Mạng lưới miRNA-mRNA được điều chỉnh động do tập thể dục

BMC Physiology - Tập 13 - Trang 1-11 - 2013
Alexander G Tonevitsky1,2, Diana V Maltseva3, Asghar Abbasi4, Timur R Samatov3, Dmitry A Sakharov3, Maxim U Shkurnikov2, Alexey E Lebedev1, Vladimir V Galatenko1, Anatoly I Grigoriev5, Hinnak Northoff4
1Moscow State University, Moscow, Russia
2The Institute of General Pathology and Pathophysiology, Russian Academy of Medical Sciences, Moscow, Russia
3SRC Bioclinicum, Moscow, Russia
4Institute of Clinical and Experimental Transfusion Medicine (IKET), University of Tübingen, Tübingen, Germany
5†Institute for Biomedical Problems, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Tóm tắt

miRNA là các chất trung gian thiết yếu trong nhiều quá trình sinh học. Mục tiêu của nghiên cứu này là điều tra động lực học của các mạng lưới điều chỉnh miRNA-mRNA trong quá trình tập thể dục và giai đoạn phục hồi sau đó. Chúng tôi đã theo dõi sự thay đổi của hệ gen bằng cách sử dụng phân tích vi mạch đối với mẫu máu toàn phần của tám vận động viên chuyên nghiệp trước và sau 30 phút tập thể dục vừa sức, tiếp theo là 30 phút và 60 phút trong giai đoạn phục hồi. Chúng tôi đã kết hợp phương pháp xác định biểu hiện và tin sinh học để phân tích các con đường chuyển hóa giàu các mRNA có sự biểu hiện khác biệt và các mRNA mà được biết đến là mục tiêu đã được xác thực của các miRNA có sự biểu hiện khác biệt. Cuối cùng, chúng tôi đã phát hiện ra bốn mạng lưới điều chỉnh động bao gồm các miRNA có sự biểu hiện khác biệt và các mRNA mục tiêu đã biết của chúng với các hồ sơ biểu hiện có sự đối lập theo thời gian. Dữ liệu cho thấy hsa-miR-21-5p đã điều chỉnh các mRNA TGFBR3, PDGFD và PPM1L. Hsa-miR-24-2-5p có khả năng chịu trách nhiệm cho các gen MYC và KCNJ2, trong khi hsa-miR-27a-5p tương ứng với ST3GAL6. Các mục tiêu của hsa-miR-181a-5p bao gồm ROPN1L và SLC37A3. Tất cả các mRNA này đều tham gia vào các quá trình có liên quan cao đến phản ứng tập thể dục, bao gồm chức năng miễn dịch, quá trình chết theo chương trình, lưu thông màng của các protein và điều chỉnh phiên mã. Chúng tôi đã xác định các con đường chuyển hóa có liên quan đến phản ứng tập thể dục và tiết lộ bốn mạng lưới miRNA-mRNA được điều chỉnh động theo sau tập thể dục. Công trình này là nghiên cứu đầu tiên theo dõi song song các miRNA và mRNA trong giai đoạn phục hồi. Các kết quả cung cấp cái nhìn mới về vai trò điều chỉnh của miRNAs trong việc thích ứng với căng thẳng.

Từ khóa

#miRNA #mRNA #tập thể dục #phục hồi #mạng lưới điều chỉnh #phản ứng sinh học

Tài liệu tham khảo

Bartel DP: MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and function. Cell 2004, 116: 281-297. 10.1016/S0092-8674(04)00045-5 Davidson-Moncada J, Papavasiliou FN, Tam W: MicroRNAs of the immune system: roles in inflammation and cancer. Ann N Y Acad Sci 2010, 1183: 183-194. 10.1111/j.1749-6632.2009.05121.x Zhang C: MicroRNAs in vascular biology and vascular disease. J Cardiovasc Transl Res 2010, 3: 235-240. 10.1007/s12265-010-9164-z Dang CV: Rethinking the Warburg effect with Myc micromanaging glutamine metabolism. Cancer Res 2010, 70: 859-862. 10.1158/0008-5472.CAN-09-3556 Davidsen PK, Gallagher IJ, Hartman JW, Tarnopolsky MA, Dela F, Helge JW, Timmons JA, Phillips SM: High responders to resistance exercise training demonstrate differential regulation of skeletal muscle microRNA expression. J Appl Physiol 2011, 110: 309-317. 10.1152/japplphysiol.00901.2010 Baggish AL, Hale A, Weiner RB, Lewis GD, Systrom D, Wang F, Wang TJ, Chan SY: Dynamic regulation of circulating microRNA during acute exhaustive exercise and sustained aerobic exercise training. J Physiol 2011, 589: 3983-3994. 10.1113/jphysiol.2011.213363 Radom-Aizik S, Zaldivar F Jr, Oliver S, Galassetti P, Cooper DM: Evidence for microRNA involvement in exercise-associated neutrophil gene expression changes. J Appl Physiol 2010, 109: 252-261. 10.1152/japplphysiol.01291.2009 Radom-Aizik S, Zaldivar F Jr, Leu SY, Adams GR, Oliver S, Cooper DM: Effects of exercise on microRNA expression in young males peripheral blood mononuclear cells. Clin Transl Sci 2012, 5: 32-38. 10.1111/j.1752-8062.2011.00384.x Fernandes T, Magalhães FC, Roque FR, Phillips MI, Oliveira EM: Exercise training prevents the microvascular rarefaction in hypertension balancing angiogenic and apoptotic factors: role of microRNAs-16, -21, and −126. Hypertension 2012, 59: 513-520. 10.1161/HYPERTENSIONAHA.111.185801 Radom-Aizik S, Zaldivar FP, Haddad F, Cooper DM: Impact of brief exercise on peripheral blood NK cell gene and microRNA expression in young adults. J Appl Physiol 2013, 114: 628-636. 10.1152/japplphysiol.01341.2012 Uhlemann M, Möbius-Winkler S, Fikenzer S, Adam J, Redlich M, Möhlenkamp S, Hilberg T, Schuler GC, Adams V: Circulating microRNA-126 increases after different forms of endurance exercise in healthy adults. Eur J Prev Cardiol 2012. 10.1177/2047487312467902 Bye A, Røsjø H, Aspenes ST, Condorelli G, Omland T, Wisløff U: Circulating MicroRNAs and Aerobic Fitness - The HUNT-Study. PLoS One 2013, 8: e57496. 10.1371/journal.pone.0057496 McKenzie S, Phillips SM, Carter SL, Lowther S, Gibala MJ, Tarnopolsky MA: Endurance exercise training attenuates leucine oxidation and BCOAD activation during exercise in humans. Am J Physiol Endocrinol Metab 2000, 278: E580-587. Huang CC, Lin WT, Hsu FL, Tsai PW, Hou CC: Metabolomics investigation of exercise-modulated changes in metabolism in rat liver after exhaustive and endurance exercises. Eur J Appl Physiol 2010, 108: 557-566. 10.1007/s00421-009-1247-7 Ribas GS, Sitta A, Wajner M, Vargas CR: Oxidative stress in phenylketonuria: what is the evidence? Cell Mol Neurobiol 2011, 31: 653-662. 10.1007/s10571-011-9693-2 Mashima R, Nakanishi-Ueda T, Yamamoto Y: Simultaneous determination of methionine sulfoxide and methionine in blood plasma using gas chromatography–mass spectrometry. Anal Biochem 2003, 313: 28-33. 10.1016/S0003-2697(02)00537-7 Gibala MJ: Protein metabolism and endurance exercise. Sports Med 2007, 37: 337-340. 10.2165/00007256-200737040-00016 Horn P, Kalz A, Lim CL, Pyne D, Saunders P, Mackinnon L, Peake J, Suzuki K: Exercise-recruited NK cells display exercise-associated eHSP-70. Exerc Immunol Rev 2007, 13: 100-111. Feezor RJ, Baker HV, Mindrinos M, Hayden D, Tannahill CL, Brownstein BH, Fay A, MacMillan S, Laramie J, Xiao W, Moldawer LL, Cobb JP, Laudanski K, Miller-Graziano CL, Maier RV, Schoenfeld D, Davis RW, Tompkins RG, Inflammation and Host Response to Injury, Large-Scale Collaborative Research Program: Whole blood and leukocyte RNA isolation for gene expression analyses. Physiol Genomics 2004, 19: 247-254. 10.1152/physiolgenomics.00020.2004 Broderick JA, Salomon WE, Ryder SP, Aronin N, Zamore PD: Argonaute protein identity and pairing geometry determine cooperativity in mammalian RNA silencing. RNA 2011, 17: 1858-1869. 10.1261/rna.2778911 Takimoto K, Wakiyama M, Yokoyama S: Mammalian GW182 contains multiple Argonaute-binding sites and functions in microRNA-mediated translational repression. RNA 2009, 15: 1078-1089. 10.1261/rna.1363109 Davidson ME, Kerepesi LA, Soto A, Chan VT: D-Serine exposure resulted in gene expression changes implicated in neurodegenerative disorders and neuronal dysfunction in male Fischer 344 rats. Arch Toxicol 2009, 83: 747-762. 10.1007/s00204-009-0405-3 Jin Z, May WS, Gao F, Flagg T, Deng X: Bcl2 suppresses DNA repair by enhancing c-Myc transcriptional activity. J Biol Chem 2006, 281: 14446-14456. 10.1074/jbc.M511914200 Chen Y, Olopade OI: MYC in breast tumor progression. Expert Rev Anticancer Ther 2008, 8: 1689-1698. 10.1586/14737140.8.10.1689 Tonic I, Yu WN, Park Y, Chen CC, Hay N: Akt activation emulates Chk1 inhibition and Bcl2 overexpression and abrogates G2 cell cycle checkpoint by inhibiting BRCA1 foci. J Biol Chem 2010, 285: 23790-23798. 10.1074/jbc.M110.104372 De Siervi A, De Luca P, Byun JS, Di LJ, Fufa T, Haggerty CM, Vazquez E, Moiola C, Longo DL, Gardner K: Transcriptional autoregulation by BRCA1. Cancer Res 2010, 70: 532-542. 10.1158/0008-5472.CAN-09-1477 Rhoades MW, Reinhart BJ, Lim LP, Burge CB, Bartel B, Bartel DP: Prediction of plant microRNA targets. Cell 2002, 110: 513-520. 10.1016/S0092-8674(02)00863-2 Lewis BP, Burge CB, Bartel DP: Conserved seed pairing, often flanked by adenosines, indicates that thousands of human genes are microRNA targets. Cell 2005, 120: 15-20. 10.1016/j.cell.2004.12.035 Thum T, Gross C, Fiedler J, Fischer T, Kissler S, Bussen M, Galuppo P, Just S, Rottbauer W, Frantz S, Castoldi M, Soutschek J, Koteliansky V, Rosenwald A, Basson MA, Licht JD, Pena JT, Rouhanifard SH, Muckenthaler MU, Tuschl T, Martin GR, Bauersachs J, Engelhardt S: MicroRNA-21 contributes to myocardial disease by stimulating MAP kinase signalling in fibroblasts. Nature 2008, 456: 980-984. 10.1038/nature07511 Godwin JG, Ge X, Stephan K, Jurisch A, Tullius SG, Iacomini J: Identification of a microRNA signature of renal ischemia reperfusion injury. Proc Natl Acad Sci USA 2010, 107: 14339-14344. 10.1073/pnas.0912701107 O’Neill LA, Sheedy FJ, McCoy CE: MicroRNAs: the fine-tuners of Toll-like receptor signalling. Nat Rev Immunol 2011, 11: 163-175. 10.1038/nri2957 Ashokkumar C, Ningappa M, Ranganathan S, Higgs BW, Sun Q, Schmitt L, Snyder S, Dobberstein J, Branca M, Jaffe R, Zeevi A, Squires R, Alissa F, Shneider B, Soltys K, Bond G, Abu-Elmagd K, Humar A, Mazariegos G, Hakonarson H, Sindhi R: Increased expression of peripheral blood leukocyte genes implicate CD14+ tissue macrophages in cellular intestine allograft rejection. Am J Pathol 2011, 179: 1929-1938. 10.1016/j.ajpath.2011.06.040 Gabriely G, Wurdinger T, Kesari S, Esau CC, Burchard J, Linsley PS, Krichevsky AM: MicroRNA 21 promotes glioma invasion by targeting matrix metalloproteinase regulators. Mol Cell Biol 2008, 28: 5369-5380. 10.1128/MCB.00479-08 Wang Z, Ahmad A, Li Y, Kong D, Azmi AS, Banerjee S, Sarkar FH: Emerging roles of PDGF-D signaling pathway in tumor development and progression. Biochim Biophys Acta 1806, 2010: 122-130. Hafner M, Landthaler M, Burger L, Khorshid M, Hausser J, Berninger P, Rothballer A, Ascano M Jr, Jungkamp AC, Munschauer M, Ulrich A, Wardle GS, Dewell S, Zavolan M, Tuschl T: Transcriptome-wide identification of RNA-binding protein and microRNA target sites by PAR-CLIP. Cell 2010, 141: 129-141. 10.1016/j.cell.2010.03.009 Saito J, Toriumi S, Awano K, Ichijo H, Sasaki K, Kobayashi T, Tamura S: Regulation of apoptosis signal-regulating kinase 1 by protein phosphatase 2Cepsilon. Biochem J 2007, 405: 591-596. 10.1042/BJ20070231 Espinosa EJ, Calero M, Sridevi K, Pfeffer SR: RhoBTB3: a Rho GTPase-family ATPase required for endosome to Golgi transport. Cell 2009, 137: 938-948. 10.1016/j.cell.2009.03.043 Kurian SM, Le-Niculescu H, Patel SD, Bertram D, Davis J, Dike C, Yehyawi N, Lysaker P, Dustin J, Caligiuri M, Lohr J, Lahiri DK, Nurnberger JI Jr, Faraone SV, Geyer MA, Tsuang MT, Schork NJ, Salomon DR, Niculescu AB: Identification of blood biomarkers for psychosis using convergent functional genomics. Mol Psychiatry 2011, 16: 37-58. 10.1038/mp.2009.117 Zhu H, Fan GC: Role of microRNAs in the reperfused myocardium towards post-infarct remodelling. Cardiovasc Res 2012, 94: 284-292. 10.1093/cvr/cvr291 Lal A, Navarro F, Maher CA, Maliszewski LE, Yan N, O’Day E, Chowdhury D, Dykxhoorn DM, Tsai P, Hofmann O, Becker KG, Gorospe M, Hide W, Lieberman J: miR-24 Inhibits cell proliferation by targeting E2F2, MYC, and other cell-cycle genes via binding to “seedless” 3‘UTR microRNA recognition elements. Mol Cell 2009, 35: 610-625. 10.1016/j.molcel.2009.08.020 Burge JA, Hanna MG: Novel insights into the pathomechanisms of skeletal muscle channelopathies. Curr Neurol Neurosci Rep 2012, 12: 62-69. 10.1007/s11910-011-0238-3 Gui YX, Wan Y, Xiao Q, Wang Y, Wang G, Chen SD: Verification of expressions of Kir2 as potential peripheral biomarkers in lymphocytes from patients with Parkinson’s disease. Neurosci Lett 2011, 505: 104-108. 10.1016/j.neulet.2011.09.070 Huang Z, Chen X, Yu B, He J, Chen D: MicroRNA-27a promotes myoblast proliferation by targeting myostatin. Biochem Biophys Res Commun 2012, 423: 265-269. 10.1016/j.bbrc.2012.05.106 Yang WH, Nussbaum C, Grewal PK, Marth JD, Sperandio M: Coordinated roles of ST3Gal-VI and ST3Gal-IV sialyltransferases in the synthesis of selectin ligands. Blood 2012, 120: 1015-1026. 10.1182/blood-2012-04-424366 Chen CZ, Li L, Lodish HF, Bartel DP: MicroRNAs modulate hematopoietic lineage differentiation. Science 2004, 303: 83-86. 10.1126/science.1091903 Li QJ, Chau J, Ebert PJ, Sylvester G, Min H, Liu G, Braich R, Manoharan M, Soutschek J, Skare P, Klein LO, Davis MM, Chen CZ: miR-181a is an intrinsic modulator of T cell sensitivity and selection. Cell 2007, 129: 147-161. 10.1016/j.cell.2007.03.008 Chen L, Kass RS: A-kinase anchoring proteins: different partners, different dance. Nat Cell Biol 2005, 7: 1050-1051. Bartoloni L, Antonarakis SE: The human sugar-phosphate/phosphate exchanger family SLC37. Pflugers Arch 2004, 447: 780-783. 10.1007/s00424-003-1105-0 Cooper DM, Weiler-Ravell D, Whipp BJ, Wasserman K: Aerobic parameters of exercise as a function of body size during growth in children. J Appl Physiol 1984, 56: 628-634. Beaver WL, Wasserman K, Whipp BJ: A new method for detecting anaerobic threshold by gas exchange. J Appl Physiol 1986, 60: 2020-2027. Floegel A, Stefan N, Yu Z, Mühlenbruch K, Drogan D, Joost HG, Fritsche A, Häring HU, Hrabe de Angelis M, Peters A, Roden M, Prehn C, Wang-Sattler R, Illig T, Schulze MB, Adamski J, Boeing H, Pischon T: Identification of serum metabolites associated with risk of type 2 diabetes using a targeted metabolomic approach. Diabetes 2013, 62: 639-648. 10.2337/db12-0495 Sakharov DA, Maltseva DV, Riabenko EA, Shkurnikov MU, Northoff H, Tonevitsky AG, Grigoriev AI: Passing the anaerobic threshold is associated with substantial changes in the gene expression profile in white blood cells. Eur J Appl Physiol 2012, 112: 963-972. 10.1007/s00421-011-2048-3 Gentleman RC, Carey VJ, Bates DM, Bolstad B, Dettling M, Dudoit S, Ellis B, Gautier L, Ge Y, Gentry J, Hornik K, Hothorn T, Huber W, Iacus S, Irizarry R, Leisch F, Li C, Maechler M, Rossini AJ, Sawitzki G, Smith C, Smyth G, Tierney L, Yang JY, Zhang J: Bioconductor: open software development for computational biology and bioinformatics. Genome Biol 2004, 5: R80. 10.1186/gb-2004-5-10-r80 Irizarry RA, Hobbs B, Collin F, Beazer-Barclay YD, Antonellis KJ, Scherf U, Speed TP: Exploration, normalization, and summaries of high density oligonucleotide array probe level data. Biostatistics 2003, 4: 249-264. 10.1093/biostatistics/4.2.249 Bolstad BM, Irizarry RA, Astrand M, Speed TP: A comparison of normalization methods for high density oligonucleotide array data based on variance and bias. Bioinformatics 2003, 19: 185-193. 10.1093/bioinformatics/19.2.185 Tukey JW: Exploratory data analysis. Reading: Addison-Wesley; 1977. Smyth GK: Limma: linear models for microarray data. In Bioinformatics and computational biology solutions using R and bioconductor. Edited by: Gentleman R, Carey V, Dudoit S, Irizarry R, Huber W. New York: Springer; 2005:397-420. Yang YH, Speed TP: Design and analysis of comparative microarray experiments. In: Statistical analysis of gene expression microarray data. Edited by Speed TP. Chapman and Hall/CRC Press; 2003:35-93. Benjamini Y, Hochberg Y: Controlling the false discovery rate: a practical and powerful approach to multiple testing. J R Statist Soc B (Methodological) 1995, 57: 289-300. da Huang W, Sherman BT, Lempicki RA: Systematic and integrative analysis of large gene lists using DAVID bioinformatics resources. Nat Protoc 2009, 4: 44-57.