Physiological Genomics

Chúng tôi đã báo cáo trước đây rằng chuột thiếu stearoyl-CoA desaturase-1 (Scd1) và được duy trì trên một chế độ ăn rất ít chất béo (VLF) trong 10 ngày đã phát triển tình trạng giảm cân nghiêm trọng, hạ đường huyết, tăng cholesterol máu, và nhiều kiểu hình giống như tình trạng ứ mật. Để hiểu rõ hơn về những thay đổi chuyển hóa liên quan đến các kiểu hình này, chúng tôi đã thực hiện phân tích vi mảng biểu hiện gene gan ở chuột cái Scd1^+/+ và Scd1^−/− được cho ăn chế độ ăn thường và VLF. Chúng tôi đã xác định một số lượng lớn gene được biểu hiện khác biệt (>4.000 bộ sonde) trong Scd1^−/− VLF so với cả chuột Scd1^+/+ VLF và chuột Scd1^−/− chế độ ăn thường. Mức độ transcrip có sự giảm đối với các gene tham gia vào quá trình giải độc và nhiều khía cạnh của chuyển hóa acid béo bao gồm tổng hợp, kéo dài, khử bão hòa, oxy hóa, vận chuyển, và sinh ketone. Mô hình này có thể là do sự giảm độ phong phú mRNA của một số gene mã hóa các yếu tố phiên mã chính, bao gồm LXRα, RXRα, FXR, PPARα, PGC-1β, SREBP1c, ChREBP, CAR, DBP, TEF, và HLF. Một sự kích thích mạnh mẽ của stress lưới nội chất (ER) được chỉ ra bởi sự tăng cường cắt ghép XBP1, tăng biểu hiện của các yếu tố phiên mã gây stress CHOP và ATF3, cũng như sự gia tăng biểu hiện của một số gene tham gia vào các con đường phản ứng stress tích hợp và phản ứng protein không gập đúng. Hồ sơ biểu hiện gene cũng phù hợp với sự kích thích một phản ứng viêm cấp tính và sự thu hút đại thực bào. Những kết quả này làm nổi bật tầm quan trọng của việc tổng hợp acid béo không bão hòa đơn trong việc duy trì cân bằng chuyển hóa khi thiếu chất béo không bão hòa đủ trong chế độ ăn và chỉ ra cơ chế cảm biến chất dinh dưỡng tế bào mới liên kết sự sẵn có và/hoặc thành phần acid béo với phản ứng stress lưới nội chất.

Suy tim (HF) là một bệnh phức tạp liên quan đến nhiều thay đổi bao gồm phì đại tế bào cơ tim (tăng trưởng). Ở đây, chúng tôi thực hiện một loạt các xét nghiệm trong các mô hình HF và phì đại khác nhau để xác định các gen biểu hiện khác biệt liên quan đến HF và/hoặc phì đại. Chuột Ren2 tăng huyết áp và động vật có suy tim sau nhồi máu cơ tim (post-MI) được sử dụng làm mô hình HF in vivo, và tế bào cơ tim chuột sơ sinh được xử lý với các hormone gây phì đại như phenylephrine, endothelin-1 và isoproterenol được sử dụng làm mô hình in vitro. Cách tiếp cận kết hợp này đã tiết lộ một tập hợp các gen mạnh mẽ được biểu hiện khác biệt cả in vitro và in vivo. Điều này bao gồm các gen đã biết như NPPA (ANP) và FHL1, nhưng cũng có các gen mới chưa từng được liên kết với phì đại/SF. Trong số này có PTGIS, AKIP1 và Dhrs7c, những gen này có thể là các mục tiêu thú vị cho các nghiên cứu tiếp theo. Chúng tôi cũng đã xác định một số gen cụ thể cho in vivo và các gen này dường như tập trung vào xơ hóa, vết thương, và phản ứng căng thẳng. Do đó, một số gen mới trong danh sách cụ thể cho in vivo này có thể liên quan đến tế bào nguyên bào sợi hoặc các tế bào không phải tế bào cơ tim khác có mặt trong tim. Chúng tôi cũng quan sát thấy sự khác biệt mạnh mẽ giữa hai mô hình chuột HF. Ví dụ, KCNE1 được tăng biểu hiện mạnh mẽ trong Ren2, nhưng không trong chuột HF sau MI, gợi ý sự khác biệt có thể do nguyên nhân gây bệnh. Hơn nữa, phân tích Gene Ontology cho thấy các gen liên quan đến oxy hóa axit béo chỉ bị giảm điều chỉnh trong nhóm post-MI. Tất cả những kết quả này cho thấy việc kết hợp nhiều mô hình, cả in vivo và in vitro, có thể cung cấp một tập hợp gen liên quan đến phì đại/SF mạnh mẽ. Hơn nữa, nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự khác biệt giữa các mô hình nguyên nhân khác nhau và các hiệu ứng thần kinh-hormone.

Ngoài một số đặc điểm chung, nội mô tim mạch có sự khác biệt về cấu trúc, chức năng và di truyền tùy thuộc vào vị trí của nó trong hệ thống tim mạch. Trong tim, nội mô nội tâm mạc và nội mô vi mạch tim (CMVE) tương tác trực tiếp với các tế bào cơ tim xung quanh, trong khi nội mô bên trong mạch máu tương tác với các tế bào cơ trơn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã điều tra xem các tế bào nội mô tim có khác biệt so với tế bào nội mô động mạch chủ (AE) ở mức độ phiên mã hay không. Sử dụng công nghệ vi mạch Affymetrix và phân tích PCR thời gian thực để xác nhận, chúng tôi đã xác định được các tập hợp gen có biểu hiện ưu thế rõ rệt ở nội mô nội tâm mạc nuôi cấy (EE) so với nội mô AE nuôi cấy và ngược lại. Trong số các gen được biểu hiện ưu thế ở EE, một số cũng được biểu hiện ở CMVE nuôi cấy. Nhuộm hóa mô học các mô tim và động mạch chủ cho thấy rằng sự đa dạng di truyền nội mô quan sát được trong nuôi cấy phản ánh, phần nào, sự đa dạng sinh lý tồn tại trong cơ thể sống. Việc xác định một tập hợp các gen được biểu hiện ưu thế ở EE cung cấp những hiểu biết mới về sự thích nghi chức năng của loại nội mô này với vị trí nội tạng của nó và vai trò của nó trong việc kiểm soát hiệu suất thất.

Tăng huyết áp phổi do thiếu oxy mãn tính là một rối loạn lâm sàng quan trọng gây ra tỷ lệ mắc bệnh đáng kể. Mặc dù những phát hiện gần đây đã làm sáng tỏ nhiều vấn đề, nhưng nhiều cơ chế phân tử liên quan đến sự phát sinh của nó vẫn chưa được khám phá. Chúng tôi đã thực hiện một phương pháp hệ thống và không thiên lệch để có được cái nhìn toàn cầu về quá trình phức tạp này. Bằng cách kết hợp hồ sơ biểu hiện gen với các phương pháp thống kê nghiêm ngặt và phân tích cụm, chúng tôi đã xác định được các mẫu tạm thời quan trọng nhất về biểu hiện gen trong quá trình tiến triển và thoái lui của tăng huyết áp phổi do thiếu oxy. Tiếp theo, chúng tôi đã tích hợp các kết quả này với phân tích chú thích gen toàn cầu để xác định các chủ đề sinh học chính liên quan đến sự phát triển và giải quyết tăng huyết áp phổi do thiếu oxy và tái cấu trúc mạch máu. Phương pháp mới này đã chỉ định vai trò sinh học cho hàng ngàn gen ứng cử viên dựa trên hồ sơ biểu hiện tạm thời và sự tham gia vào các mô đun sinh học cụ thể. Quy trình của chúng tôi đã xác nhận một số con đường phân tử và sản phẩm gen được biết là quan trọng trong tăng huyết áp phổi do thiếu oxy. Hơn nữa, chúng tôi đã phát hiện một số ứng cử viên và cơ chế phân tử mới, bao gồm protein kích hoạt GTPase chứa motif IQ-1 (IQGAP1), decorin, protein liên kết yếu tố tăng trưởng tương tự insulin-3 (IGFBP3), và lactotransferrin, có thể đóng vai trò quan trọng trong tăng huyết áp phổi do thiếu oxy và tái cấu trúc mạch máu. Phương pháp tiếp cận của chúng tôi trong việc kết hợp hồ sơ biểu hiện gen, phân tích cụm và phân tích chú thích gen toàn cầu cung cấp cái nhìn mới về bệnh sinh học của tăng huyết áp phổi và có thể áp dụng cho các mô hình bệnh lý khác của con người.

Kích thích buồng trứng là một quy trình thường quy trong sinh sản hỗ trợ nhằm kích thích sự phát triển của nhiều nang trứng ở những loài chỉ rụng trứng một lần một cách tự nhiên, bao gồm cả gia súc và con người. Mục tiêu của nghiên cứu này là phân tích các thay đổi được tạo ra trong hệ gen nội mạc tử cung liên quan đến hiện tượng siêu rụng trứng ở bò cái thịt và đặt những quan sát này trong bối cảnh dữ liệu trước đó của chúng tôi về các thay đổi trong hệ gen nội mạc tử cung liên quan đến nồng độ progesterone (P4) gia tăng trong phạm vi sinh lý và các thay đổi đó ở phôi do hiện tượng siêu rụng trứng gây ra. Nồng độ P4 trung bình trong huyết tương cao đáng kể từ ngày 4 đến ngày 7 ở những con bò cái siêu rụng trứng so với nhóm đối chứng chưa được kích thích (P < 0.05). Phân tích giữa các nhóm cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong hồ sơ biểu hiện gen tổng thể của nội mạc tử cung ở bò cái đối chứng chưa được kích thích (n = 5) so với bò cái siêu rụng trứng (n = 5). Điều này được phản ánh trong số lượng các gen được biểu hiện khác nhau (DEGs) được xác định giữa hai nhóm với 795 gen được tăng cường biểu hiện và 440 gen bị giảm biểu hiện trong nội mạc tử cung siêu rụng trứng. Số lượng gen được thay đổi do siêu rụng trứng (n = 1,234) gấp mười lần so với số lượng gen bị thay đổi do nồng độ P4 gia tăng trong phạm vi sinh lý bằng cách cấy thiết bị phóng thích P4 vào âm đạo (n = 124), chỉ có 22 DEGs là chung cho cả hai mô hình can thiệp P4. Ít hơn các gen bị ảnh hưởng bởi hiện tượng siêu rụng trứng ở phôi so với nội mạc tử cung (443 so với 1,234 DEGs, tương ứng), và cách mà các gen bị thay đổi là khác nhau với 64.5% số gen được tăng cường biểu hiện và 35.5% số gen bị giảm biểu hiện trong nội mạc tử cung, trong khi đó 98.9% DEGs được tăng cường biểu hiện ở phôi. Tóm lại, siêu rụng trứng gây ra những thay đổi đáng kể trong hệ gen của nội mạc tử cung, điều này là khác biệt so với những thay đổi trong phôi.

Tiềm năng của việc bổ sung chế độ ăn với axit béo không bão hòa đa n-3 (n-3 PUFA) nhằm cải thiện hiệu quả sinh sản ở bò đã nhận được nhiều sự quan tâm. Các cơ chế mà n-3 PUFA có thể ảnh hưởng đến các quá trình sinh lý và sinh hóa trong các mô sinh sản chủ chốt có khả năng được trung gian bởi những thay đổi đáng kể trong biểu hiện gen. Mục tiêu của nghiên cứu này là xem xét tác động của việc bổ sung n-3 PUFA trong chế độ ăn đến biểu hiện gen toàn cầu của niêm mạc tử cung ở bò. Những con bò cái con được bổ sung nguồn axit béo bão hòa (CON; axit palmitic) hoặc chế độ ăn có n-3 PUFA cao (n-3 PUFA; 275 g) cho mỗi con mỗi ngày trong 45 ngày và biểu hiện gen toàn cầu đã được xác định trong mô niêm mạc tử cung bằng cách sử dụng mảng oligonucleotide bò Affymetrix. Tổng cộng có 1.807 gen (946 gen được tăng cường và 861 gen bị giảm biểu hiện) đã được biểu hiện khác nhau sau khi bổ sung n-3 PUFA. Việc bổ sung n-3 PUFA trong chế độ ăn đã làm thay đổi nhiều quá trình tế bào có khả năng quan trọng trong việc kiểm soát khả năng sinh sản ở bò. Những quá trình này bao gồm tổng hợp prostaglandin, sinh tổng hợp steroid và điều hòa phiên mã, trong khi những tác động lên các gen liên quan đến đáp ứng miễn dịch mẹ và tái cấu trúc mô cũng đã được quan sát. Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết mới về tác động của việc bổ sung n-3 PUFA đến việc điều chỉnh biểu hiện gene ở tử cung bò.

Bệnh Pompe, do thiếu hụt enzyme acid alpha-glucosidase (GAA), dẫn đến sự tích tụ glycogen rộng rãi và suy giảm thần kinh - cơ nghiêm trọng. Tuy nhiên, đã có tranh cãi về vai trò của tình trạng bệnh lý hệ thần kinh trung ương trong rối loạn vận động của bệnh Pompe. Chúng tôi giả thuyết rằng việc thiếu hụt protein GAA gây ra sự kích hoạt tiến triển của tín hiệu bệnh lý thần kinh, bao gồm các con đường liên quan đến sự chết tế bào. Để kiểm tra giả thuyết này, chúng tôi đã đánh giá dữ liệu gen (Affymetrix Mouse Gene Array 2.0ST) từ tủy sống ở vùng cổ giữa của chuột Pompe (Gaa ^−/−) ở độ tuổi 6 và 16 tháng (Cơ sở Dữ liệu Chữ ký Phân tử Broad Institute) cùng với histology tủy sống. Vùng tủy sống cổ giữa được chọn vì chứa các tế bào động cơ phrenic, và rối loạn chức năng phrenic - cơ hoành rất nổi bật trong bệnh Pompe. Nhiều chủ đề quan trọng về nguyên nhân thần kinh của bệnh Pompe đã xuất hiện từ đánh giá gen không thiên lệch này. Đầu tiên, các con đường liên quan đến sự chết tế bào được điều chỉnh mạnh theo hướng gia tăng khi chuột Gaa ^−/− già đi, và sự apoptosis của tế bào động cơ đã được xác nhận qua histology. Thứ hai, tín hiệu proinflammatory đã được điều chỉnh mạnh mẽ trong tủy sống của chuột Gaa ^−/−. Thứ ba, nhiều con đường truyền tín hiệu trong tủy sống cổ của chuột Gaa ^−/− đã bị thay đổi theo cách gợi ý về chức năng synapse bị suy giảm. Đáng lưu ý, các con đường truyền tín hiệu glutamatergic cũng đã bị giảm điều chỉnh, cùng với "các con đường plasticity synapse" bao gồm các gen liên quan đến neuroplasticity. Thứ tư, nhiều gen và con đường liên quan đến chuyển hóa tế bào đã bị rối loạn điều chỉnh. Tập hợp dữ liệu cho thấy một cách rõ ràng rằng sự thiếu hụt GAA toàn thân gây ra một chuỗi bệnh lý thần kinh phức tạp trong tủy sống. Quan trọng nhất, kết quả chỉ ra rằng bệnh Pompe là một tình trạng thoái hóa thần kinh, và điều này nhấn mạnh sự cần thiết của can thiệp trị liệu sớm có khả năng nhắm đến hệ thần kinh trung ương.

Chúng tôi cho thấy rằng hệ số tương quan nội lớp (ICC) có thể được sử dụng như một biện pháp thống kê tương đối đơn giản để đánh giá sự biến thiên phương pháp và sinh học trong phân tích DNA microarray. ICC là một chỉ số xác định tính tái lặp của một biến, có thể dễ dàng được tính toán từ bảng ANOVA. Nó dựa trên việc đánh giá cả sự sai lệch có hệ thống và biến thiên ngẫu nhiên, và nó tạo điều kiện cho việc so sánh nhiều mẫu cùng một lúc. Chúng tôi đã sử dụng ICC đầu tiên để tối ưu hóa phương pháp bình thường hóa dữ liệu microarray của mình và nhận thấy rằng việc sử dụng giá trị trung vị thay vì giá trị trung bình giúp cải thiện việc điều chỉnh dữ liệu. Sau đó, tính tái lặp của các phương pháp đánh dấu khác nhau đã được đánh giá, và việc đánh dấu bằng cách kết hợp thuốc nhuộm huỳnh quang gián tiếp có vẻ tái lặp hơn so với việc đánh dấu trực tiếp. Cuối cùng, chúng tôi xác định lấy mẫu sinh thiết tối ưu bằng cách phân tích sự biến thiên tổng thể trong biểu hiện gen. Biến thiên trong biểu hiện gen của các sinh thiết trực tràng ở cùng một người giảm khi lấy hai sinh thiết thay vì một, nhưng không cải thiện đáng kể khi lấy nhiều hơn hai sinh thiết từ một người, cho thấy rằng việc sử dụng hai sinh thiết cho mỗi người là đủ cho phân tích DNA microarray trong các điều kiện thí nghiệm của chúng tôi. Để tối ưu hóa độ chính xác của dữ liệu microarray, nên sử dụng sinh thiết từ ít nhất sáu người khác nhau cho mỗi nhóm.

Các nhu cầu năng lượng gia tăng để hỗ trợ quá trình cho sữa, kết hợp với khả năng tiêu thụ thức ăn giảm đã dẫn đến tình trạng mất cân bằng năng lượng âm (NEB) và thường được đặc trưng bởi việc huy động mạnh mẽ các dự trữ năng lượng của cơ thể ở bò sữa trong giai đoạn hậu sinh sớm. Quá trình phân hủy lipid tích trữ dẫn đến sự gia tăng nồng độ axit béo không este hóa (NEFA) và β-hydroxy butyrate (BHB) trong hệ thống. Sự oxy hóa của NEFA ở gan dẫn đến sản xuất tăng cao các loài oxy hoạt động và khởi phát stress oxy hóa, có thể dẫn đến rối loạn chuyển hóa và sinh lý bình thường. Hệ miễn dịch bị suy yếu trong giai đoạn xung quanh sinh và cho sữa sớm, do đó bò sữa dễ bị nhiễm trùng do vi khuẩn gây viêm vú và/hoặc viêm nội mạc tử cung trong thời gian này. Một mảng oligonucleotide Affymetrix cho bò đã được sử dụng để xác định sự biểu hiện gen toàn cầu trong lách của bò sữa trong giai đoạn hậu sinh sớm. Mô lách đã được lấy ra sau khi chết từ năm con bò bị NEB nặng (SNEB) và năm con bò bị NEB vừa (MNEB) sau 15 ngày sinh. SNEB làm tăng nồng độ hệ thống của NEFA và BHB, và số lượng bạch cầu và tế bào lympho đã giảm ở các động vật SNEB. Tổng cộng có 545 gen đã bị thay đổi do SNEB. Phân tích mạng lưới sử dụng Phân tích Đường dẫn Ingenuity cho thấy SNEB có liên quan đến stress oxy hóa được trung gian bởi NRF2, rối loạn chức năng ty thể, stress lưới nội bào, tín hiệu tế bào tự nhiên, tín hiệu p53, giảm biểu hiện IL-15, BCL-2 và IFN-γ; tăng cường biểu hiện BAX và CHOP và gia tăng apoptosis với ảnh hưởng tiêu cực tiềm ẩn đến miễn dịch bẩm sinh và miễn dịch thích nghi.

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.