氨气暴露通过lncGRN/miR-6615-5p调控SMAD7诱导鸡胸腺细胞凋亡的研究

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氨气是集约化养殖厂有刺激性气味的污染气体之一,家禽较反刍动物有更高的敏感性,氨气降低鸡的生产性能,甚至导致鸡的死亡,严重威胁家禽和养殖人员的健康。畜牧生产过程产生的氨气也是大气污染物的重要来源,大气中氨气导致的环境和健康风险,已经成为环境及健康风险评估的主要指标之一。因此迫切需要研究鸡氨气中毒的机理,加深对氨气暴露生物学作用机理的认识,为鸡氨气中毒的防治提供理论依据。本研究通过体内胸腺组织和体外鸡胸腺淋巴细胞、脾脏淋巴细胞两部分来研究氨暴露对鸡免疫器官细胞凋亡的影响。体内试验中,80只1日龄肉鸡,随机分为两组,每组40只,分别为对照组(NH3浓度,0-6周为5 mg/m3)和氨气处理组(高NH3浓度,0-3周为20 mg/m3,4-6周为45 mg/m3),氨气浓度的设定依据国家畜禽场环境质量标准(NY/T388-1999)而定,处理组雏鸡氨气暴露浓度是国家畜禽场环境质量标准的2倍,成鸡氨气暴露浓度是国家畜禽场环境质量标准的3倍。氨气暴露42 d后,分离出胸腺组织,用于显微结构和超微结构观察、TUNEL法检测细胞凋亡、全转录组学测序、蛋白质组学定量分析以及后续mRNA以及蛋白分析检测;双荧光素酶报告基因检测系统验证miR-6615-5p与SMAD7、lncGRN与miR-6615-5p的靶向结合;体外实验通过原代培养鸡胸腺淋巴细胞和脾脏淋巴细胞,以氯化铵为氨气的替代物体外模拟氨气暴露的环境,通过CCK-8检测确定氯化铵染毒浓度,AO/EB染色观察细胞凋亡情况、流式细胞术分析淋巴细胞凋亡、荧光显微镜观察线粒体膜电位的变化、钙离子荧光探针检测线粒体内钙离子变化、ROS荧光探针检测细胞内活性氧的变化,结合实时荧光定量PCR和免疫蛋白印记法验证氨暴露时抗氧化酶(GPx和GST4)、炎性细胞因子(HO-1、NF-κβ、COX-2、iNOS、TNF-α、TGF-β、IL-1β、IL-2、IL-4、IL-6、IL-8、IL-10和IL-12)、凋亡相关基因(BCL-2、BAX、BAK、Cytc、APAF1、Caspase-9和Caspase-3)等mRNA和蛋白表达水平的变化,过表达和敲低转染检测miR-6615-5p对凋亡通路的影响。结果表明:(1)氨暴露导致胸腺组织形态学发生改变,胸腺组织发生炎性损伤、血管内皮细胞增生、炎性细胞浸润,凋亡小体增多;细胞核固缩,染色质凝集,线粒体肿胀、空泡化,细胞凋亡。体外培养胸腺淋巴细胞和脾脏淋巴细胞,氨暴露导致淋巴细胞细胞凋亡率升高,并随着浓度的增加,凋亡水平上升。TUNEL法检测凋亡率结果显示氨气处理组为13.46%与对照组3.20%相比较差异显著(P<0.05)。(2)全转录组学分析结果显示circRNA、lncRNA、miRNA和mRNA参与了氨气暴露的应激反应。通过生物信息学分析揭示了差异基因参与氧化应激、炎症和凋亡过程等过程。ceRNA联合分析存在lncGRN-miR-6615-5p-SMAD7调控网络,通过qRT-PCR和Western blot验证在体内胸腺组织和体外脾脏淋巴细胞该通路的存在。转录组学基因热图显示氨气暴露后与氧化应激、细胞因子和细胞凋亡相关基因发生差异表达。蛋白组学结果分析显示差异蛋白的功能与凋亡过程、氧化应激、炎症和免疫应答密切相关。差异蛋白Q5F3P4、E1BXY6、E1C765和Q5ZMR6的表达与凋亡相关基因BCL-2、Caspase-9和Caspase-3密切相关,差异蛋白的基因在调控线粒体途径凋亡中起到重要的作用。(3)双荧光素酶报告基因检测证实miR-6615-5p与SMAD7、lncGRN与miR-6615-5p之间存在靶向结合关系。在原代培养的脾脏淋巴细胞内转染miR-6615-5p进行过表达和敲低,结果显示过表达组淋巴细胞内miR-6615-5p表达显著升高,靶基因SMAD7 mRNA和蛋白表达水平下降,敲低组淋巴细胞内靶基因SMAD7 mRNA和蛋白水平表达增加。(4)通过验证氨中毒模型鸡胸腺组织和淋巴细胞中抗氧化酶活性,结果显示氨暴露在体内胸腺组织中抑制GPx和GST的mRNA表达,抑制GPx的蛋白表达;在体外淋巴细胞氨暴露ROS产生增多,抑制GPx和GST的mRNA表达,抑制GPx的蛋白表达。(5)通过检测炎性细胞因子的变化,发现氨气暴露诱导了体内胸腺组织中炎性细胞因子HO-1、NF-κB、COX-2和iNOS的mRNA表达,抑制了TGF-β的mRNA表达;诱导了白介素IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8和IL-12的mRNA表达,抑制了IL-10的mRNA表达;诱导了HO-1、NF-κB和iNOS的蛋白表达。体外氨暴露诱导了脾脏淋巴细胞中细胞因子HO-1、NF-κB、COX-2和TGF-β的mRNA表达,抑制了iNOS的mRNA表达;诱导了HO-1和NF-κB的蛋白表达,抑制iNOS的蛋白表达。(6)氨暴露后,胸腺淋巴细胞和脾脏淋巴细胞中线粒体膜电位下降和线粒体钙离子含量升高,ROS活力升高,随着浓度增加作用越明显。通过检测凋亡相关基因的变化,发现氨暴露体内胸腺组织中抑制了BCL-2的mRNA和蛋白表达;诱导了BAX、BAK、Cytc、APAF1、Caspase-8、Caspase-9和Caspase-3的mRNA表达;诱导了BAX、Cytc、Caspase-8、Caspase-9和Caspase-3的蛋白表达。体外脾脏淋巴氨暴露时,抑制了BCL-2的mRNA和蛋白表达;诱导了BAX、BAK、Cytc、APAF1、Caspase-8、Caspase-9和Caspase-3的mRNA表达;诱导了BAX、Cytc、Caspase-8、Caspase-9和Caspase-3的蛋白表达。miR-6615-5p过表达转染时,靶基因SMAD7表达下降,线粒体途径的凋亡相关基因BAX、BAK、Cytc、APAF1、Caspase-9和Caspase-3基因mRNA表达上升,BCL-2 mRNA表达下降。miR-6615-5p过表达诱导淋巴细胞发生细胞凋亡。结论:本研究应用全转录组学和蛋白组学分析技术筛选、鉴定氨气暴露鸡胸腺组织差异表达基因,通过生物信息学分析揭示了差异基因和蛋白参与氧化应激、炎症和凋亡过程等多个生理和病理过程。荧光素酶实验证实miR-6615-5p与SMAD7、lncGRN与miR-6615-5p之间存在靶向结合关系。lncGRN作为ceRNA通过miR-6615-5p调节SMAD7的表达。氨气暴露通过lncGRN/miR-6615-5p调控SMAD7诱导鸡胸腺细胞凋亡。体内和体外实验证实了氨暴露诱导鸡胸腺组织和淋巴细胞发生氧化应激、炎症反应和细胞凋亡,氨暴露通过线粒体途径诱发凋亡。丰富了氨气暴露生物学作用机理的认识,为鸡氨气中毒防治提供参考。
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