胚胎先天性神经管缺陷的表达差异基因及信号传导

作者          作者单位

马向东   第四军医大学西京医院妇产科 陕西西安710033

吴小明   第四军医大学生物医学工程系 陕西西安710033

马兴     第四军医大学西京医院骨科 陕西西安710033

赵东涛   第四军医大学西京医院骨科 陕西西安710033

陈必良   第四军医大学西京医院骨科 陕西西安710033

辛晓燕   第四军医大学西京医院骨科 陕西西安710033

王德堂   第四军医大学西京医院骨科 陕西西安710033

0引言

妊娠合并糖尿病孕妇的胎儿(infants of diabetic mothers，IDM)重要器官先天性畸形的发生率高达 6%～10%，并直接导致50%的围产儿死亡率. 其中，高血糖内环境引起的胚胎先天性神经管缺陷的复杂病因，包括脂质、蛋白质代谢失调及超氧阴离子自由基的作用，引起胚胎卵黄囊细胞膜基本脂质成分缺失等原发性损伤[1]，表现出细胞信号传导的变化. 我们应用cDNA基因芯片技术[2]，对大鼠胚胎卵黄囊细胞1200个基因表达差异基因mRNA进行检测，旨在筛选参与先天性神经管缺陷发生的表达差异基因，并在此基础上深入揭示参与其发生的信号传导机制.

1材料和方法

1.1材料雌性SD大鼠29只，鼠龄70～90 d，体质量250～300 g (第四军医大学实验动物中心)，与同种系的SD雄性大鼠交配后常规培养于动物中心. 链脲佐菌素(streptozotocin,STZ)(美国Sigma公司);总RNA标记和纯化试剂盒(Clontech, #K1038);cDNA探针(AltlasTM cDNA Expression Arrays, Clontech, #PT31401).

1.2方法

1.2.1动物模型的建立将SD雌性大鼠与同种系无糖尿病的雄性大鼠交配，次日清晨阴道涂片发现精子的确定为受孕0 d. 将雌性大鼠分为正常对照组(n=8)，常规饲养. 实验模型组(n=12)，由STZ构建的妊娠合并糖尿病诱发胚胎先天性神经管缺陷，即于受孕第6日尾静脉注射65 mg/kg STZ. 实验对照组(n=9)，由STZ构建的糖尿病大鼠模型但胚胎不伴有先天性神经管缺陷发生，每日采尾静脉血250 mg/d测血糖，符合妊娠合并糖尿病标准，否则从实验组中排除. 于受孕第12日从各组中取出胚胎.

1.2.2动物分组将29只SD雄性大鼠分为3组：① 正常对照组，8只;② 实验模型组(STZ构建的妊娠合并糖尿病诱发胚胎先天性神经管缺陷)，12只;③ 实验对照组(STZ构建的糖尿病大鼠模型但胚胎不伴有先天性神经管缺陷发生)，9只.

1.2.3总RNA提取及cDNA探针合成、标记应用总RNA标记和纯化试剂盒提取并纯化各组卵黄囊细胞中总RNA. 应用超声匀浆机在0℃充分粉碎卵黄囊细胞，匀浆组织经酚/氯仿抽提，异丙醇沉淀RNA，800 mL/L乙醇洗涤RNA，空气干燥RNA沉淀. 37℃经DNase I 处理的无RNase H2O溶解RNA，沉淀30 min，纯化从卵黄囊细胞中提取总RNA，电泳检测RNA产量并储存-80℃备用. 以纯化的5 μg总RNA为模板，CDS混合引物合成cDNA探针(AltlasTM cDNA Expression Arrays, Clontech, #PT31401)，经反转录酶和[α32P]dATP于50℃标记探针25 min. 经提取、纯化试剂盒洗脱未标记的探针，测量标记cDNA探针的放射性同位素的量.

1.2.4核酸杂交和cDNA arrays分析AtlasTM 大鼠1.2 Array(Clontech,#78541)尼龙杂交膜，包括1200个基因的cDNA 杂交点，9 个看家基因作为阳性对照. 探针于68℃预杂交30 min，应用杂交液和鲑精DNA在尼龙膜上68℃杂交过夜，严格洗涤膜，-80℃ Kodark Xray胶片压片3~ 7 d. 扫描杂交信号后经AtlasImage 1.01软件(Clontech)分析结果.

1.2.5蛋白激酶磷酸化分析匀浆并提取各组胚胎卵黄囊细胞蛋白质，蛋白电泳装置(BioRad)将20 μg蛋白进行100 g/L SDSPAGE，15～20 mA电泳2 h，将蛋白转印装置在含200 g/L甲醇的10 mmol/L CAPS(pH11)中，500 mA 30 min将蛋白转印至PVDF Millipore 膜上，转印后用Ponceau S蛋白染色证实. 含10 g/L BSA的TBST(20 mmol/L Tris, pH7.5;150 mmol/L NaCl;1 g/L Tween20) 室温将膜封闭1 h，TBST洗涤5 min共3次，分别与抗磷酸化的一抗4℃孵育过夜：phosphop44/42 ERK(rabbit, 1∶5000, Cell Signaling,#9101); phosphoJNK/SAPK(rabbit, 1∶5000, Cell Signaling, #9251); phosphoAKT(rabbit, 1∶5000, Cell Signaling, #9271); Bax(rabbit, 1∶5000, Santa Cruz, #493);Caspase3(goat,1∶5000, Santa Cruz, #1226). TBST充分洗涤后与过氧化物酶联的抗兔子二抗(1∶10 000, Promega, #W4011)，抗羊二抗(1∶10 000, Promega, #401515) 室温反应1 h，TBST洗涤后与化学发光剂反应，曝光于Kodak胶片(XOmat)，图像扫描后NIH Image软件处理.

统计学处理：采用t检验分析.

2结果

2.1cDNA基因芯片技术筛选表达差异基因对先天性神经管缺陷大鼠卵黄囊细胞mRNA与正常对照组中共1200个基因同时进行比较,两组中共筛选出表达差异基因79条(图1). 其中42条表达上调基因，包括凋亡相关基因BAX，bcl2，heat shock 70，glucosetransporter 3等;37条表达下调基因，包括phospholipase A2，insulinlike growth factor Ⅱ receptor等.

2.2信号传导蛋白激酶活性分析

2.2.1磷酸化ERK1/2活性分析ERK1/2 活性在实验模型组显著性降低，在正常对照组和实验对照组活性较高(P<0.05，图2).

2.2.2磷酸化JNK1/2活性分析与ERK1/2结果相反，JNK1/2蛋白激酶活性在神经管缺陷胚胎卵黄囊细胞中显著降低，在正常对照组、实验对照组中卵黄囊细胞水平较低(P<0.05，图3).

2.2.3磷酸化AKT蛋白活性分析神经管缺陷胚胎的卵黄囊细胞中，磷酸化的AKT明显降低，较高水平的磷酸化的AKT存在于正常对照组和实验对照组的卵黄囊细胞中(P<0.05，图4).

2.3细胞凋亡相关蛋白Caspase3，Bax活性分析在实验模型组中，细胞凋亡相关蛋白Caspase3，Bax活性较正常对照组明显升高(P<0.05，图5，6).

3讨论

应用cDNA基因芯片技术，对胚胎卵黄囊细胞1200个基因同时进行比较，筛选出妊娠合并糖尿病诱发胚胎先天性神经管缺陷卵黄囊细胞表达差异基因79条：其中42条表达上调基因，包括凋亡相关基因BAX，bcl2，heat shock 70，glucosetransporter 3等;37条表达下调基因，包括phospholipase A2，insulinlike growth factor Ⅱ receptor等. 在先天性神经管缺陷卵黄囊细胞42条表达上调基因中，包括HSP70，GLUT3，而IGFR2 mRNA水平显著下调. 高血糖引起卵黄囊细胞ET1基因表达上调，以及PHGP活性升高，提示高血糖内环境及超阳阴离子自由基可能引起胚胎卵黄囊细胞的损伤，与先天性神经管缺陷的发生有关.

神经管缺陷等胚胎畸形的形成，常伴随多种神经生长因子和生长因子的异常表达，我们检测出βNGF表达上调[3]，Lim2 mRNA，HGF mRNA，PDGF的表达下调[4]以及生长因子水平的改变，是对高糖和超阳阴离子自由基引起的胚胎损伤的反应和调节.

高血糖引起的卵黄囊细胞膜损伤，与基本脂质成分的代谢异常密切相关，包括花生四烯酸、肌脂等. 花生四烯酸水平与前列腺素酶PLA2(phospholipase A2)活性改变有关[5]. cDNA基因芯片技术发现，糖尿病组胚胎卵黄囊细胞基因组中PLA2 mRNA 信号强度明显减弱，可能导致脂肪酸代谢缺陷.

神经管缺陷的胚胎卵黄囊细胞中磷酸化的ERK1/2活性明显降低[5-6]. 与此相反，JNK1/2活性在实验模型组却显著升高[7]. 这种活性变化提示，高血糖状态通过RafMEKERK信号途径调控卵黄囊细胞的基因表达方式对胚胎的发育产生影响. 凋亡相关基因Caspase3明显高表达，激活下游的Bax基因表达参与细胞程序化死亡，同时，神经管缺陷胚胎卵黄囊细胞中，凋亡抑制蛋白AKT蛋白激酶活性明显受抑，通过网络调控促进卵黄囊细胞凋亡参与神经管缺陷的发生[8-9]，对妊娠合并糖尿病诱发的胚胎神经管缺陷分子机制的深入研究，对揭示其分子病因学、探讨有效的预防和治疗具有重要意义.

【参考文献】

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[9] 陈必良,马向东,马兴,等. 妊娠合并糖尿病诱发胚胎先天性神经管缺陷细胞凋亡信号转导的初步研究[J]. 中国神经免疫学和神经病学杂志,2005,12:304-307.