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·临床研究· 帕金森病患者外周血白细胞中时钟基因 Bmal1 Bmal2 的表达 林庆玲 蔡彦宁 袁艳鹏 左晓虹 陈彪 DOI 10.3760/cma.j.issn.1674-6554.2011.07.004 基金项目:国家重点基础研究“ 973 ”发展计划( 2006CB500701 2006CB943703 2007CB947704 );国家自然科学基金( 81071011 30400148 30430280 作者单位: 100053 北京,首都医科大学宣武医院神经生物学研究 室,教育部神经变性病重点实验室(林庆玲、蔡彦宁、袁艳鹏左晓虹); 首都医科大学宣武医院老年病研究所神经生物学研究室,教育部神经 变性病学重点实验室(陈彪) 通信作者:蔡彦宁, Email yanningcai@yahoo.com 【摘要】目的 研究帕金森病患者时钟基因的表达,探讨帕金森病的分子时钟机制。方法 实验对 象为 17 例帕金森病( PD )患者( 例男性, 例女性)和 16 例正常人对照( 例男性, 例女性),分别在夜间 21∶00 00∶00 06∶00 09∶00 四个时间点取血样,用实时定量 RTPCR检测时钟基因 Bmal1 Bmal2 mRNA表达水平。结果 PD患者中, Bmal1 21∶00 00∶00 06∶00 的表达水平与正常对照差异具有显著 性: 21∶00 [( 22.17±4.09 ),( 51.14±8.31 ), =0.003 ]; 00∶00 [( 30.30±5.45 ),( 100.00±24.71 ), 0.008 ]; 06∶00 [( 19.02±3.33 ),( 65.61±14.11 ), =0.002 ]。Bmal2 21∶00 00∶00 的表达水平与正常 对照差异有显著性: 21∶00 [( 48.09±7.40 ),( 84.96±9.34 ), =0.005 ]; 00∶00 [( 65.85±7.88 ),( 100.00 ±11.78 ), =0.025 ]。结论 PD患者的周围分子时钟发生了改变。PD患者时钟基因 Bmal1 Bmal2 外周血的相对表达水平明显减低,为疾病监控和研究疾病对药物的反应性提供分子基础。 【关键词】 Bmal1 Bmal2 ; 昼夜节律; 白细胞; 帕金森病 ExpressionofclockgenesBmal1andBmal2intotalleukocytesinhealthandParkinson sdisease LIN Qingling CAIYanning YUANYanpeng ZUOXiaohong CHENBiao.DepartmentofNeurobiology BeijingIn stituteofGeriatric XuanwuHospital CapitalMedicalUniversity Beijing100053 China Abstract Objective TostudytheexpressionofclockgenesinParkinson'sdisease PD andalsothe molecularclockmachineryofPD. Methods SeventeenPDpatients ninemen eightwomen andsixteenage matchedcontrols ninemen sevenwomen wereinvestigatedinthisstudy.Bloodsampleswerecollectedovera 12hspanat21∶00 00∶00 06∶00and09∶00.UsingarealtimePCRassay theperipheralmolecularclockwas examinedbymeasuringBmal1andBmal2expressionintotalleukocytesduringthedarkspan from21∶00to09∶ 00 inPDpatientsandagematchedhealthycontrols. Results AtPD therelativeabundanceofBmal1wassig nificantlylowerat21∶00 00∶00and06∶00 21∶00 :( 22.17±4.09 vs 51.14±8.31 ), =0.003 00∶00 30.30±5.45 vs 100.00±24.71 ), =0.008 06∶00 :( 19.02±3.33 vs 65.61±14.11 ), =0.002 TherelativeBmal2levelsinPD patientsweresignificantlylessabundantthancontrolsat21∶00and00∶00 21∶00 :( 48.09±7.40 vs 84.96±9.34 ), =0.005 00∶00 :(( 65.85±7.88 vs 100.00±11.78 ), 0.025 Conclusion TheseresultssuggestthataperipheralmolecularclockisalteredinPDpatients.Inaddi tion therelativeabundanceofBmal1andBmal2wassignificantlylowerinPDpatientsversuscontrolsubjects whichcanprovideamolecularbasistohelpmonitordiseaseprogressionandresponsetoinvestigationaldrugs. Keywords Bmal1 Bmal2 Circadianrhythm Totalleukocytes Parkinson sdisease 研究表明,昼夜节律的改变和帕金森病( Parkin son sdisease PD )密切相关 。首先,帕金森病患者 的症状存在昼夜波动。PD患者的运动症状在下午和 傍晚加重。其次, PD患者的生理性昼夜节律也受到影 响。PD患者的体温明显低于正常人且存在调节障碍。 激素分泌的节律性亦发生改变 12 。再次, PD患者中 还常见与昼夜节律密切相关的抑郁和睡眠紊乱 34 昼夜节律( circadianrhythms )由一系列时钟基因所控 制。在时钟基因网络中,转录因子 Bmal1 Clock 正向通路的核心。Bmal1 Clock 结合成异源二聚体, 激活 Per 基因和 Cry 基因的表达。继而, PER CRY蛋白形成复合体进入细胞核,抑制 Bmal1/ Clock 二聚 体 的 活 性,构 成 反 馈 的 负 向 环 路。 此 外, Reverb α 编码的 REVERB α可抑制 Bmal1 的转录,形 成另一反馈环路。所有参与时钟网络的基因都被称为 时钟基因,其表达水平昼夜波动,并决定了各种组织、 细胞中功能水平的昼夜节律 。时钟基因中, Bmal1 是其中最核心的转录因子, Bmal1 敲除的小鼠丧失昼 夜节律 。研究表明, Bmal2 Bmal1 为同源基因,能 部分替代 Bmal1 功能 。因此 Bmal2 也是调控昼夜 节律的核心。最近的研究表明,帕金森患者的抑郁、睡 眠紊乱、体温节律变化、激素分泌等与昼夜节律密切相 14 。因此,测定 Bmal1 Bmal2 的表达有利于分析 PD患者昼夜节律的变化。本研究利用实时荧光 PCR · · 中华行为医学与脑科学杂志 2011 月第 20 卷第 ChinJBehavMed&BrainSci July2011 Vol.20 No.7

·临床研究· 帕金森病患者外周血白细胞中时钟基因 和 Bmal2的表达old.xwyx.cn/pdfqw/201107/201107004.pdf · 室,教育部神经变性病重点实验室(林庆玲、蔡彦宁、袁艳鹏左晓虹);

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·临床研究·

帕金森病患者外周血白细胞中时钟基因

Bmal1和 Bmal2的表达林庆玲 蔡彦宁 袁艳鹏 左晓虹 陈彪

DOI:10.3760/cma.j.issn.1674-6554.2011.07.004基金项目:国家重点基础研究“973”发展计划(2006CB500701,

2006CB943703,2007CB947704);国 家 自 然 科 学 基 金 (81071011,30400148,30430280)

作者单位:100053北京,首都医科大学宣武医院神经生物学研究室,教育部神经变性病重点实验室(林庆玲、蔡彦宁、袁艳鹏 左晓虹);

首都医科大学宣武医院老年病研究所神经生物学研究室,教育部神经

变性病学重点实验室(陈彪)

通信作者:蔡彦宁,Email:yanningcai@yahoo.com

【摘要】 目的 研究帕金森病患者时钟基因的表达,探讨帕金森病的分子时钟机制。方法 实验对

象为 17例帕金森病(PD)患者(9例男性,8例女性)和 16例正常人对照(9例男性,7例女性),分别在夜间21∶00、00∶00、06∶00和 09∶00四个时间点取血样,用实时定量 RTPCR检测时钟基因 Bmal1和 Bmal2的mRNA表达水平。结果 PD患者中,Bmal1在 21∶00、00∶00、06∶00的表达水平与正常对照差异具有显著性:21∶00[(22.17±4.09),(51.14±8.31),P=0.003];00∶00[(30.30±5.45),(100.00±24.71),P=0.008];06∶00[(19.02±3.33),(65.61±14.11),P=0.002]。Bmal2在 21∶00、00∶00的表达水平与正常对照差异有显著性:21∶00[(48.09±7.40),(84.96±9.34),P=0.005];00∶00[(65.85±7.88),(100.00±11.78),P=0.025]。结论 PD患者的周围分子时钟发生了改变。PD患者时钟基因Bmal1和 Bmal2在外周血的相对表达水平明显减低,为疾病监控和研究疾病对药物的反应性提供分子基础。

【关键词】 Bmal1; Bmal2; 昼夜节律; 白细胞; 帕金森病

ExpressionofclockgenesBmal1andBmal2intotalleukocytesinhealthandParkinson’sdisease LINQingling,CAIYanning,YUANYanpeng,ZUOXiaohong,CHENBiao.DepartmentofNeurobiology,BeijingInstituteofGeriatric,XuanwuHospital,CapitalMedicalUniversity,Beijing100053,China

【Abstract】 Objective TostudytheexpressionofclockgenesinParkinson'sdisease(PD)andalsothemolecularclockmachineryofPD.Methods SeventeenPDpatients(ninemen,eightwomen)andsixteenagematchedcontrols(ninemen,sevenwomen)wereinvestigatedinthisstudy.Bloodsampleswerecollectedovera12hspanat21∶00,00∶00,06∶00and09∶00.UsingarealtimePCRassay,theperipheralmolecularclockwasexaminedbymeasuringBmal1andBmal2expressionintotalleukocytesduringthedarkspan(from21∶00to09∶00)inPDpatientsandagematchedhealthycontrols.Results AtPD,therelativeabundanceofBmal1wassignificantlylowerat21∶00,00∶00and06∶00(21∶00:(22.17±4.09)vs(51.14±8.31),P=0.003,00∶00:(30.30±5.45)vs(100.00±24.71),P=0.008,06∶00:(19.02±3.33)vs(65.61±14.11),P=0.002).TherelativeBmal2levelsinPDpatientsweresignificantlylessabundantthancontrolsat21∶00and00∶00(21∶00:(48.09±7.40)vs(84.96±9.34),P=0.005;00∶00:((65.85±7.88)vs(100.00±11.78),P=0.025).Conclusion TheseresultssuggestthataperipheralmolecularclockisalteredinPDpatients.Inaddition,therelativeabundanceofBmal1andBmal2wassignificantlylowerinPDpatientsversuscontrolsubjects,whichcanprovideamolecularbasistohelpmonitordiseaseprogressionandresponsetoinvestigationaldrugs.

【Keywords】 Bmal1; Bmal2; Circadianrhythm; Totalleukocytes; Parkinson’sdisease

研究表明,昼夜节律的改变和帕金森病(Parkinson’sdisease,PD)密切相关[1]。首先,帕金森病患者

的症状存在昼夜波动。PD患者的运动症状在下午和傍晚加重。其次,PD患者的生理性昼夜节律也受到影响。PD患者的体温明显低于正常人且存在调节障碍。激素分泌的节律性亦发生改变[12]。再次,PD患者中还常见与昼夜节律密切相关的抑郁和睡眠紊乱[34]。

昼夜节律(circadianrhythms)由一系列时钟基因所控

制。在时钟基因网络中,转录因子 Bmal1和 Clock是正向通路的核心。Bmal1和Clock结合成异源二聚体,激活3种Per基因和2种Cry基因的表达。继而,PER和 CRY蛋白形成复合体进入细胞核,抑制 Bmal1/Clock二聚体的活性,构成反馈的负向环路。此外,Reverbα编码的 REVERBα可抑制 Bmal1的转录,形成另一反馈环路。所有参与时钟网络的基因都被称为

时钟基因,其表达水平昼夜波动,并决定了各种组织、

细胞中功能水平的昼夜节律[5]。时钟基因中,Bmal1是其中最核心的转录因子,Bmal1敲除的小鼠丧失昼夜节律[6]。研究表明,Bmal2和Bmal1为同源基因,能部分替代 Bmal1功能[7]。因此 Bmal2也是调控昼夜节律的核心。最近的研究表明,帕金森患者的抑郁、睡

眠紊乱、体温节律变化、激素分泌等与昼夜节律密切相

关[14]。因此,测定Bmal1和Bmal2的表达有利于分析PD患者昼夜节律的变化。本研究利用实时荧光PCR,

·685· 中华行为医学与脑科学杂志2011年7月第20卷第7期 ChinJBehavMed&BrainSci,July2011,Vol.20,No.7

检测 PD患者和正常对照外周血白细胞中 Bmal1、Bmal2基因12h内(从21∶00到09∶00)的表达变化。分析PD患者的昼夜节律系统是否发生改变,探讨 PD患者昼夜节律分子时钟的变化,为研究 PD提供新的视角,更好的阐明PD各种症状的节律波动。

对象与方法

一、对象

为2009年10月11日至2010年3月23日首都医科大学宣武医院运动障碍中心 PD病人,共有17例(9例男性,8例女性)。所有的17例病人均由专家根据英国PD协会临床诊断标准诊断[8]。并签署了知情

同意书。平均年龄为(62.2±2.8)岁。PD患者中 4例从未用药,另外13例接受平均剂量的左旋多巴(310±58.6)mg(范围:100~700mg)治疗。16例(9例男性,7例女性)性别和年龄基本匹配的正常人从当地社区招募。除外精神神经疾患及脑外伤、脑手术等病史,

除外影响步行的视觉障碍、痴呆、运动困难。经临床及

磁共振检查为健康者。平均年龄为(57.8±1.1)岁。本研究得到宣武医院伦理中心的同意。

二、方法

1.受试者实验处理:受试者采取规律的一日三餐,早餐时间07∶00到08∶00,午餐时间11∶30到12∶30,晚餐时间19∶00左右。约22∶00开始睡眠,起床时间约为06∶30。在实验前1周和实验期间,所有的受试者都未饮酒和喝咖啡。血样的采集在夜间12h内,分别在21∶00、00∶00、06∶00和09∶00。所有的受试者按照日常规律生活,除了在睡眠障碍实验室采集血样的整

夜。睡眠期间实验照明保持在小于10lux,并且整晚周围环境温度保持在(23±1)°C。留置导管放置在前臂静脉12h,血样在指定的时间采集,并收入静脉真空采血管 (PAXgeneBloodRNAtube,Qiagen,Alameda,CA,USA)。2.RNA提取:根据PAXgeneBloodRNAkit手册提

取全血RNA,经DNA酶 RQ1(Promega,Madison,WI,USA)处理去除可能的DNA污染。3.反转录和定量 PCR:用 SuperScriptⅡ逆转录酶

(Invitrogen,Carlsbad,CA,USA)逆转录产生 cDNA。BMAL1,BMAL2和18sRNA(管家基因)表达水平通过实时荧光定量聚合酶链式反应检测(RTPCR),实验方法参照文献[910]。管家基因18s为内参。扩增引物在生工生物工程(上海)有限公司合成。见表1。4.统计处理:每个时间点的数据以均数 ±标准误

(SEM)表示。采用SPSS13.0统计软件对所有数据进行分析。正常对照组中 mRNA水平的最大值定为100。Bmal1、Bmal2同一时间点相对丰度两两之间的比较采用t检验。

表1 RTPCR反应体系中所用引物列表

基因 Forward(5′3′) Reverse(5′3′)

BMAL1 CTCCAGCCCATTGAACATC GCCTCATCATTACTGGGACTBMAL2 GGGGAGCTAGAGGCTACCAG CATCATTGTCACATAGGGCATC18S TTCGGAACTGAGGCCATGAT TTTCGCTCTGGTCCGTCTTG

注:表示其他基因的表达水平与其相比较得相对丰度

结 果

检测每个时间点受试者 Bmal1和 Bmal2的表达丰度得出每组Bmal1、Bmal2各时间点相对平均水平。09:00h样本中,10例正常对照的 mRNA质量差,不适合做RTPCR,故剔除。因此,对于PD患者组,每个时间点获得17个PD患者数据(总数为68)。对于正常对照组,21∶00、0∶00、06∶00得到 16个正常人数据,09∶00获得6个正常人数据(总数为54)。t检验显示,在21∶00、00∶00、06∶00,Bmal1在 PD患者比在正常人表达明显减少。在21∶00、00∶00,Bmal2在 PD患者中比在正常人中表达明显减少。见表2。

表2 帕金森病人和正常对照外周白细胞各时间点

时钟基因表达相对水平

基因 时间 例数 帕金森病人组 例数 对照组 P值

Bmal1 21:00 17 22.17±4.09 16 51.14±8.31 0.00300∶00 17 30.30±5.45 16 100.00±24.71 0.00806∶00 17 19.02±3.33 16 65.61±14.11 0.00209∶00 17 41.67±7.51 6 49.74±12.71 0.585

Bmal2 21:00 17 48.09±7.40 16 84.96±9.34 0.00500∶00 17 65.85±7.88 16 100.00±11.78 0.02506∶00 17 58.55±12.56 16 81.56±9.49 0.14809∶00 17 69.94±14.69 6 79.23±11.68 0.707

注:用各个时间点,每个样品Bmal1,Bmal2的表达量与相应的18s(管家基因)mRNA的比值计算得其相对丰度。对照组中最大 mRNA定为100.同一时间点两组间采用非配对双尾 t检验得 P值,P<0.05则两组差异有统计学意义

讨 论

研究发现,在21∶00、00∶00、06∶00,Bmal1在 PD患者中比在正常人中表达明显减少。在 21∶00、00∶00,Bmal2在PD患者中比在正常人中表达亦明显减少。结果表明,PD患者全血白细胞分子时钟发生显著变化。

更多的证据表明,多巴胺系统和昼夜节律存在紧

密联系。一方面,黑质酪氨酸羟化酶是多巴胺合成的

限速酶,受分子时钟的控制[11]。这导致纹状体多巴胺

分泌的日周期振荡[12]。这些都说明多巴胺系统受昼

夜节律的调控。另一方面,多巴胺通过受体依赖途径

调控时钟基因的表达[13]。并且,多巴胺调节 BMAL1/CLOCK异源二聚体的活性。BMAL1/CLOCK异源二聚体在分子时钟机制中发挥重要的作用[14]。这些表

明分子时钟调控中反馈环路的存在。而且,多巴胺可

以调节视网膜时钟时相和振幅[15]。因此,多巴胺的缺

乏很可能导致大脑和外周分子时钟的改变。

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值得注意的是,本研究检测了外周全血白细胞

(包含淋巴细胞)分子时钟的表达。因为,淋巴细胞的

很多方面受昼夜节律的控制,如 B细胞发育、NK细胞功能和细胞因子的释放[16]。推测免疫系统的昼夜节

律在PD中发生改变。的确,T细胞群体,NK细胞的比例以及一些细胞因子的表达在 PD患者都发生了改变[17]。为什么免疫系统中PD相关的改变与分子的不协调有关还是未知的。

激活多巴胺D2受体可以调节纹状体时钟基因的表达。多巴胺可以调节小鼠背侧纹状体时钟基因

PER2的表达[18]。但没有直接证据证明多巴胺对 PD患者 Bmal1和 Bmal2的影响。目前的研究发现,BMAL1在00:00和06:00的相对表达水平未服药 PD患者(4例)比正常人(16例)明显低;而在未服药 PD患者(4例)和药物治疗 PD患者(13例)之间没有区别。这些观察表明分子的不协调是 PD自身所致,更深的研究需要更多的未用药患者的加入。

本研究为研究 PD提供了新的视角,并且 BMAL1和BMAL2在全血白细胞的相对表达水平也许可以作为PD严重性的标识物。这可以帮助判断疾病的进程和研究药物的反应性。

参 考 文 献

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(收稿日期:2011-03-11)(本文编辑:戚厚兴)

·读者·作者·编者·

《中华行为医学与脑科学杂志》栏目简介:心理行为评估

本栏目主要刊登心理行为评估、各种心理行为治疗方法的研究:

1.心理、行为测量及诊断方法、技术的研究(智力测验、人格测验、神经心理学检查等)。2.行为医学常用评定工具(量表编制)的理论研究(评估内容、手段、形式;编制方法、常模、信度、效度、标准

化问题等)。

3.生活质量评定理论和方法的研究(理论构思、编制原则、研究维度、方法等)。4.心理咨询技术(心理会谈、咨询技术、检验负性自动想法技术、识别功能失调性假设技术等)的研究。5.精神分析技术(释梦、自由联想、移情、解释、精神宣泄等技术)。6.传统行为治疗方法研究(满灌疗法、系统性脱敏疗法、交互抑制疗法、厌恶疗法、操作性行为改造等)。7.认知治疗(理性情绪治疗、自我指导训练、Beck认知治疗、问题解决疗法等)。8.生物反馈技术(肌电反馈、皮温反馈、皮电反馈、心率和血压反馈、脑电反馈等)。

(张作记)

·885· 中华行为医学与脑科学杂志2011年7月第20卷第7期 ChinJBehavMed&BrainSci,July2011,Vol.20,No.7