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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
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(张作记)
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