Physiological Genomics

Bệnh tiểu đường loại 2 là kết quả của sự kết hợp giữa khả năng tiết insulin bị suy giảm và độ nhạy insulin giảm của các mô mục tiêu. Ước tính có khoảng 150 triệu người bị ảnh hưởng trên toàn thế giới, trong đó một tỷ lệ lớn vẫn chưa được chẩn đoán do thiếu triệu chứng cụ thể ở giai đoạn đầu của bệnh và chẩn đoán không đầy đủ. Trong nghiên cứu này, phân tích chuyển hóa dựa trên NMR kết hợp với thống kê đa biến đã được áp dụng để xem xét các thay đổi chuyển hóa trong nước tiểu ở hai mô hình gặm nhấm của bệnh tiểu đường loại 2 cũng như ở những người mắc bệnh không sử dụng thuốc. Chuột db/db và chuột cống béo ăn (fa/fa) có khiếm khuyết lặn tự nhiễn trong gen thụ thể leptin, gây ra bệnh tiểu đường loại 2. ¹Quang phổ H-NMR của nước tiểu đã được sử dụng kết hợp với thống kê đơn biến và đa biến để xác định các thay đổi chuyển hóa liên quan đến bệnh trong hai mô hình động vật này và ở người bệnh. Nghiên cứu này chứng minh sự tương đồng trong chuyển hóa giữa ba loài được khảo sát, bao gồm phản ứng chuyển hóa liên quan đến căng thẳng hệ thống tổng quát, thay đổi trong chu trình TCA, và sự rối loạn trong chuyển hóa nucleotide cũng như trong chuyển hóa methylamine. Tất cả ba loài đều thể hiện những thay đổi sâu sắc trong chuyển hóa nucleotide, bao gồm cả N-methylnicotinamide và N-methyl-2-pyridone-5-carboxamide, điều này có thể cung cấp các dấu ấn sinh học độc đáo để theo dõi sự tiến triển của bệnh tiểu đường loại 2.

Tiền điều kiện thiếu máu từ xa (IPC) làm giảm tổn thương mô do thiếu máu - tái tưới máu (IR) ở các cơ quan xa. Chúng tôi đã kiểm tra giả thuyết rằng IPC từ xa (rIPC) làm thay đổi quá trình phiên mã gene viêm ở người. Sử dụng phương pháp microarray, chúng tôi đã chứng minh rằng một mô hình đơn giản của việc thiếu máu ngắn hạn ở cẳng tay làm ức chế biểu hiện gene proinflammatory trong các bạch cầu tuần hoàn. Các gene mã hóa protein chính liên quan đến tổng hợp cytokine, hóa hướng động bạch cầu, bám dính và di chuyển, xuất bào, các con đường tín hiệu miễn dịch bẩm sinh và quá trình apoptosis đều bị ức chế trong vòng 15 phút (giai đoạn IPC sớm) và nhiều hơn sau 24 giờ (cửa sổ thứ hai IPC). Sự thay đổi trong biểu hiện CD11b của bạch cầu được đo bằng phương pháp phân tích dòng phản ánh mô hình này, với sự giảm đáng kể (P = 0.01) sau 24 giờ. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy kích thích rIPC đã điều chỉnh biểu hiện gene viêm của bạch cầu. Hiệu ứng này có thể góp phần vào tác dụng bảo vệ của IPC chống lại tổn thương do IR và có thể có những ý nghĩa rộng hơn trong các quá trình viêm khác. Đây là nghiên cứu đầu tiên về biểu hiện gene ở người sau khi kích thích rIPC. Kích thích rIPC đã ức chế phiên mã gene proinflammatory trong các bạch cầu của con người.

Bệnh Alzheimer (AD) là hình thức phổ biến nhất của chứng sa sút trí tuệ trong các giai đoạn muộn của cuộc đời. Nếu không phát triển được các liệu pháp điều trị cải tiến, tỷ lệ mắc bệnh AD sẽ tăng mạnh trong những năm tới khi dân số thế giới già đi. Bằng cách xác định sự khác biệt trong hồ sơ biểu hiện gen thần kinh giữa những người cao tuổi khỏe mạnh và những cá nhân được chẩn đoán mắc bệnh AD, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về các cơ chế phân tử điều khiển sinh bệnh AD, bao gồm sự hình thành các mảng amyloid và các đám rối thần kinh. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phân tích biểu hiện các tế bào neuron vỏ não bình thường về mặt mô bệnh học, được thu thập bằng phương pháp vi phẫu bằng laser (LCM) từ sáu vùng não hậu môn (postmortem) riêng biệt về mặt giải phẫu và chức năng ở 34 cá nhân mắc bệnh AD, sử dụng bảng vi thể Affymetrix Human Genome U133 Plus 2.0. Những vùng này bao gồm vỏ não khứu giác, hồi hải mã, vòng giữa thái dương, vỏ não cingulate phía sau, vòng trán trên và vỏ não thị giác chính. Nghiên cứu này dựa trên các nghiên cứu song song trước đó về não của 14 cá nhân cao tuổi khỏe mạnh trong sáu vùng tương tự, nơi các tế bào neuron LCM cũng được xử lý tương tự để phân tích biểu hiện. Chúng tôi đã xác định được sự biểu hiện phân vùng đáng kể trong não bệnh AD so với não kiểm soát, bao gồm sự thay đổi biểu hiện của các gen đã được xác định có liên quan đến cơ chế sinh bệnh AD, đặc biệt là liên quan đến sự hình thành đám rối và mảng bám. Việc xác định biểu hiện của các yếu tố có thể đóng vai trò trong cơ chế sinh bệnh AD cung cấp nền tảng cho việc xác định các mục tiêu mới cho liệu pháp điều trị AD cải tiến trong tương lai. Chúng tôi cung cấp bộ dữ liệu về biểu hiện của các vùng não trong cùng cá thể qua vi phẫu bằng laser này cho cộng đồng như một nguồn tài nguyên công.

Các microRNA nhỏ, không mã hóa (miRNA) đã trở thành những trung gian chính trong sự tắt nét gen sau phiên mã cả trong phương diện bệnh lý và bệnh lý của sinh học đột quỵ thiếu máu cục bộ. Trong nguyên nhân đột quỵ, miRNA có các mẫu biểu hiện khác biệt điều chỉnh các quá trình bệnh lý bao gồm xơ vữa động mạch (miR-21, miR-126), tăng lipid máu (miR-33, miR-125a-5p), huyết áp cao (miR-155) và vỡ mảng bám (miR-222, miR-210). Sau khi thiếu máu não khu trú, những thay đổi đáng kể trong transcriptome miRNA, độc lập với ảnh hưởng đến biểu hiện của các cơ chế miRNA, gợi ý vai trò của miRNA trong chuỗi sự kiện bệnh lý bao gồm sự đứt gãy hàng rào máu não (miR-15a) và tín hiệu chết tế bào trung gian caspase (miR-497). Sự kích hoạt sớm của các thành viên gia đình miR-200 cải thiện khả năng sống sót của tế bào thần kinh thông qua sự tắt nét mRNA prolyl hydroxylase và sự ổn định HIF-1α sau đó. Các miRNA gây viêm (miR-125b) và chống viêm (miR-26a, -34a, -145, và let-7b) cũng có thể được điều chỉnh để ảnh hưởng tích cực đến kết quả đột quỵ. Những ví dụ gần đây về các liệu pháp miRNA được thực hiện thành công hướng tới tương lai của liệu pháp gene và cung cấp các chiến lược điều trị mới bằng cách điều chỉnh một tập hợp lớn các gen trong các con đường liên quan đến chuỗi đột quỵ thiếu máu cục bộ.

Cách mà các sinh vật bậc cao phản ứng với stress oxy hóa gia tăng trong điều kiện in vivo còn chưa được hiểu rõ. Do đó, chúng tôi đã đo các tham số stress oxy hóa và các thay đổi biểu hiện gen (sử dụng mảng Affymetrix) ở gan do các loài oxy phản ứng gia tăng, được gây ra trong điều kiện in vivo bởi diquat hoặc do việc loại trừ gen các enzym chống oxy hóa chính CuZn-superoxide dismutase (Sod1) và glutathione peroxidase-1 (Gpx1). Việc điều trị bằng diquat (50 mg/kg) dẫn đến sự gia tăng đáng kể tổn thương oxy hóa trong khoảng 3–6 giờ ở chuột kiểu hoang dã mà không gây tử vong. Ngược lại, việc điều trị cho chuột Sod1^−/− hoặc Gpx1^−/− với nồng độ diquat tương tự đã dẫn đến việc tăng đáng kể tổn thương oxy hóa chỉ trong vòng một giờ điều trị và gây tử vong, tức là, những con chuột này rất nhạy cảm với stress oxy hóa được tạo ra bởi diquat. Phản ứng biểu hiện với stress oxy hóa gia tăng in vivo không liên quan đến việc tăng cường các gen chống oxy hóa cổ điển, mặc dù stress oxy hóa kéo dài ở chuột Sod1^−/− dẫn đến việc tăng cường đáng kể các chất chống oxy hóa thiol (ví dụ: Mt1, Srxn1, Gclc, Txnrd1), điều này dường như được trung gian bởi yếu tố sao chép nhạy cảm với redox Nrf2. Kết quả chính của nghiên cứu của chúng tôi là phản ứng phổ biến với stress oxy hóa gia tăng với việc điều trị bằng diquat ở chuột kiểu hoang dã, chuột Gpx1^−/−, và chuột Sod1^−/− cũng như ở các chuột Sod1^−/− không điều trị là sự tăng cường các gen mục tiêu của p53 (p21, Gdf15, Plk3, Atf3, Trp53inp1, Ddit4, Gadd45a, Btg2, Ndrg1). Một so sánh hồi cứu với các nghiên cứu trước đây cho thấy sự khởi động các gen mục tiêu của p53 này là một phản ứng biểu hiện bảo tồn đối với stress oxy hóa, trong điều kiện in vivo và in vitro, ở các loài khác nhau và các tế bào/ cơ quan khác nhau.

Việc phân tích dữ liệu biểu hiện gene trong y học lâm sàng đã gặp phải những khó khăn do thiếu đánh giá quan trọng về các phương pháp thu thập, xử lý và gán nhãn RNA đã được chấp nhận. Trong báo cáo hiện tại, độ tin cậy của hai kỹ thuật phổ biến được sử dụng để tách RNA từ máu toàn phần hoặc khoang bạch cầu đã được so sánh bằng cách xem xét khả năng tái hiện, phương sai và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Máu toàn phần được thu từ những đối tượng khỏe mạnh và chưa qua xử lý hoặc đã được kích thích ex vivo bằng Staphylococcus enterotoxin B (SEB). Mẫu máu cũng được thu từ bệnh nhân chấn thương nhưng không được kích thích bằng SEB ex vivo. RNA tổng hợp đã được tách ra từ máu toàn phần bằng hệ thống thu thập máu độc quyền PAXgene hoặc từ bạch cầu đã được tách ra. cRNA gán nhãn biotin đã được lai ghép với Affymetrix GeneChips. Hệ số tương quan Pearson cho các phép đo biểu hiện gene ở các mẫu lặp lại từ những đối tượng khỏe mạnh với cả hai kỹ thuật là xuất sắc, vượt quá 0.985. Tuy nhiên, các phân tích không giám sát, bao gồm phân tích phân cụm phân cấp, đã chỉ ra rằng phương pháp tách RNA đã tạo ra sự khác biệt lớn hơn trong biểu hiện gene so với việc kích thích bằng SEB hoặc giữa các bệnh nhân chấn thương khác nhau. Hệ số tương quan trong lớp, một thước đo tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, của sự khác biệt giữa máu được kích thích bằng SEB và máu không được kích thích từ những đối tượng khỏe mạnh cao hơn đáng kể ở các mẫu tách từ bạch cầu so với máu toàn phần: 0.75 so với 0.46 (P = 0.002). Ở mức P < 0.001, số nhóm thử nghiệm phân biệt giữa máu được kích thích và không được kích thích là gấp đôi với việc tách bạch cầu so với PAXgene. Những phát hiện này cho thấy rằng phương pháp tách RNA từ máu toàn phần là một biến số quan trọng trong thiết kế các nghiên cứu lâm sàng sử dụng phân tích microarray.

Biến đổi protein O-GlcNAc có thể đảo ngược đã nổi lên như một hệ thống tín hiệu nội bào thiết yếu trong một số mô, bao gồm cả sinh lý bệnh tim mạch liên quan đến tiểu đường và căng thẳng thiếu máu cấp tính. Chúng tôi đã kiểm tra giả thuyết rằng tín hiệu O-GlcNAc trong tim bị thay đổi trong bệnh phì đại tim mạn tính và suy tim với các nguyên nhân khác nhau. Sự biến đổi toàn cầu của O-GlcNAc và các enzyme chính điều chỉnh O-GlcNAc, O-GlcNAc transferase (OGT), O-GlcNAcase (OGA), và glutamine-fructose-6-phosphate amidotransferase (GFAT) đã được đo bằng phân tích miễn dịch và/hoặc RT-PCR thời gian thực từ mô thất trái của bệnh nhân hẹp động mạch chủ (AS) và các mô hình chuột của tăng huyết áp, nhồi máu cơ tim (MI), và băng động mạch chủ (AB), có và không có suy tim. Chúng tôi cho thấy rằng sự biến đổi toàn cầu O-GlcNAc tăng 65% ở bệnh nhân AS, 47% ở chuột tăng huyết áp, 81 và 58% sau AB, và 37 và 60% sau MI ở tim phì đại và suy tim, tương ứng (P < 0.05). Đáng chú ý, các mẫu biến đổi O-GlcNAc protein khác nhau giữa tim phì đại và tim suy, và biến đổi O-GlcNAc rộng nhất được quan sát thấy trên các protein có kích thước 20–100 kDa. Mức độ protein và/hoặc mRNA của OGT, OGA, và GFAT2 đã tăng lên do quá tải áp lực, trong khi không có sự điều chỉnh nào được ghi nhận do nhồi máu cơ tim. Sự ức chế dược lý của OGA làm giảm khả năng co bóp của tim ở những trái tim suy sau MI, cho thấy một vai trò có thể của O-GlcNAc trong sự phát triển của rối loạn chức năng tim mạn tính. Dữ liệu của chúng tôi hỗ trợ khái niệm mới rằng tín hiệu O-GlcNAc bị thay đổi trong nhiều nguyên nhân gây phì đại và suy tim, bao gồm cả hẹp động mạch chủ ở người. Điều này không chỉ cung cấp một căn cứ thú vị cho sự khám phá các cơ chế mới liên quan đến tái cấu trúc tim bệnh lý mà còn ngụ ý rằng biến đổi protein O-GlcNAc có thể là một mục tiêu điều trị mới trong suy tim.

Chúng tôi đã hoàn thành nghiên cứu lớn đầu tiên về biểu hiện gen trong chấn thương tủy sống cấp tính (SCI) ở chuột. Các mảng microarray oligonucleotide chứa 1.200 mồi gen đặc hiệu đã được sử dụng để định lượng mức độ mRNA, so với nhóm chứng không bị chấn thương, trong các tủy sống bị tổn thương theo mô hình va chạm tiêu chuẩn. Kết quả của chúng tôi cho thấy một sự mất mát đáng kể các mRNA đặc hiệu cho tế bào thần kinh tại vị trí chấn thương. Các tế bào còn tồn tại cho thấy một phản ứng viêm đặc trưng bắt đầu từ vị trí chấn thương và lan rộng đến các phần tủy phía xa. Những thay đổi trong mức độ một số loại mRNA có liên quan đến các phản ứng tái sinh tiềm năng trong tủy sống. Đặc biệt, các loại mRNA phosphodiesterase 4, nestin, yếu tố thúc đẩy mạch thần kinh được lấy từ tế bào glia, và GAP-43 đã tăng đáng kể. Các loại mRNA khác đã cụm lại theo không gian và thời gian với những gen liên quan đến tái sinh này. Do đó, chúng tôi đã mô tả các mẫu biểu hiện gen toàn cục sau chấn thương tủy sống cấp tính và đã xác định các mục tiêu cho các nghiên cứu trong tương lai và khả năng can thiệp điều trị.

Chúng tôi đã nghiên cứu tác động của fluoxetine, một chất ức chế tái hấp thu serotonin chọn lọc, đến chức năng nội tiết và trục sinh sản ở cá vàng cái. Cá được tiêm fluoxetine qua đường bụng hai lần mỗi tuần trong 14 ngày, với năm mũi tiêm 5 μg fluoxetine/g trọng lượng cơ thể. Chúng tôi đã đo lường các neurotransmitter monoamine bao gồm serotonin, dopamine và norepinephrine cùng với các metabolite của chúng bằng phương pháp HPLC. Nồng độ axit homovanillic, một metabolite trong đường dẫn dopamine, đã tăng đáng kể ở vùng dưới đồi. Nồng độ estradiol trong huyết tương được đo bằng phương pháp radioimmunoassay và giảm khoảng ba lần sau khi điều trị bằng fluoxetine. Chúng tôi phát hiện rằng fluoxetine cũng làm giảm đáng kể sự biểu hiện của mRNA thụ thể estrogen (ER)β1 gấp 4 lần ở cả vùng dưới đồi và não tủy, trong khi làm giảm gấp 1.7 lần sự biểu hiện của mRNA ERα ở não tủy. Fluoxetine không có ảnh hưởng đến sự biểu hiện của mRNA ERβ2 ở vùng dưới đồi hoặc não tủy. Phân tích microarray xác định isotocin, một neuropeptide kích thích hành vi sinh sản ở cá, như một gen ứng cử viên bị ảnh hưởng bởi điều trị với fluoxetine. RT-PCR thời gian thực xác nhận rằng mRNA isotocin đã bị giảm xuống khoảng gấp 6 lần ở vùng dưới đồi và gấp 5 lần ở não tủy. Tiêm isotocin qua đường bụng (1 μg/g) làm tăng nồng độ estradiol trong huyết tương, cung cấp một liên kết tiềm năng giữa những thay đổi trong biểu hiện gen isotocin và sự giảm estrogen tuần hoàn ở cá vàng được tiêm fluoxetine. Kết quả của chúng tôi tiết lộ các mục tiêu bị điều chỉnh bởi serotonin trong não bộ nội tiết và chỉ ra rằng fluoxetine có khả năng ảnh hưởng đến hormone giới tính và điều chỉnh các gen liên quan đến chức năng sinh sản và hành vi trong não cá vàng cái. Chúng tôi thảo luận về những phát hiện này trong bối cảnh rối loạn nội tiết vì fluoxetine đã được phát hiện trong môi trường.

MicroRNA là các RNA nhỏ không mã hóa, được biết đến với khả năng điều tiết mạnh mẽ các quá trình phân tử, khiến chúng trở thành một điểm tập trung chính trong việc nghiên cứu các cơ chế bệnh sinh. Gia đình microRNA miR-146 ở người bao gồm hai gen thành viên, MIR146A và MIR146B. Hai microRNA này nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau và thể hiện sự điều tiết khác biệt trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên, chúng gần như đồng nhất về trình tự, chia sẻ một vùng hạt giống, do đó được dự đoán sẽ nhắm đến cùng một tập hợp các gen. Một tỷ lệ lớn tài liệu về microRNA (miR)-146 tập trung vào vai trò của nó trong việc điều tiết phản ứng miễn dịch bẩm sinh trong bối cảnh của nhiều bệnh lý bằng cách điều chỉnh hai gen mục tiêu được nghiên cứu rộng rãi trong chu trình tín hiệu thụ thể toll-like. Một phân nhóm đang phát triển của tài liệu báo cáo vai trò của miR-146 trong bệnh tim mạch và bệnh thận, và dữ liệu cho thấy có tiềm năng thú vị cho miR-146 như một mục tiêu chẩn đoán và điều trị. Tuy nhiên, tài liệu đã công bố bị hỗn loạn bởi ngôn ngữ không rõ ràng và không chính xác liên quan đến các hiệu ứng cụ thể của hai thành viên gia đình miR-146. Bài đánh giá hiện tại sẽ so sánh nguồn gốc và sự điều tiết của miR-146a và miR-146b, thảo luận về một số phương pháp để vượt qua các thách thức phân tích và thí nghiệm, và tóm tắt những phát hiện trong các lĩnh vực chính của nghiên cứu miR-146. Đi tới phía trước, việc đánh giá cẩn thận tính cụ thể của miR-146a/b trong các phương pháp phân tích và thí nghiệm sẽ hỗ trợ các nhà nghiên cứu làm rõ sự liên quan chức năng của sự điều tiết khác biệt của các thành viên gia đình miR-146 trong sức khỏe và bệnh tật.