缺血预处理的肾小管细胞来源外泌体对肾缺血再灌注损伤大鼠PI3K/AKT/mTOR信号通路的调控机制

陈家辉, 张燕子, 张艾莎, 隋晓露, 许云鹏, 谢婷妃, 陈继红

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中华肾脏病杂志 ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (9) : 732-740. DOI: 10.3760/cma.j.cn441217-20231006-01004
短篇论著

缺血预处理的肾小管细胞来源外泌体对肾缺血再灌注损伤大鼠PI3K/AKT/mTOR信号通路的调控机制

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Regulation mechanism of ischemic preconditioning renal tubular cell-derived exosomes on PI3K/AKT/mTOR signaling pathway in rats with renal ischemia reperfusion injury

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摘要

本研究拟通过建立大鼠肾缺血再灌注损伤(renal ischemia reperfusion injury,RIRI)模型,观察不同外泌体处理后磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol⁃3⁃kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)/雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信号通路表达变化,并进行微RNA(microRNA,miRNA)差异表达分析,揭示缺血预处理(ischemic preconditioning,IPC)的肾小管细胞来源外泌体在减轻大鼠RIRI中的分子机制。首先取SD大鼠10只,全麻下切除双肾,制备原代肾小管细胞。第2代肾小管细胞分别予以下处理:常氧(38%O2、5%CO2)、低氧(1%O2、5%CO2)和低氧+灭活(65 ℃加热30 min)培养12 h,然后提取外泌体,分别得常氧外泌体、IPC外泌体和灭活外泌体。再取SD大鼠50只,随机分为5组:假手术组(Sham组)、RIRI组、RIRI+常氧外泌体组(NC组)、RIRI+IPC外泌体组(IPC组)、RIRI+灭活外泌体组(INA组),后4组均先建立RIRI模型,NC组、IPC组和INA组RIRI建模后24 h分别尾静脉注入200 μg常氧外泌体、IPC外泌体和灭活外泌体。6 d后取静脉血,摘取双肾,观察各组肾功能、肾脏组织病理及PI3K/AKT/mTOR信号通路变化,并对NC组和IPC组进行miRNA差异表达(P<0.05,|log2FC|≥1)分析,探查miRNA表达谱变化并进行GO分析和KEGG通路富集分析。结果发现,(1)与Sham组相比,RIRI组和INA组血肌酐、尿素氮水平升高(均P<0.01);肾组织病理可见间质大量炎性细胞聚集伴不同程度水肿,肾小管结构变性肿胀,肾小管上皮细胞坏死脱落;TUNEL阳性细胞数明显升高,Ki67染色阳性细胞数明显减少;PI3K/AKT/mTOR信号通路的mRNA和蛋白表达较低。(2)与NC组相比,IPC组血肌酐和尿素氮水平较低(均P<0.01);肾间质炎性细胞聚集显著减少、组织水肿明显改善;TUNEL 阳性细胞数减少,Ki67染色阳性细胞数增多;PI3K、PDK1、AKT、mTOR的mRNA和蛋白表达均较高(均P<0.05)。(3)与NC组相比,IPC组有56个miRNA表达上调,42个miRNA表达下调。GO富集分析发现,靶基因为PIK3C2A、PIK3CA、PIK3CB、PIK3CD、PIK3C2G、AKT1、mTOR、Rheb等;KEGG富集分析发现,在PI3K/AKT信号通路和mTOR信号通路均有显著性富集。本研究揭示,在RIRI病程中,IPC肾小管细胞来源外泌体可致肾组织miRNA差异性表达,使PI3K/AKT/mTOR信号通路表达增强,在减轻大鼠RIRI中发挥重要作用。

Abstract

This study aims to establish a rat model of renal ischemia reperfusion injury (RIRI) to observe the alterations in the expression of phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K)/protein kinase B (AKT)/mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling pathway following various exosome treatments. Additionally, differential miRNA expression analysis will be conducted to elucidate the molecular mechanisms underlying the effects of exosomes derived from ischemic preconditioned (IPC) renal tubular cells in mitigating RIRI in rats. Initially, ten SD rats were subjected to bilateral nephrectomy under general anesthesia to prepare primary renal tubular cells. The second-generation renal tubular cells were then subjected to the following treatments for 12 hours: normoxia (38% O2, 5% CO2), hypoxia (1% O2, 5% CO2), and hypoxia plus inactivation (heated at 65 ℃ for 30 minutes). Following these treatments, exosomes were extracted, yielding normoxic exosomes, IPC exosomes, and inactivated exosomes, respectively. A subsequent cohort of 50 SD rats was randomly divided into five groups: Sham group, RIRI group, RIRI + normoxic exosome group (NC group), RIRI + IPC exosome group (IPC group), and RIRI + inactivated exosome group (INA group). RIRI model was established in the latter four groups. Twenty⁃four hours after RIRI modeling, the NC, IPC, and INA groups received intravenous injections of 200 μg of normoxic exosomes, IPC exosomes, and inactivated exosomes via the tail vein, respectively. Six days later, venous blood samples were collected, and both kidneys were excised to observe renal function, histopathological changes in kidney tissue, and alterations in the PI3K/AKT/mTOR signaling pathway among the five groups. Furthermore, differential miRNA expression analysis [P<0.05, |log2(Fold Change)|≥1] was conducted between the NC and IPC groups to investigate the changes in the miRNA expression profile. Subsequently, GO analysis and KEGG pathway enrichment analysis were performed. The results revealed that: (1) Compared with the Sham group, the RIRI and INA groups exhibited elevated levels of serum creatinine and urea nitrogen (all P<0.01). Histopathological examination of kidney tissues showed substantial inflammatory cell infiltration in the interstitium accompanied by varying degrees of edema, degenerative swelling of tubular structures, necrosis, and detachment of tubular epithelial cells. Notably, the number of TUNEL⁃positive cells was significantly increased, while the number of Ki67⁃stained positive cells was markedly decreased. Additionally, the mRNA and protein expression of PI3K/AKT/mTOR signaling pathway in RIRI group and INA group were down-regulated. (2) Compared to the NC group, the IPC group demonstrated lower levels of serum creatinine and urea nitrogen (both P<0.01). Notably, there was a significant decrease in the accumulation of inflammatory cells in the renal interstitium, and tissue edema was markedly improved. Moreover, the number of TUNEL⁃positive cells was reduced, while the number of Ki67⁃stained positive cells was significantly increased. Additionally, the mRNA and protein expressions of PI3K, PDK1, AKT, and mTOR were all up-regulated (all P<0.05). (3) Compared to the NC group, 56 miRNAs were up-regulated and 42 miRNAs were down-regulated in the IPC group. The target genes of GO enrichment analysis were PIK3C2A, PIK3CA, PIK3CB, PIK3CD, PIK3C2G, AKT1, mTOR, Rheb, and KEGG enrichment analysis revealed significant enrichment in PI3K/AKT signal pathway and mTOR signal pathway. In conclusion, this study reveals that during the course of RIRI, exosomes derived from IPC renal tubular cells induce differential miRNA expression in kidney tissues, resulting in enhanced expression of the PI3K/AKT/mTOR signaling pathway, which plays a pivotal role in mitigating RIRI in rats.

关键词

外泌体 / 微RNAs / 再灌注损伤 / 磷酸肌醇3⁃激酶类 / PI3K/AKT/mTOR

Key words

Exosomes / MicroRNAs / Reperfusion injury / Phosphatidylinositol 3⁃kinases / PI3K/AKT/mTOR

引用本文

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陈家辉 , 张燕子 , 张艾莎 , 隋晓露 , 许云鹏 , 谢婷妃 , 陈继红. 缺血预处理的肾小管细胞来源外泌体对肾缺血再灌注损伤大鼠PI3K/AKT/mTOR信号通路的调控机制[J]. 中华肾脏病杂志, 2024, 40(9): 732-740. DOI: 10.3760/cma.j.cn441217-20231006-01004.
Chen Jiahui , Zhang Yanzi , Zhang Aisha , Sui Xiaolu , Xu Yunpeng , Xie Tingfei , Chen Jihong. Regulation mechanism of ischemic preconditioning renal tubular cell-derived exosomes on PI3K/AKT/mTOR signaling pathway in rats with renal ischemia reperfusion injury[J]. Chinese Journal of Nephrology, 2024, 40(9): 732-740. DOI: 10.3760/cma.j.cn441217-20231006-01004.
肾缺血再灌注损伤(renal ischemia reperfusion injury, RIRI)是导致急性肾损伤和影响肾移植术后移植物早期功能恢复和长期存活的重要因素,而缺血预处理(ischemic preconditioning,IPC)可启动肾脏内源性保护机制从而减轻肾损伤1。磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol⁃3⁃kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)/雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路在RIRI细胞凋亡和自噬调节中起重要作用2。外泌体携带蛋白、mRNA、微RNA(microRNA, miRNA或miR),调控细胞间信息传递,参与细胞生物活动,可作为疾病诊断与治疗的潜在新型分子标志物。本研究通过建立RIRI大鼠模型,分别给予不同干预措施,观察不同外泌体处理后肾小管细胞PI3K/AKT/mTOR信号通路表达规律和miRNA表达差异,探讨IPC的肾小管细胞来源外泌体在减轻大鼠RIRI中的分子机制,为临床防治RIRI提供理论依据。

一、 材料与方法

1. 研究材料:雌性SD大鼠60只,6~8周龄,体重180~220 g,购自广东省实验动物中心[SCXK(粤)2018⁃002],室温24 ℃~26 ℃,自由摄食进水。该研究获得深圳北京大学香港科技大学医学中心伦理委员会批准(实验编号:2021⁃516),并严格按照动物护理指导执行。
2. 原代肾小管细胞制备及外泌体提取:(1)原代肾小管细胞制备:取SD大鼠10只,全麻下切除双肾,实施安乐死。肾皮质切碎置于培养基,研磨,1 500 r/min离心5 min(离心半径15 cm),弃上清,胰蛋白酶重悬沉淀,37 ℃温箱消化10 min。加入含有10%胎牛血清DMEM⁃F12,1 500 r/min离心8 min(离心半径15 cm),弃上清。加入DMEM⁃F12悬浮沉淀,充分吹打混匀。分离肾小管节段接种于培养瓶,置于37℃、38% O2、5% CO2孵育箱,培养3 d得肾小管细胞。(2)肾小管细胞处理:细胞融合度达90%时,胰酶传代,用第2代细胞提取外泌体。肾小管细胞分别予以下处理:常氧处理(38%O2、5%CO2培养12 h,提取外泌体,得常氧外泌体)、低氧处理(1%O2、5%CO2培养12 h模拟体外IPC,提取外泌体,得IPC外泌体)和低氧+灭活处理(1%O2、5%CO2培养12 h,提取外泌体,65 ℃加热30 min灭活,得灭活外泌体)。(3)肾小管细胞外泌体提取:对以上不同处理的含有肾小管细胞培养基离心,4 ℃ 3 000 ×g离心10 min,回收上清,超高速离心管中4 ℃ 100 000 ×g离心70 min弃上清;磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline,PBS)轻轻重悬沉淀;100 000 ×g离心70 min,洗涤,弃上清,200~500 μl PBS重悬沉淀,-80 ℃冰箱保存备用。
3. 实验分组及处理:取SD大鼠50只,随机分为5组:假手术组(Sham组)、RIRI组、RIRI+常氧外泌体组(NC组)、RIRI+IPC外泌体组(IPC组)、RIRI+灭活外泌体组(INA组)。大鼠给予吸入异氟烷(0.5%~1%)麻醉,置于恒温台上。取仰卧位,备皮,消毒。腹部正中纵向切口,约3~4 cm,依次切开皮肤、皮下各层组织,打开腹腔,游离双侧肾蒂。Sham组仅游离双侧肾蒂后即消毒关闭腹部切口。RIRI组、NC组、IPC组、INA组均用微动脉夹将两侧肾蒂夹闭50 min,肾脏颜色由鲜红色变为苍白色,之后逐渐变为暗红色,表明夹闭成功,待50 min松开微动脉夹,可见双肾缓慢恢复淡红色。腹腔注入约1 ml温盐水,切口消毒,关闭腹部切口,切口消毒缝合。成功建立大鼠RIRI模型后24 h分别尾静脉注入200 μg常氧外泌体(NC组)、IPC外泌体(IPC组)和灭活外泌体(INA组)。6 d后取静脉血,摘取双肾,安乐死大鼠。将肾组织分4份,一份多聚甲醛固定,病理检测;一份剪碎后加Trizol保存,采用实时定量PCR法检测;一份液氮速冻,采用Western印迹法检测;一份加Trizol保存,行miRNA检测。
4. 观察指标及方法:(1)验证外泌体表达:透射电子显微镜观察肾小管细胞外泌体形态和大小;纳米颗粒跟踪分析(nanoparticle tracking analysis,NTA)技术检测外泌体浓度和粒径;Western印迹检测外泌体表面标志物蛋白表达。(2)肾功能指标和肾脏组织病理学:采用全自动生化分析仪检测血肌酐、尿素氮;固定肾组织,脱水浸蜡、包埋、切片,石蜡切片脱蜡至水,HE染色,脱水封片,显微镜下观察。(3)细胞凋亡和增殖检测:参照TUNEL试剂盒(美国Roche)和Ki67细胞增殖检测试剂盒(英国Abcam)说明书。(4)PI3K/AKT/mTOR信号通路检测: ①实时定量PCR法检测肾组织PI3K、磷酸肌醇依赖性蛋白激酶⁃1(3⁃phosphoinositide⁃dependent protein kinase 1,PDK1)、AKTmTOR基因表达:提取细胞总RNA,根据RevertAid First Strand cDNA Synthesis Kit试剂盒(美国ThermoFisher)说明,将RNA反转录为cDNA,-20 ℃备用。根据SuperReal PreMix Plus(SYBR Green)试剂盒(北京天根)进行PCR扩增,反应体系20 μl,反应条件:95 ℃ 15 min,95 ℃ 10 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,45个循环。引物序列见表1。②Western印迹法检测肾组织PI3K、PDK1、AKT、mTOR蛋白表达:肾组织冰上裂解,BCA试剂盒(美国Thermo)检测总蛋白。20 μg蛋白样品,行十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳。转膜后5%牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)⁃TBST封闭2 h。加入一抗,5%BSA⁃TBST稀释。4 ℃孵育过夜,TBST洗膜。加二抗,5%BSA⁃TBST稀释,室温孵育2 h,TBST洗膜。显色,应用凝胶成像系统观察结果。(5)NC组和IPC组miRNA差异表达分析:选取NC组和IPC组肾组织,提取总RNA,构建文库,测序后将5个分组中的各样本测序得到的reads与该物种参考序列进行比对,以验证所测样本的参数序列符合实验要求。分析两组miRNA,以|log2(差异倍数)|>1且P<0.05视为差异表达miRNA。使用miRanda、miRDB、miRTarBase对差异表达miRNA进行靶基因预测。使用topGO软件进行基因本体(gene ontology,GO)富集分析,统计检验方法为Fisher确切概率检验。使用ClusterProfiler软件进行京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路富集分析,统计检验方法为超几何分布检验。
表1 PCR引物序列
名称 引物
β⁃actin 上游引物5’⁃ CACCAGGGTGTGATGGTG⁃3’
下游引物5’⁃ GTACATGGCTGGGGTGTTG⁃3’
PI3K 上游引物5’⁃ CCCGGGTAGGTTTGAATTCGTT⁃3’
下游引物5’⁃ TGCCCTAGGTGACCTGACACA⁃3’
PDK1 上游引物5’⁃ AGGCGTTTATCCCCCGATTC⁃3’
下游引物5’⁃ CTCCCCGGTCACTCATCTTC⁃3’
AKT 上游引物5’⁃ CGCTTCTTTGCCAACATCGT⁃3’
下游引物5’⁃ CACTCCATGCTGTCATCTTGA⁃3’
mTOR 上游引物5’⁃ TGGAGGTTACCGGTCTCGAT⁃3’
下游引物5’⁃ GGCATTTGTGTCCATCAGCC⁃3’
注: β⁃actinβ⁃肌动蛋白;PI3K:磷脂酰肌醇⁃3⁃激酶;PDK1:磷酸肌醇依赖性蛋白激酶⁃1;AKT:蛋白激酶B;mTOR:雷帕霉素靶蛋白
5. 统计学分析:所有数据均用SPSS 19.0统计软件分析,符合正态分布的计量资料采用x-±s表示,符合正态分布且方差齐的多组均数比较采用单因素方差分析,组间两两比较采用LSD⁃t检验。P<0.05视为差异有统计学意义。

二、 结果

1. 各组大鼠肾功能、PI3K/AKT/mTOR信号通路表达:与Sham组比较,RIRI组、INA组、NC组血肌酐和血尿素氮水平较高(均P<0.01),IPC组血肌酐和血尿素氮水平较高,但差异无统计学意义;RIRI组和INA组PI3K/AKT/mTOR信号通路的mRNA和蛋白表达较低;NC组和IPC组相应mRNA和蛋白表达较高,除NC组PDK1 mRNA外,差异均有统计学意义(均P<0.05)。与NC组比较,IPC组血肌酐和血尿素氮水平较低(均P<0.01),相应mRNA及蛋白表达较高(均P<0.05),见图1,图2。
图1 各组大鼠肾功能和PI3K/AKT/mTOR信号通路表达比较(全自动生化分析仪或实时定量PCR或Western印迹)
注:Sham组:假手术组;RIRI组:肾缺血再灌注损伤组;INA组:肾缺血再灌注损伤+灭活外泌体组;NC组:肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组;IPC组:肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组;a P<0.05,b P<0.01;n=10

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2. 各组大鼠肾组织病理和凋亡增殖检测结果:Sham组肾脏组织结构清楚;RIRI组和INA组可见间质大量炎性细胞聚集伴不同程度水肿,小管结构变性肿胀,小管上皮细胞坏死脱落;NC组可见间质炎性细胞聚集及组织水肿;IPC组肾脏组织结构相对清楚,肾小管结构较完整,炎性细胞聚集及组织水肿明显减轻,见图3。与NC组比较,IPC组TUNEL阳性细胞数减少,Ki67染色阳性细胞数增多,见图4
图3 各组大鼠肾脏病理改变(HE ×400)
注:Sham组:假手术组;RIRI组:肾缺血再灌注损伤组;INA组:肾缺血再灌注损伤+灭活外泌体组;NC组:肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组;IPC组:肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组;→:示肾间质细胞水肿和炎性细胞浸润;▲:示肾小管肿胀和炎性细胞

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图4 各组大鼠细胞凋亡和增殖情况比较(TUNEL ×400)
注:Sham组:假手术组;RIRI组:肾缺血再灌注损伤组;INA组:肾缺血再灌注损伤+灭活外泌体组;NC组:肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组;IPC组:肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组;TUNEL阳性细胞呈棕褐色染色(▲),示凋亡细胞;Ki67阳性细胞核呈棕黄色颗粒(→),示细胞增殖

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3. INA组(灭活前)、NC组、IPC组外泌体情况评估:从INA组(灭活前)、NC组、IPC组大鼠肾小管细胞培养上清液中提取外泌体,电镜下观察到外泌体典型结构,直径100 nm左右,具有清晰膜茶托样结构,见图5。NTA分析显示,肾小管细胞培养上清液悬液中微粒呈单峰分布,比例最高粒径为96.8 nm,浓度较高,可用于后续RNA提取建库,见图6表2。外泌体表面标志物CD63蛋白和TSG 101蛋白表达阳性,证明成功提取外泌体,见图7
图5 肾小管细胞外泌体形态(电镜 ×20 000)
注:INA组:肾缺血再灌注损伤+灭活外泌体组;NC组:肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组;IPC组:肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组

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图6 肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组肾小管细胞外泌体颗粒粒径⁃浓度分布图和分布比例

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表2 肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组肾小管细胞外泌体颗粒粒径⁃浓度分布比例
峰值直径(nm) 浓度(个/ml) 半峰宽(nm) 百分比(%)
96.8 3.5×106 67.9 98.2
272.5 9.1×104 15.2 0.5
337.4 3.6×104 17.9 0.4
385.2 1.6×104 15.1 0.2
466.0 1.2×104 10.9 0.1
图7 肾小管细胞外泌体CD63和TSG101蛋白表达
注:INA组:肾缺血再灌注损伤+灭活外泌体组;NC组:肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组;IPC组:肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组

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4. IPC组和NC组肾小管细胞外泌体miRNA差异表达分析:NC组和IPC组肾小管细胞外泌体存在98个差异表达miRNA,其中IPC组56个表达上调,如rno⁃miR⁃21⁃3p、rno⁃miR⁃125a⁃3p、rno⁃miR⁃26a⁃5p、rno⁃miR⁃155⁃5p、rno⁃miR⁃186⁃5p、rno⁃miR⁃27b⁃3p、rno⁃miR⁃298⁃5p、rno⁃miR⁃320⁃3p、rno⁃miR⁃330⁃3p、rno⁃miR⁃322⁃3p、rno⁃miR⁃23a⁃3p、rno⁃miR⁃141⁃3p等,42个表达下调,如rno⁃miR⁃224⁃3p、rno⁃miR⁃3577、rno⁃miR⁃124⁃5p、rno⁃miR⁃873⁃3p等,见图8
图8 肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组和肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组肾小管细胞外泌体差异表达miRNA分析
注:以|log2(差异倍数)|>1且P<0.05视为差异表达miRNA;A:差异基因火山图;B:差异基因聚类图;NC:肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组;IPC:肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组;蓝色代表下调,红色代表上调

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5. IPC组和NC组肾小管细胞外泌体GO富集分析:IPC组和NC组在生物过程、细胞组成和分子功能等过程存在显著差异,选取每个类别最显著的两个词条,发现其共同靶基因为PIK3C2APIK3CAPIK3CBPIK3CDPIK3C2GAKT1mTORRheb等,见图9表3。在共同靶基因中,PIK3CAPIK3CBPIK3CD是PIK3家族I型催化亚基,PIK3C2APIK3C2G是PIK3家族Ⅱ型亚基,参与PI3K信号转导活化;AKT1基因是PI3K信号传导途径中的关键下游调节因子;mTOR基因参与PI3K/AKT/mTOR信号通路调控;Rheb是鸟苷酸结合蛋白Ras超家族中的一员,参与调节mTOR信号通路。
图9 缺血预处理组和肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组肾小管细胞外泌体GO富集分析
注:A:生物过程;B:细胞组成;C:分子功能

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表3 肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组和肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组肾小管细胞外泌体GO富集分析 (与肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组比较)
编号 词条 差异表达基因数 P 部分靶基因
GO:0008152 代谢过程 5 177 <1.0×10-30 AKT1mTORPIK3C2APIK3C2GPIK3C3PIK3CAPIK3CBPIK3CD
GO:0071704 有机物代谢过程 4 961 <1.0×10-30 AKT1mTORPIK3C2APIK3C2GPIK3C3PIK3CAPIK3CBPIK3CD
GO:0005622 细胞内 6 458 <1.0×10-30 AKT1mTORPIK3C2APIK3C2GRhebPIK3CAPIK3CBPIK3CD
GO:0044424 细胞内部分 6 455 <1.0×10-30 AKT1mTORPIK3C2APIK3C2G、RhebPIK3CAPIK3CBPIK3CD
GO:0005488 结合物 5 857 3.7×10-20 AKT1mTORPIK3C2APIK3C2GRhebPIK3CAPIK3CBPIK3CD
GO:0005515 蛋白结合物 3 845 2.4×10-20 AKT1mTORPIK3C2APIK3C2GRhebPIK3CAPIK3CBPIK3CD
6. IPC组和NC组肾小管细胞外泌体KEGG富集分析:采用散点图对KEGG富集分析结果进行图形化展示,发现两组在PI3K/AKT 信号通路和mTOR信号通路均有显著性富集,见图10。显著富集的 KEGG条目信息列表中,PI3K/AKT信号通路涉及基因包括PIK3R5PIK3CAPIK3CBAKT1等,mTOR信号通路涉及基因包括AKT1PIK3CDPIK3R2等,见表4
图10 肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组和肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组肾小管细胞外泌体差异性靶基因KEGG分析(P值最小的20个通路条目)
注:PI3K:磷脂酰肌醇3激酶;AKT:蛋白激酶B;mTOR:雷帕霉素靶蛋白;EGFR:表皮生长因子受体;纵坐标表示富集到的通路名称;横坐标表示富集因子,指该通路中富集到的差异基因个数与注释基因个数的比值,富集因子越大表示富集的程度越小;点的大小表示此通路中差异表达对应靶基因个数;点的颜色对应于不同的P值范围,颜色由绿到红表示P值由低到高,即富集的显著性程度由高到低

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表4 肾缺血再灌注损伤+缺血预处理外泌体组和肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组肾小管细胞外泌体差异表达miRNA靶基因KEGG分析(与肾缺血再灌注损伤+常氧外泌体组比较)
编号 说明 Q值 基因(部分)
rno04151 PI3K/AKT信号通路 1.05×10-10 PIK3R5、PIK3CA、PIK3CB、AKT1
rno04150 mTOR信号通路 6.12×10-7 PIK3CA、AKT1、Rheb、PIK3CD、PIK3R2

三、 讨论

RIRI临床上常见于急性肾损伤和肾移植术后,其主要发病机制包括细胞凋亡、炎症损伤、氧化应激、细胞内钙超载和1。PI3K/AKT信号通路是经典的促增殖抗凋亡通路,mTOR是其下游效应蛋白,该通路调节细胞增殖、分化、凋亡及自噬2。肾小管上皮细胞来源外泌体向损伤的分化细胞传递关键信号,启动并调控细胞增殖和修复3。处于正常、炎症或缺氧状态下,肾小管上皮细胞外泌体miRNA呈现差异性表达4
本研究结果发现,建立RIRI大鼠模型后,与Sham组比较,RIRI组PI3K/AKT/mTOR信号通路相关基因及蛋白表达水平下调,大鼠肾组织及肾功能明显受损,从侧面提示PI3K/AKT/mTOR信号通路在RIRI修复中的潜在保护作用。其次,在RIRI大鼠模型基础上,分别给予不同外泌体干预后,与NC组比较,IPC组PI3K/AKT/mTOR信号通路相关基因和蛋白表达升高,肾功能指标改善,肾组织损害减轻,表明IPC外泌体以及PI3K/AKT/mTOR信号通路表达水平升高可有效减轻大鼠RIRI。最后,对NC组和IPC组大鼠肾小管上皮细胞进行miRNA差异表达分析,发现miRNA靶基因富集在PI3K/AKT信号通路和mTOR信号通路。研究结果提示,IPC肾小管细胞来源外泌体通过肾组织miRNA差异性表达,上调PI3K/AKT/mTOR信号通路表达水平,减轻大鼠RIRI。
IPC肾小管细胞来源外泌体通过miRNA表达调控PI3K/AKT/mTOR信号通路在减轻RIRI中的可能机制如下:(1)抑制细胞凋亡:肾小管上皮细胞缺血缺氧损伤是导致急性肾损伤的重要原因,其主要病变是肾小管上皮细胞的坏死和凋亡。外泌体中大量不同的miRNA可以抑制PI3K/AKT的上游抑制性蛋白,从而激活PI3K/AKT信号通路,介导mTOR表达,负性调节细胞自噬,抑制细胞凋亡。在Sun等5研究中,来自低氧预处理的脐带细胞分泌的外泌体,通过miR⁃486⁃5p可以激活PI3K/AKT通路,起到抗凋亡作用,给予PI3K特异性抑制剂则抑制了抗凋亡作用,从而证实外泌体可通过调控PI3K/AKT信号通路,起到抗凋亡作用。本研究观察到,IPC组外泌体经缺氧预处理后,miRNA呈现差异性表达,PI3K/AKT/mTOR信号通路表达水平上调,肾小管细胞凋亡减少,肾功能指标改善。(2)减轻炎症损伤:RIRI过程中,在缺血缺氧阶段,炎性反应开始迅速启动,并产生级联放大效应而造成肾脏损伤。RIRI后,miR⁃21水平显著升高,激活PI3K/AKT通路,从而抑制RIRI过程中炎性因子的产生,减轻肾脏损伤6。miR⁃26a通过抑制肾血管内炎性因子表达,产生一定的抗炎作用,经慢病毒转染miR⁃26a基因的小鼠7在RIRI后可以抑制炎性因子产生并刺激调节性T细胞生成,减轻肾脏炎性反应,促进RIRI后肾功能的恢复。本研究中IPC组rno⁃miR⁃21⁃3p、rno⁃miR⁃26a⁃5p等56个miRNA表达上调,IPC组和NC组肾小管细胞外泌体GO富集分析发现共同靶基因与PI3K/AKT/mTOR信号通路相关,KEGG富集分析发现在PI3K/AKT信号通路和mTOR信号通路均有显著性富集,IPC组PI3K/AKT/mTOR信号通路表达水平升高,肾脏病理损伤明显减轻,提示IPC外泌体以及PI3K/AKT/mTOR信号通路在减轻大鼠RIRI中能发挥调控作用。
总之,RIRI病程中,IPC肾小管细胞来源外泌体致肾组织miRNA差异性表达,使PI3K/AKT/mTOR信号通路表达增强,在减轻大鼠RIRI的机制中发挥重要作用。

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脚注

http://journal.yiigle.com/LinkIn.do?linkin_type=cma&DOI=10.3760/cma.j.cn441217-20231006-01004

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陈家辉、张燕子:研究设计与实施、论文撰写;张艾莎、隋晓露、许云鹏、谢婷妃:数据整理、统计学分析;陈继红:研究设计与实施、研究指导、论文修改、经费支持

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