编码转录组分析揭示PEG融合大鼠坐骨神经同种异体移植物的免疫耐受相关功能改变

Coding transcriptome analyses reveal altered functions underlying immunotolerance of PEG-fused rat sciatic nerve allografts

作者信息Tyler A Smith, Cameron L Ghergherehchi, Haley O Tucker, George D Bittner
PMID33008419
发布时间2020-10
DOI10.1186/s12974-020-01953-8

实验完整度

包含动物模型(大鼠坐骨神经缺损修复)、RNAseq转录组分析、RT-qPCR验证及免疫组化蛋白水平验证,涉及多层级证据。

主要模型

PEG融合坐骨神经同种异体移植物大鼠模型 阴性对照坐骨神经同种异体移植物大鼠模型 未手术对照坐骨神经

重点核对

比较组:PEG融合PNA vs 阴性对照PNA vs 未手术对照神经;每组动物数n=3(未手术组n=2) 时间点:术后14天 RNAseq差异表达基因筛选标准:log2 fold change >1或<-1且padj<0.05 RT-qPCR验证选定转录本(20个),使用GAPDH作为参考基因 免疫组化验证COL1A1、CD24、THBS1、THBS2和CD276蛋白表达

摘要

背景:目前使用周围神经同种异体移植物(PNA)修复消融型周围神经损伤(PNI)的常规方法,常因免疫排斥以及再生轴突芽的缓慢和不准确生长而导致功能恢复不良。相比之下,采用多步骤方案(其中一步使用膜融合剂聚乙二醇(PEG))修复的消融型PNI,可在数周内永久恢复坐骨神经介导的行为,即使远交系宿主和供体组织既未免疫抑制也未组织配型。PEG融合的PNA表现出显著减少的T细胞和巨噬细胞浸润、主要组织相容性复合体I/II表达降低以及持续的低凋亡。在本研究中,我们分析了PEG融合PNA的编码转录组,以探讨免疫抑制的可能机制。方法:使用PNA结合PEG融合方案及神经缝合修复成年Sprague-Dawley大鼠的消融型坐骨神经PNI。电生理和行为测试确认PEG融合PNA成功。RNA测序分析了术后14天PEG融合PNA与阴性对照PNA(未用PEG处理)以及未手术对照神经之间蛋白编码基因的差异表达谱。测序结果通过定量逆转录PCR(RT-qPCR)验证,部分通过免疫组织化学验证。结果:PEG融合PNA表现出许多与先天性和适应性同种异体排斥反应相关的基因转录本显著下调。施万细胞相关转录本通常上调,细胞外基质重塑和细胞/组织发育等细胞过程特别富集。编码几种潜在免疫抑制蛋白(如血小板反应蛋白1和2)的转录本在PEG融合PNA中也上调。结论:本研究首次表征了PEG融合PNA的编码转录组,并确定了细胞外基质改变与同种异体排斥反应抑制之间的可能联系。结果为理解PEG介导的免疫抑制机制奠定了初步的分子基础。

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
PEG融合的同种异体神经移植物为何能在不进行免疫抑制或组织配型的情况下避免免疫排斥?
核心机制
PEG融合可能通过上调细胞外基质重塑相关基因(如胶原蛋白、血小板反应蛋白)和免疫抑制分子(CD24、THBS1/2、CD276),下调先天性和适应性免疫反应相关基因,从而形成免疫抑制微环境。
主要证据
RNAseq显示PEG融合PNA中与T细胞和巨噬细胞相关的转录本显著下调,而施万细胞相关转录本及细胞外基质重塑相关基因上调;RT-qPCR和免疫组化验证了部分结果。
研究意义
该研究首次在分子水平揭示了PEG融合PNA免疫耐受的可能机制,为开发无需脱细胞或全身免疫抑制的周围神经损伤修复策略提供了理论基础。

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

建立大鼠坐骨神经消融损伤和PNA修复模型

创建消融型坐骨神经损伤模型,并实施PEG融合或阴性对照修复,为后续分析提供实验样本。

对成年雌性Sprague-Dawley大鼠进行坐骨神经完全横断并切除6-8mm段,造成8-10mm间隙,然后植入供体PNA(长度超过间隙1-3mm),进行神经缝合,PEG组在缝合位点应用PEG融合方案(包括低渗盐水、亚甲蓝、PEG和含钙等渗盐水)。

2

RNA提取和RNAseq分析

比较PEG融合PNA、阴性对照PNA和未手术对照神经的编码转录组,鉴定差异表达基因。

从各组样本中提取总RNA,构建poly-A富集文库,在Illumina HiSeq 3000平台上进行75bp双端测序,并利用FastQC、Tophat2、HTSeq-count和DESeq2进行差异表达分析。

3

功能注释和富集分析

识别差异表达基因所涉及的生物学过程、通路和蛋白家族,以探讨潜在机制。

使用BiNGO进行GO生物学过程富集分析,DAVID进行KEGG通路和InterPro蛋白家族注释,STRING进行蛋白-蛋白相互作用网络分析。

4

RT-qPCR验证

验证RNAseq结果的可靠性,评估所选基因的表达差异。

使用High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit反转录RNA,PowerUp SYBR Green Master Mix进行qPCR,以GAPDH为参考基因,采用ΔΔCt法计算相对表达。

5

免疫组化验证蛋白表达

验证免疫抑制相关蛋白(COL1A1、CD24、THBS1、THBS2、CD276)在组织中的表达水平。

对神经横切片进行免疫荧光染色,使用特异性一抗和荧光二抗,利用显微镜成像并定量分析染色面积。

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
聚乙二醇Sigma Aldrich--
亚甲蓝Acros Organics--
RNA保存液Invitrogen--
TRIzol试剂Ambion--
RNeasy Mini试剂盒QIAGEN--
Nanodrop 1000分光光度计Thermo Scientific--
BioAnalyzer 2100分析仪Agilent Technologies--
Qubit荧光计ThermoFisher--
TruSeq链特异性mRNA文库制备试剂盒Illumina--
HiSeq 3000测序仪Illumina--
高容量cDNA逆转录试剂盒Applied Biosystems--
PTC-200热循环仪MJ Research--
PowerUp SYBR Green预混液Applied Biosystems--
ViiA7定量PCR仪Applied Biosystems--
OCT包埋剂Electron Microscopy Sciences--
Cryostar NX50冷冻切片机Thermo Scientific--
DAPI复染剂IHC-Tek--
Fluoromount-G封片剂Invitrogen--
Axiovert 200M荧光显微镜Zeiss--
Axiocam HR3相机Zeiss--
抗COL1A1抗体DSHB7-2C12
抗CD24抗体Proteintech10600-1-AP
抗THBS1抗体LifeSpan BiosciencesLS-C137099
抗THBS2抗体InvitrogenPA5-97117
抗CD276抗体Santa Cruz Biotechnologysc-376769
抗鼠Alexa Fluor 488二抗InvitrogenR37120
抗兔Alexa Fluor 594二抗InvitrogenR37117
卡洛芬Putney, Inc.--

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
PEG融合手术
PEG浓度(50% w/w 3.35 kDa)、处理时间(1-2分钟)、Methylene blue浓度(1%)、低渗盐水渗透压(250 mM)、含钙盐水渗透压(290 mM)
阅读提示:Methods:Brief description of PEG-fusion protocol
动物模型
大鼠品系(Sprague-Dawley)、性别(雌性)、体重(225-300g)、样本量(PEG组n=3,NC组n=3,Unop组n=2)
阅读提示:Methods:Animals,Study design
RNA提取
组织保存(RNAlater)、裂解(TRIzol)、纯化(RNeasy Mini kit)、RIN值(7.1-8.2)
阅读提示:Methods:RNA extraction
RNAseq分析
文库制备(TruSeq Stranded mRNA kit)、测序平台(HiSeq 3000)、数据量(≥20×10^6 75bp paired-end reads)、差异表达阈值(log2 fold change >1或<-1,padj<0.05)
阅读提示:Methods:RNAseq and bioinformatics analyses
RT-qPCR验证
RNA量(≥200 ng,Unop组40 ng)、引物序列、内参基因(GAPDH)、循环数(40循环)
阅读提示:Methods:Quantitative reverse transcription PCR,Table 1
免疫组化验证
抗体稀释度、切片厚度、染色面积定量方法、统计方法(one-way ANOVA,Tukey's test)
阅读提示:Methods:Immunohistochemistry,Figure 7 legend