpSet图分析。

3

时间序列聚类与功能富集分析

将差异表达基因按表达模式聚类,并探究各聚类基因的生物学功能。

使用TCseq包的模糊k-means算法将3780个DEGs分为4个簇(k=4),对每个簇分别进行GO富集分析(clusterProfiler包,BH校正Padj<0.05)。

4

免疫细胞浸润分析

推断感染角膜中浸润免疫细胞的种类和动态变化,揭示免疫微环境的变化。

利用ImmuCellAI-mouse在线工具,基于转录组数据推断36种免疫细胞的比例,使用单因素ANOVA比较各免疫细胞在4组间的差异。

5

验证关键免疫基因和PANoptosis的激活

验证转录组发现的共享免疫反应和PANoptosis相关基因的表达,确认PANoptosis在FK中被激活。

通过免疫组化检测IRAK1、NF-κB、IFN-γ的表达;通过qPCR验证24个PANoptosis相关基因的表达;通过Western blot检测cleaved GSDMD、cleaved CASP3、p-MLKL等执行蛋白。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
TRIzol试剂Thermo Fisher Scientific15596018
RNA 6000 Nano LabChip试剂盒Agilent Technologies5067-1511
安捷伦2100生物分析仪Agilent Technologies--
Qubit荧光计Invitrogen--
Dynabeads Oligo (dT) 磁珠Thermo Fisher Scientific--
镁离子RNA片段化模块New England BiolabsE6150
SuperScript II逆转录酶Invitrogen1896649
大肠杆菌DNA聚合酶INew England BiolabsM0209
RNase HNew England BiolabsM0297
dUTP溶液Thermo Fisher ScientificR0133
AMPure XP磁珠New England BiolabsE7420
热敏感UDG酶New England BiolabsM0280
Illumina Novaseq 6000系统Illumina--
IRAK1抗体Proteintech10478-2-AP
NF-κB抗体Abcamab16502
IFN-γ抗体Biossbs-0480R
HRP标记的山羊抗兔IgGAbcamab205718
DAB显色试剂盒Beyotime Biotech Co., Ltd.P0203
Alexa Fluor 488标记的山羊抗兔IgGAbcamab150077
DAPISigma-Aldrich32670
奥林巴斯DP72荧光显微镜Olympus--
Taq Pro通用SYBR预混液Vazyme Biotech Co., Ltd.Q712
RIPA裂解液Beyotime Biotech Co., Ltd.P0013B
BCA蛋白定量试剂盒Beyotime Biotech Co., Ltd.P0012
PVDF膜MilliporeIPVH00010
GAPDH抗体Proteintech60004-1-Ig
GSDMD抗体Cell Signaling Technology39754S
cleaved caspase-3抗体Cell Signaling Technology9664T
p-MLKL抗体Cell Signaling Technology37333S
HRP标记的抗兔二抗Abcamab205718
HRP标记的抗鼠二抗ProteintechSA00001-1
ECL化学发光试剂盒Beyotime Biotech Co., Ltd.P0018S
切片机(Leica RM 2165)Leica Microsystems--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
小鼠模型建立
小鼠品系(C57BL/6)、性别(雌性)、周龄(8周)、感染途径(角膜基质注射)、孢子浓度(5×10^5 CFU/mL)、注射体积(5 μL)、对照组(PBS)、感染后时间点(1、3、5天)
阅读提示:Methods: Mouse Model of Fungal Keratitis
转录组测序
每组样本数(3个重复)、RNA提取试剂、cDNA文库构建试剂、测序平台(Illumina Novaseq 6000)、测序模式(PE150)、DEG阈值(Padj<0.05, |log2FC|>1)
阅读提示:Methods: RNA Extraction, cDNA Library Construction and RNA Sequencing, RNA-Seq Reads Mapping and Differentially Expressed Gene Analysis
免疫细胞浸润分析
工具(ImmuCellAI-mouse)、比较组(对照组、FK1、FK3、FK5)、统计方法(单因素ANOVA)
阅读提示:Methods: Immune Cell Infiltration Analysis
PANoptosis验证
qPCR验证的基因列表(24个)、Western blot检测的蛋白(GSDMD、cleaved CASP3、p-MLKL)、抗体品牌和稀释度
阅读提示:Methods: Real-Time Quantitative PCR, Western Blot; Figure 6