论文解读:结肠炎也是因为生物钟出错?

【字体: 时间:2018年10月30日 来源:生物通

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  暨南大学药学院的吴宝剑教授及其团队近日对生物钟调控结肠炎的机制进行了研究,发现Rev-erbα通过对NF-κB/Nlrp3轴的调控作用将生物钟与结肠炎相关联。

  

哺乳动物生理和行为的许多方面都受到生物钟的影响。生物钟一旦遭到破坏,就可能引发各种疾病,如癌症和代谢紊乱。其实,身体除了需要大脑中的主生物钟之外,还需要存在于肝脏、胰脏等器官和脂肪组织中的局部生物钟。

REV-ERBα作为生物钟基因,其缺失会导致小鼠昼夜节律(生物钟)的破坏。同时,它还调节了代谢基因的表达,从而将昼夜节律与细胞代谢相关联。因此,REV-ERBα参与控制了各种生理过程,包括细胞分化、脂质代谢、线粒体生物合成和炎症,成为癌症、血脂异常和炎症性疾病的潜在治疗靶点。

溃疡性结肠炎(UC)是炎症性肠病的一种,其发病原因尚不明确。据报道,生物钟的破坏会增加炎症性肠病的发病风险。同时,昼夜扰动也可能改变肠道微生物群,引起炎症性肠病。然而,生物钟调控结肠炎和微生物群的机制在很大程度上仍然是未知的。

为此,暨南大学药学院的吴宝剑教授及其团队对生物钟调控结肠炎的机制进行了研究,发现Rev-erbα通过对NF-κB/Nlrp3轴的调控作用将生物钟与结肠炎相关联。这一成果于近期发表在《Nature Communications》杂志上。

生物钟破坏加剧了结肠炎

首先,研究团队探索了结肠生物钟与葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的结肠炎之间的关系。结果表明,DSS诱导的结肠炎在小鼠结肠中引起了基因组范围的基因失调。差异表达基因(DEG)的通路分析揭示了除炎症通路之外的生物钟系统的明显富集,说明出现结肠炎相关的生物钟失调。事实上,多个时钟基因的失调,包括Nr1d1/Rev-erbα、Clock、Bmal1、Per2、Cry1、Npas2、Nr1d2/Rev-erbβ、Rorα和Dbp。

之后,研究人员观察了昼夜节律破坏对实验性结肠炎发展的影响。首先,他们检查了时差(即生物钟的生理破坏)对结肠炎发展的影响。与正常小鼠相比,时差小鼠对DSS诱导的结肠炎更敏感。其次,他们还检查了Bmal1敲除(即生物钟的遗传破坏)的影响。与时差小鼠相似,Bmal1敲除小鼠也会DSS诱导的结肠炎敏感。

通过这两个实验,研究人员观察到生物钟的破坏会导致结肠中Rev-erbα的明显下调(图1)。同时,患有实验性结肠炎的小鼠表现出Rev-erbα的减少。因此,他们预测Rev-erbα在实验性结肠炎中具有潜在的调节作用。

为了验证这一点,研究人员首先委托广州赛业生物制备出Rev-erbα敲除小鼠,并通过表达谱分析进行验证。与野生型小鼠相比,DSS诱导后Rev-erbα敲除小鼠的结肠炎要严重得多,这支持了Rev-erbα在疾病发展中起关键作用。此外,Rev-erbα的敲除导致结肠Nlrp3蛋白和IL-1β/IL-18蛋白水平升高。对原代腹膜巨噬细胞的分析也证实了Rev-erbα对Nlrp3炎性体激活的影响。这些数据表明Rev-erbα在调控Nlrp3炎性体和结肠炎发展中发挥重要作用。

Rev-erbα让Nlrp3炎性体失活

研究人员接下来探讨了Rev-erbα和Nlrp3之间的关系。他们测定了肝脏和结肠中Nlrp3及相关炎性细胞因子的昼夜节律表达。他们发现,除了核心的时钟基因(如Bma1和Rev-erbα),肝脏Nlrp3也表现出明显的昼夜变化(图2)。有趣的是,Nlrp3的振荡周期与Rev-erbα反相,表明Nlrp3可能是Rev-erbα的靶点。在Rev-erbα敲除后,Nlrp3表达的节律性受到抑制。这些数据表明,Nlrp3是时钟控制的基因,也是Rev-erbα的潜在直接靶基因。

那么,Rev-erbα对Nlrp3炎性体有何影响呢?研究人员采用两种处理策略,交替使用SR9009(Rev-erbα激动剂)和LPS。在LPS处理之前使用SR9009导致腹膜巨噬细胞中的Nlrp3和IL-1β的mRNA及蛋白减少,而在LPS处理之后使用SR9009就没有影响。这些数据表明Rev-erbα主要影响Nlrp3炎性体的预激活(priming),而不是组装。

Rev-erbα抑制Nlrp3的转录

接下来,研究人员又开展一系列实验来探索Rev-erbα是否在转录上调控Nlrp3。同时,他们还研究了Rev-erbα/NF-κB轴在Nlrp3转录调控中的潜在作用。通过Raw264.7和HEK293细胞的萤光素酶分析,他们发现Rev-erbα抑制了Nlrp3的转录活性(图3)。计算机模拟预测表明Nlrp3启动子的210-bp区域(−1310至−1100 bp)内存在一个RevRE(Rev-erbα反应元件)和两个κB位点(NF-κB结合位点)。染色质免疫沉淀(ChIP)分析也证实了Rev-erbα被募集到Nlrp3的RevRE位点,支持了Rev-erbα与体内Nlrp3启动子的直接相互作用。

那么,Rev-erbα激活对NF-κB信号传导有何影响呢?SR9009处理明显抑制了Raw264.7细胞中LPS诱导的IKBα磷酸化以及p65亚基的磷酸化,表明Rev-erbα对NF-kB信号具有抑制作用。进一步的实验证实,Raw264.7细胞中p65的mRNA水平是Rev-erbα依赖性的,而Rev-erbα过表达降低了p65的mRNA和蛋白水平,但它对p50亚基没有影响。

Rev-erbα激活可缓解结肠炎

研究人员发现,在DSS诱导之前将SR9009(或载体)注射到小鼠体内,持续7天。与载体处理的小鼠相比,SR9009处理的小鼠表现出体重减轻、DAI得分降低、存活率更高,且结肠更长。结肠炎症也有所改善。这些数据表明,Rev-erbα激活可缓解小鼠中DSS诱导的结肠炎,而这种保护作用在Rev-erbα缺陷型小鼠和Nlrp3缺陷型小鼠中丧失。Rev-erbα激活通过对NF-κB和Nlrp3炎性体的抑制作用来缓解实验性结肠炎。

总而言之,这项研究表明Rev-erbα可作为生物钟和结肠炎之间的潜在联系。Rev-erbα通过其对NF-κB/ Nlrp3轴的抑制作用来调控实验性结肠炎。因此,Rev-erbα有望作为预防和控制结肠炎的药物靶点。(生物通 余亮)

原文检索

REV-ERBα integrates colon clock with experimental colitis through regulation of NF-κB/NLRP3 axis

Nature Communications volume 9, Article number: 4246 (2018)

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