基于转录组学和蛋白质组学的黄连素抗脑缺血关键转录因子分析

周瑞; 高金环; 郭非非; 张毅; 张晶晶; 杨洪军

doi:10.13422/j.cnki.syfjx.20211849

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基于转录组学和蛋白质组学的黄连素抗脑缺血关键转录因子分析

药理 | 更新时间：2022-01-04

- 基于转录组学和蛋白质组学的黄连素抗脑缺血关键转录因子分析
- Analysis of Crucial Transcription Factors of Berberine Against Cerebral Ischemia Based on Transcriptomics and Proteomics
- 中国实验方剂学杂志 2022年28卷第1期页码：100-108
- 作者机构：
  
  1.中国中医科学院中药研究所，北京 100700
  2.北京脑科学与类脑研究中心，北京 102206
- 作者简介：
  
  周瑞，硕士，从事中药药理与应用研究，E-mail：zhourui677000@163.com
  张晶晶，博士，副研究员，从事中药心脑血管分子药理学研究，E-mail：zjj4785@163.com； *
  杨洪军，研究员，从事基于整合策略的中药新药设计与大品种培育，E-mail：hongjun0420@vip.sina.com
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划项目(2017YFC1702605);国家自然科学基金项目(81974550)
- DOI：10.13422/j.cnki.syfjx.20211849
  中图分类号： R22;R28;R96;R743
- 收稿日期：2021-04-30，
  
  网络出版日期：2021-07-29，
  
  纸质出版日期：2022-01-05
- 稿件说明：
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周瑞,高金环,郭非非等.基于转录组学和蛋白质组学的黄连素抗脑缺血关键转录因子分析[J].中国实验方剂学杂志,2022,28(01):100-108.

ZHOU Rui,GAO Jin-huan,GUO Fei-fei,et al.Analysis of Crucial Transcription Factors of Berberine Against Cerebral Ischemia Based on Transcriptomics and Proteomics[J].Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae,2022,28(01):100-108.
周瑞,高金环,郭非非等.基于转录组学和蛋白质组学的黄连素抗脑缺血关键转录因子分析[J].中国实验方剂学杂志,2022,28(01):100-108. DOI： 10.13422/j.cnki.syfjx.20211849.

ZHOU Rui,GAO Jin-huan,GUO Fei-fei,et al.Analysis of Crucial Transcription Factors of Berberine Against Cerebral Ischemia Based on Transcriptomics and Proteomics[J].Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae,2022,28(01):100-108. DOI： 10.13422/j.cnki.syfjx.20211849.

摘要

目的

在确定黄连素保护脑缺血的基础上，采用转录组和蛋白质组测序的方法探究黄连素抗脑缺血的关键转录因子（TFs）。

方法

采用线栓法制备大脑中动脉栓塞（MCAO）模型，并将其分为假手术组、模型组及黄连素低、高剂量组（37.5，75 mg·kg

-1

·d

-1

），连续灌胃7 d后处死大鼠，取脑组织。通过Longa评分法和脑梗死率测定进行药效学评价，采用酶联免疫吸附测定试验（ELISA）测定白细胞介素-1

（IL-1

），肿瘤坏死因子-

（TNF-

）和单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）的表达。采用RNA-Seq技术检测黄连素干预前后的差异表达基因（DEGs），使用DAVID 6.8对DEGs进行富集分析；通过catTFREs技术检测黄连素干预前后的差异TFs，使用DAVID 6.8和STRING 11.0进行富集分析和TFs关联分析；通过整合TFs活性及其下游靶基因的变化情况，识别关键TFs，并通过Cytoscape 3.7.1构建相关的调控网络。

结果

与假手术组比较，模型组大鼠神经功能显著缺损（

0.01）；与模型组比较，黄连素低、高剂量组均能显著减轻大鼠神经功能损伤（

0.01），并降低脑梗死率（

0.01）。转录组数据分析表明黄连素主要是通过影响细胞黏附、脑发育、神经元迁移、钙信号通路、环磷酸腺苷信号通路、炎症反应等生物学过程和信号通路参与脑缺血后的恢复过程。蛋白质组数据分析表明黄连素干预后的差异表达TFs主要通过调控细胞分化、免疫系统过程、细胞增殖等生物学过程干预脑缺血。此外，对TFs和DEGs的整合分析发现，转录因子CP2样1（TFCP2L1），核因子红细胞2相关因子1（NFE2L1），神经源性分化蛋白6（NeuroD6）和POU域类2转录因子1（POU2F1）4个TFs是黄连素介导的抗脑缺血再灌注损伤的关键TFs。

结论

黄连素对脑缺血再灌注损伤具有明显的保护作用，其关键TFs有TFCP2L1，NFE2L1，NeuroD6和POU2F1。

Abstract

Objective

On the basis of determining the protective effect of berberine （BBR） on cerebral ischemia， crucial transcription factors （TFs） of BBR against cerebral ischemia was identified by using transcriptome and proteome sequencing.

Method

The model of middle cerebral artery occlusion （MCAO） was established by thread embolization. The sham operation group， model group， low-dose group of BBR （dose of 37.5 mg·kg

-1

·d

-1

） and high-dose group of BBR （75 mg·kg

-1

·d

-1

） were set up. The rats were killed after continuous intragastric administration for 7 days. The pharmacodynamics was evaluated by Longa score and cerebral infarction rate， and the expressions of inflammatory cytokines， such as interleukin （IL）-1

， tumor necrosis factor （TNF）-

and monocyte chemotactic protein-1 （MCP-1） were measured by enzyme-linked immunosorbent assay （ELISA）. Then， RNA-Seq technique was used to detect the differentially expressed genes （DEGs） before and after BBR intervention， and DAVID 6.8 was used for enrichment analysis of DEGs. CatTFREs technique was used to detect differential TFs before and after BBR intervention， and DAVID 6.8 and STRING 11.0 were used for enrichment analysis and TFs association analysis. Finally， by integrating the activity of TFs and the changes of downstream target genes， crucial TFs were identified and the related regulatory network was constructed by Cytoscape 3.7.1.

Result

Compared with the sham operation group， the neurological impairment was significant in the model group （

0.01）， and compared with the model group， the low and high dose BBR groups could significantly reduce the neurological function damage （

0.01） and decrease the rate of cerebral infarction （

0.01）. Transcriptome data analysis showed that BBR was involved in the recovery process after cerebral ischemia mainly by affecting cell adhesion， brain development， neuron migration， calcium signaling pathway， cyclic adenosine monophosphate （cAMP） signaling pathway， inflammatory response and other related functions and signaling pathways. Proteomic data analysis showed that the differentially expressed TFs after BBR intervention interfered with cerebral ischemia mainly by regulating cell differentiation， immune system process， cell proliferation and other biological processes. In addition， integration analysis of TFs and DEGs revealed that transcription factor CP2-like 1 （TFCP2L1）， nuclear factor erythroid-2 like 1 （NFE2L1）， neurogenic differentiation protein 6 （NeuroD6） and POU domain， class 2， transcription factor 1 （POU2F1） were crucial TFs against cerebral ischemia-reperfusion injury mediated by BBR.

Conclusion

BBR has obvious protective effect on cerebral ischemia-reperfusion injury and its crucial TFs include TFCP2L1， NFE2L1， NeuroD6 and POU2F1.

关键词

Keywords

references

GU J ， SHI Y ， CHEN N ， et al . Ambient fine particulate matter and hospital admissions for ischemic and hemorrhagic strokes and transient ischemic attack in 248 Chinese cities ［J］. Sci Total Environ ， 2020 ， 715 ： 136896 .

王陇德，刘建民，杨弋，等 . 我国脑卒中防治仍面临巨大挑战——《中国脑卒中防治报告2018》概要［J］. 中国循环杂志， 2019 ， 34 （ 2 ）： 105 - 119 .

ELTZSCHIG H K ， ECKLE T . Ischemia and reperfusion-from mechanism to translation ［J］. Nat Med ， 2011 ， 17 （ 11 ）： 1391 - 1401 .

张艾嘉，王爽，王萍，等 . 缺血性脑卒中的病理机制研究进展及中医药防治［J］. 中国实验方剂学杂志， 2020 ， 26 （ 5 ）： 227 - 240 .

李兆珍，张丹参 . 脑缺血再灌注损伤相关机制的研究进展［J］. 神经药理学报， 2020 ， 10 （ 6 ）： 60 - 63 .

李澜芯，何甜，石清明，等 . 脑缺血再灌注损伤信号通路的研究进展［J］. 局解手术学杂志， 2021 ， 30 （ 4 ）： 359 - 362 .

周瑞，项昌培，张晶晶，等 . 黄连化学成分及小檗碱药理作用研究进展［J］. 中国中药杂志， 2020 ， 45 （ 19 ）： 4561 - 4573 .

MENG F C ， WU Z F ， YIN Z Q ， et al . Coptidis Rhizoma and its main bioactive components：recent advances in chemical investigation，quality evaluation and pharmacological activity ［J］. Chin Med ， 2018 ， 13 ： 13 .

PANG Y ， LIANG Y ， WANG Y ， et al . Effect of berberine against cerebral ischemia and reperfusion involving in the methylation of PPAR γ promote ［J］. J Chinese Pharmaceut Sci ， 2018 ， 27 （ 3 ）： 170 - 182 .

甘露 . 黄连素对局灶性脑缺血再灌注大鼠缺血脑区细胞黏附分子表达的影响［J］. 中国实验方剂学杂志， 2011 ， 17 （ 14 ）： 240 - 242 .

丁实，赵学荣，李宝群，等 . 基于Bcl-2/Beclin-1复合体探讨黄连素对脑缺血再灌注损伤大鼠模型的保护作用［J］. 中国实验动物学报， 2019 ， 27 （ 5 ）： 651 - 657 .

ZHANG Q ， QIAN Z ， PAN L ， et al . Hypoxia-inducible factor 1 mediates the anti-apoptosis of berberine in neurons during hypoxia/ischemia ［J］. Acta Physiol Hung ， 2012 ， 99 （ 3 ）： 311 - 323 .

XU Z ， FENG W ， SHEN Q ， et al . Rhizoma Coptidis and berberine as a natural drug to combat aging and aging-related diseases via anti-oxidation and AMPK activation ［J］. Aging Dis ， 2017 ， 8 （ 6 ）： 760 - 777 .

YANG J ， YAN H ， LI S M ， et al . Berberine ameliorates MCAO induced cerebral ischemia/reperfusion injury via activation of the BDNF-TrkB-PI3K/Akt signaling pathway ［J］. Neurochem Res ， 2018 ， 43 （ 3 ）： 702 - 710 .

BESS E ， FISSLTHALER B ， FROMEL T ， et al . Nitric oxide-induced activation of the AMP-activated protein kinase alpha2 subunit attenuates IkappaB kinase activity and inflammatory responses in endothelial cells ［J］. PLoS One ， 2011 ， 6 （ 6 ）： e20848 .

ZHU J ， CAO D ， GUO C ， et al . Berberine facilitates angiogenesis against ischemic stroke through modulating microglial polarization via AMPK signaling ［J］. Cell Mol Neurobiol ， 2019 ， 39 （ 6 ）： 751 - 768 .

秦思茹，唐慧玲，李威，等 . 基于AMPK及下游靶点的黄连素防治缺血性脑卒中的研究进展［J］. 中国现代应用药学， 2021 ， 38 （ 4 ）： 489 - 494 .

FURNEY S J ， HIGGINS D G ， OUZOUNIS C A ， et al . Structural and functional properties of genes involved in human cancer ［J］. BMC Genomics ， 2006 ， 7 ： 3 .

崔凯，吴伟伟，刁其玉 . 转录组测序技术的研究和应用进展［J］. 生物技术通报， 2019 ， 35 （ 7 ）： 1 - 9 .

ZHANG J ， GUO F ， WEI J ， et al . An integrated approach to identify critical transcription factors in the protection against hydrogen peroxide-induced oxidative stress by Danhong injection ［J］. Free Radic Biol Med ， 2017 ， 112 ： 480 - 493 .

ZHANG J ， GENG Y ， GUO F ， et al . Screening and identification of critical transcription factors involved in the protection of cardiomyocytes against hydrogen peroxide-induced damage by Yixin-shu ［J］. Sci Rep ， 2017 ， 7 （ 1 ）： 13867 .

CHEN H Y ， YE X L ， CUI X L ， et al . Cytotoxicity and antihyperglycemic effect of minor constituents from Rhizoma Coptis in HepG2 cells ［J］. Fitoterapia ， 2012 ， 83 （ 1 ）： 67 - 73 .

BELAYEV L ， ALONSO O F ， BUSTO R ， et al . Middle cerebral artery occlusion in the rat by intraluminal suture.Neurological and pathological evaluation of an improved model ［J］. Stroke ， 1996 ， 27 （ 9 ）： 1616 - 1623 .

LONGA E Z ， WEINSTEIN P R ， CARLSON S ， et al . Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats ［J］. Stroke ， 1989 ， 20 （ 1 ）： 84 - 91 .

ZHOU R ， GAO J ， XIANG C ， et al . Salvianolic acid A attenuated myocardial infarction-induced apoptosis and inflammation by activating Trx ［J］. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol ， 2020 ， 393 （ 6 ）： 991 - 1002 .

ZHANG J ， ZHOU R ， XIANG C ， et al . Huangbai liniment accelerated wound healing by activating Nrf2 signaling in diabetes ［J］. Oxid Med Cell Longev ， 2020 ， 2020 ： 4951820 .

ZHOU R ， GUO F ， XIANG C ， et al . Systematic study of crucial transcription factors of Coptidis Rhizoma alkaloids against cerebral ischemia-reperfusion injury ［J］. ACS Chemical Neuroscience ， 2021 ， 12 （ 13 ）： 2308 - 2319 .

周瑞，项昌培，高金环，等 . 基于转录组测序的谷红注射液抗脑缺血分析［J］. 中国实验方剂学杂志， 2020 ， 26 （ 7 ）： 195 - 203 .

DING C ， CHAN D W ， LIU W ， et al . Proteome-wide profiling of activated transcription factors with a concatenated tandem array of transcription factor response elements ［J］. Proc Natl Acad Sci USA ， 2013 ， 110 （ 17 ）： 6771 - 6776 .

LAING R J ， JAKUBOWSKI J ， LAING R W . Middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats.Which method works best？［J］. Stroke ， 1993 ， 24 （ 2 ）： 294 - 297 .

赵利南，赵益，孙有智 . 基于RNA-seq技术的活血化瘀法治疗乳腺癌关键基因的筛选和验证［J］. 中国实验方剂学杂志， 2019 ， 25 （ 4 ）： 101 - 108 .

ZHANG J ， ZHOU R ， XIANG C ， et al . Enhanced thioredoxin，glutathione and Nrf2 antioxidant systems by safflower extract and aceglutamide attenuate cerebral ischaemia/reperfusion injury ［J］. J Cell Mol Med ， 2020 ， 24 （ 9 ）： 4967 - 4980 .

VIERECKEL T ， DUMAS S ， SMITH-ANTTILA C J ， et al . Midbrain gene screening identifies a new mesoaccumbal glutamatergic pathway and a marker for dopamine cells neuroprotected in Parkinsonʹs disease ［J］. Sci Rep ， 2016 ， 6 ： 35203 .

BIMPISIDIS Z ， KONIG N ， STAGKOURAKIS S ， et al . The NeuroD6 subtype of VTA neurons contributes to psychostimulant sensitization and behavioral reinforcement ［J］. eNeuro ， 2019 ， doi： 10.1523/ENEURO.0066-19.2019 http://dx.doi.org/10.1523/ENEURO.0066-19.2019 .

BROMBERG-MARTIN E S ， MATSUMOTO M ， HIKOSAKA O . Dopamine in motivational control：rewarding，aversive，and alerting ［J］. Neuron ， 2010 ， 68 （ 5 ）： 815 - 834 .

WISE R A . Dopamine，learning and motivation ［J］. Nat Rev Neurosci ， 2004 ， 5 （ 6 ）： 483 - 494 .

GRAYBIEL A M ， AOSAKI T ， FLAHERTY A W ， et al . The basal ganglia and adaptive motor control ［J］. Science ， 1994 ， 265 （ 5180 ）： 1826 - 1831 .

SATOH J I ， YAMAMOTO Y ， ASAHINA N ， et al . RNA-Seq data mining：downregulation of NeuroD6 serves as a possible biomarker for alzheimerʹs disease brains ［J］. Dis Markers ， 2014 ， 2014 ： 123165 .

TARACHA A ， KOTARBA G ， WILANOWSKI T . Neglected functions of TFCP2/TFCP2L1/UBP1 transcription factors may offer valuable insights into their mechanisms of action ［J］. Int J Mol Sci ， 2018 ， 19 （ 10 ）： 2852 .

KOTARBA G ， KRZYWINSKA E ， GRABOWSKA A I ， et al . TFCP2/TFCP2L1/UBP1 transcription factors in cancer ［J］. Cancer Lett ， 2018 ， 420 ： 72 - 79 .

GONNOT F ， LANGER D ， BOURILLOT P Y ， et al . Regulation of Cyclin E by transcription factors of the naive pluripotency network in mouse embryonic stem cells ［J］. Cell Cycle ， 2019 ， 18 （ 20 ）： 2697 - 2712 .

JING R Q ， GUO X D ， YANG Y W ， et al . Long noncoding RNA Q associates with Sox2 and is involved in the maintenance of pluripotency in mouse embryonic stem cells ［J］. Stem Cells ， 2020 ， 38 （ 7 ）： 834 - 848 .

WANG X ， WANG X ， ZHANG S ， et al . The transcription factor TFCP2L1 induces expression of distinct target genes and promotes self-renewal of mouse and human embryonic stem cells ［J］. J Biol Chem ， 2019 ， 294 （ 15 ）： 6007 - 6016 .

YE S ， LI P ， TONG C ， et al . Embryonic stem cell self-renewal pathways converge on the transcription factor Tfcp2l1 ［J］. EMBO J ， 2013 ， 32 （ 19 ）： 2548 - 2560 .

GRAY P A ， FU H ， LUO P ， et al . Mouse brain organization revealed through direct genome-scale TF expression analysis ［J］. Science ， 2004 ， 306 （ 5705 ）： 2255 - 2257 .

RYAN A K ， ROSENFELD M G . POU domain family values：flexibility，partnerships，and developmental codes ［J］. Genes Dev ， 1997 ， 11 （ 10 ）： 1207 - 1225 .

STEFFEN J ， SEEGER M ， KOCH A ， et al . Proteasomal degradation is transcriptionally controlled by TCF11 via an ERAD-dependent feedback loop ［J］. Mol Cell ， 2010 ， 40 （ 1 ）： 147 - 158 .

LEE C S ， LEE C ， HU T ， et al . Loss of nuclear factor E 2 -related factor 1 in the brain leads to dysregulation of proteasome gene expression and neurodegeneration ［J］. Proc Natl Acad Sci USA ， 2011 ， 108 （ 20 ）： 8408 - 8413 .

KOBAYASHI A ， TSUKIDE T ， MIYASAKA T ， et al . Central nervous system-specific deletion of transcription factor Nrf1 causes progressive motor neuronal dysfunction ［J］. Genes Cells ， 2011 ， 16 （ 6 ）： 692 - 703 .

MALEKI S N ， ABOUTALEB N ， SOURI F . Berberine confers neuroprotection in coping with focal cerebral ischemia by targeting inflammatory cytokines ［J］. J Chem Neuroanat ， 2018 ， 87 ： 54 - 59 .

NADJAFI S ， EBRAHIMI S A ， RAHBAR-ROSHANDEL N . Protective effects of berberine on oxygen-glucose deprivation/reperfusion on oligodendrocyte cell line （OLN-93）［J］. Int J Prev Med ， 2014 ， 5 （ 9 ）： 1153 - 1160

PPSTUMA R B ， BERG D . The new diagnostic criteria for Parkinsonʹs disease ［J］. Int Rev Neurobiol ， 2017 ， 132 ： 55 - 78 .

LI J ， JIN M ， WANG L ， et al . MDS clinical diagnostic criteria for Parkinsonʹs disease in China ［J］. J Neurol ， 2017 ， 264 （ 3 ）： 476 - 481 .

PARKINSON STUDY GROUP . A controlled，randomized，delayed-start study of rasagiline in early Parkinson disease ［J］. Arch Neurol ， 2004 ， 61 （ 4 ）： 561 - 566 .

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