文摘
更年期是伴随着增加心血管疾病的风险。DNA甲基化可能产生重大影响的绝经后妇女冠心病的发展。DNA甲基化改变外周血单核细胞(PBMCs)女性冠心病和健康对照组发现使用Illumina公司英飞纳姆MethylationEPIC BeadChip平台在这工作。我们使用Sangerbox技术和和KEGG数据库去进一步研究在绝经后妇女冠心病的发病机制。之后,我们使用功能模块表观遗传分析和Cytoscape移除中心基因的蛋白质相互作用网络。五个基因(FOXA2、PTRD、CREB1 CTNAP2,和FBN2)基因是中心。脂质积累,内皮细胞衰竭,炎症反应,单核细胞招聘和聚合,和其他重要的生物过程都受这些基因的影响。最后,我们采用methylation-specific PCR证明FOXA2甲基化在高水平在绝经后妇女冠心病。为了更好地理解在绝经后妇女冠心病的分子机制,我们研究研究的主要因素导致DNA甲基化状态的修改,这将有助于发现新的诊断工具和治疗方案。
1。介绍
心血管疾病(CVD)是全球死亡的主要原因1]。心血管疾病的治疗费用将爬随着人口老龄化和增加肥胖和糖尿病的2]。更年期是女性增加心血管疾病的风险,和绝经后女性比男性有更高的心血管疾病的风险相同的年龄(3]。冠心病(CHD)的主要类型的心血管疾病,是导致女性死亡的年龄在65岁以上,超过了癌症的发病率,慢性下呼吸道疾病和糖尿病(4]。
除了这些差异在传统的风险因素,一系列的临床条件独特的女性,如多囊卵巢综合征、妊娠期糖尿病、子痫前期,自身免疫性疾病,和更年期早期,可以增加冠心病的风险(5]。由于高发病率与绝经后冠心病有关,多强调一直致力于疾病的病理过程。绝大多数研究表明雌激素对冠状动脉的保护作用[6,7]。直观地说,雌激素似乎推迟斑块的形成和冠状动脉疾病的影响女性(8]。然而,两项研究没有发现心血管获益激素替代疗法(HRT) 6.8年的随访期间(9,10]。此外,女性荷尔蒙替代疗法可能有冠状动脉疾病的风险升高和非致命性室性心律失常治疗的第一年(9]。与安慰剂相比,荷尔蒙替代疗法没有有利的对心血管系统的影响,也和雌激素治疗中风的风险增加(11]。目前,雌激素的功能,以及它如何影响心血管系统仍然是未知的。在绝经前女性雌激素水平可能并不比男性更容易患心血管疾病,这不是唯一贡献元素;因此,进一步的机制应该发现额外的调查。
冠心病引起的被认为是遗传和环境因素的组合(12]。研究遗传基因活动或功能的变化没有改变DNA序列,称为表观遗传学,是至关重要的所有疾病进程(13),包括心血管疾病及其相关疾病(14]。在表观遗传学,大多数DNA甲基化发生通过额外的附件甲基(CH3) S-adenosyl甲硫氨酸(SAM)的C5位置cytosine-paired-guanine (CpG)二核苷酸序列,导致5-methylcytosine (MeC) (5 mc)的形成,通常负责控制修复基因表达,基因组印记,X染色体的失活(15]。的DNA methyltransferases 3b (DNMT3b), 3a (DNMT3a), and 1 (DNMT1) catalyze DNA methylation, which is reversed by Tet methylcytosine dioxygenases (TET1, 2, and 3) [16]。
证据表明,异常的DNA甲基化可能导致冠心病。甲基化的ATP结合盒亚G成员1 (ABCG1)和ATP结合盒亚科一员1 (ABCA1)与冠心病有关(17- - - - - -19]。在冠心病患者中,PCSK9基因表达和循环血液中蛋白质含量与启动子DNA甲基化(20.]。il - 6子hypomethylation,导致其过度和系统性炎症,与冠心病的风险增加(21]。动脉粥样硬化、冠心病的主要病理生理学是一种炎症性疾病,因为它是有据可查的22]。在研究表观遗传调控的基因与动脉粥样硬化斑块的脆弱性,PLA2G7印迹基因,编码的lipoprotein-associated磷脂酶A2 (Lp-PLA2),一直被视为一种最hypomethylated显示调节基因表达在炎症反应中的23]。动脉粥样化形成的血管系统也可能得益于methylation-associated ERα基因失活在维管组织24]。根据所表示,到目前为止,研究了冠心病和DNA甲基化之间的关系的研究;然而,绝经后妇女得到了更少的关注。迄今为止,拉莫斯和他的同事们的研究发现,绝经后妇女较低的全球DNA甲基化有增加心血管疾病的风险25]。由甲基化的生物学过程,需要研究更多的做法是不正确的。表观遗传因素的作用在绝经后妇女冠心病的病因需要考虑更多。
我们汇集和分析数据从女性与冠心病及其等价物,以及微分DNA甲基化的数据,作为我们工作的一部分(从绝经后妇女冠心病(PC),健康的绝经后妇女(PCG),和年轻女性(C))。甲醇的Illumina公司英飞纳姆MethylationEPIC BeadChip用于上述志愿者。总共850 K探测器是用来检查启动子、增强地区,CpG岛,和编码区域。
2。材料和方法
2.1。研究人口和抽样
本研究使用冠心病临床标准招收4个绝经后妇女冠心病,四个正常的绝经后妇女(使用狭窄50%达标评估他们是否有冠状动脉疾病(26]),和四个年轻女性。年轻女性血管内膜中层厚度(IMT)的厚度小于1.0毫米的选择包含使用王et al。(27)操作标准。更年期被描述为50到60岁之间的时间月经结束后至少12个月(28]。患者心血管和脑血管疾病,如脑出血、栓塞,nonatherosclerotic血管疾病,心肌梗塞,心肌病,心脏衰竭,先天性心脏病、瓣膜病、糖尿病、自身免疫性疾病、严重的肝脏和肾脏疾病,全身性感染,或任何其他炎症性疾病,癌症;那些已采取抗炎药物或手术治疗在过去的6个月;和家族性高脂血症患者,都排除在本研究[29日]。所有的患者选择的心血管医学部门在上海的浦东新区周浦医院和烧焦的书面知情同意。医院批准这项研究,进行符合赫尔辛基宣言。
2.2。DNA甲基化实验
说明后提取外周血单核细胞(PBMCs),我们把8毫升的禁食外周血从每个早上研究课题,从每个样本,使用histopaque - 1077淋巴细胞分离解决方案(σ,美国),和实验是在4小时内完成。DNA是隔绝PBMCs利用DNeasy血液和组织工具包(试剂盒,德国)。DNA的纯度和浓度估计使用Nanodrop 2000(热、德国)和Quibt3.0。然后,500 ng的DNA样本用于亚硫酸氢转换使用EZ DNA甲基化工具包(Zymo研究、美国),和转换后的产品放入850 K BeadChips按照制造商的指导和协议(Illumina公司,美国)。
2.3。差异甲基化状况分析
全基因组DNA甲基化决心按照制造商的指示使用Illumina公司英飞纳姆MethylationEPIC BeadChip (Illumina公司Inc .)、美国),使全基因组覆盖率由> 850 000 CpG甲基化网站/样品。我们选择探测器至少有三个珠子至少10%的样本,non-CpG探针,支安打探针,探针位于染色体X和Y,和未来(SNP-related探针)分析。确定甲基化水平,(数组数据。IDAT文件)的冠军程序处理(http://www.bioconductor.org/packages/release/bioc/vignettes/ChAMP/inst/doc/ChAMP.html)。β值(β值),甲基化探针强度比总探针强度(unmethylated和探针强度加常数,等于100),所指的甲基化状态的调查。DNA甲基化分数从0(完全unmethylated DNA)到1(完全甲基化DNA)(完全甲基化)被用来表达β值。占偏差造成的数组是不同的珠类型(peak-based修正归一化),甲基化数据规范化。在两组之间,平均水平β值比较。当值低于0.01,> 0.1,差异甲基化CpG网站发现了。
2.4。分布差异甲基化分析职位(纯数字)
根据850 K数组注释,纯被分成几类基于分布相对于基因组区域(3未翻译区(UTR)基因启动子基因间的地区,身体)和CpG岛地区(海滩,书架,岛,或大海)。启动子区域由5UTR,部分近200和1500个基点的转录起始站点(TSS200 TSS1500)和第一外显子。
2.5。基因本体论和通路富集分析
我们使用了Sangerbox工具(http://www.sangerbox.com/tool),一个免费的在线数据分析平台在纯数字相关的基因,进行基因本体浓缩过滤过多分析基因本体论三个类别的词(生物过程、分子功能,细胞组件)。Sangerbox方法被用来发现统计学意义丰富通路从基因和基因组的京都百科全书(KEGG)通路富集分析基因与纯数字有关。
2.6。PPI网络的建设和相关分析
PPI分析被用来更好地了解两组基因之间的关系在绝经后妇女冠心病的发展和独特的生物通路。我们结合hypomethylation和甲基化基因创造PPI网络以最小hypomethylation和甲基化基因的数量。PPI网络使用字符串创建11.0 (https://string-db.org/)。交互的截断阈值分数是0.4分。进一步分析,发现导入Cytoscape 3.8.0。中心基因筛选使用CytoHubba软件(http://apps.cytoscape.org/apps/cytohubba)。
全微分甲基化网站交互也利用功能性表观遗传分析模块(有限元法,http://www.bioconductor.org/packages/3.1/bioc/vignettes/FEM/inst/doc/IntroDoFEM.pdf)。有限元方法可能被认为是一种功能性监管算法,利用基因网络关系,比如蛋白质交互(PPI)网络,发现子网与大量的基因与表型的兴趣。
2.7。Methylation-Specific聚合酶链反应(MS-PCR)
MS-PCR bisulfite-treated DNA样本上进行使用特定的引物FOXA2的甲基化版本:5 - - - - - -GAGGGGTAGGTTAGTTCGGT-3和反向5 - - - - - -AAAATCTAACCCCTCTAACTCCG-3FOXA2甲基化序列和ACTB(所有六个肌动蛋白是由这个基因的蛋白质。从而与高度的一组蛋白质进化保护)甲基化序列,提出5 - - - - - -TGGTGATGGAGGAGGTTTAGTAAGT-3和反向5 - - - - - -AACCAATAAAACCTACTCCTCCCTTAA-3 。两个版本FOXA2和ACTB放大35周期60°C使用Hieff Unicon®普遍TaqMan多元qPCR大师混合(Yeasen生物技术,中国)。MS-PCR产品分为整除和检查之前2%的琼脂糖凝胶与溴化乙锭染色(Sangon生物技术,中国)。
2.8。统计分析
使用ImageJ程序执行计算和定量分析。评估是否有显著差异的三个独立的组,利用单向方差分析。进行了比较 - - - - - -测试和成对 - - - - - -测试。这是显著的值小于0.05。GraphPad棱镜8(加州GraphPad棱镜软件有限公司)是用于关联分析和统计研究的可视化表示。
3所示。结果
3.1。质量控制甲基化数组的数据
整个分析的流程图如图1。12个受试者的全基因组DNA甲基化模式是利用Illumina公司英飞纳姆MethylationEPIC BeadChip。量化在每个位点甲基化,β值使用。预处理和标准化的数据从绝经后妇女冠心病和控制样本。的密度分布β值显示双峰分布特征(图2(一个)),与第一个峰值对应于低或unmethylated探针β值接近0,第二个峰对应明显或完全甲基化探针β值接近1。另外,箱线图的12个人β值分布(图得到2 (b))。的results of the main component analysis on the three sets of samples are shown in Figure2 (c)。样品之间的差距是指示性的单个基因的甲基化模式。因此,电脑组的基因甲基化谱是不同于其他两个对照组。热图的样本之间的关系显示,研究参与者的基因甲基化模式变化(图2 (d))。一般分布和集中趋势的三个数据组在PC组和正常组检查使用的平均水平β值的三个数据组。热图的样本之间的相关性和抽样的PCA图也支持团体之间是合理的。
(一)
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3.2。显著差异甲基化网站的识别
数据准备和质量控制后,703400年CpG网站收集过滤后进行进一步分析。总共有702 CpG网站显著差异甲基化 和阈值> 0.1和由473 hypermethylated和229 hypomethylated网站在PC组相比PCG控制(图3(一个))。此外,有37787个差异甲基化网站,包括9853网站和甲基化27934 hypomethylation网站,在PC和C组(图3 (b))。再往下,我们改变了 - - - - - -分数和一个热图进行分析的微分甲基化的位置。我们选择前5000名不同分映射或所有映射如果分不到5000的区别。数据3 (c)和3 (d)提供热量地图的显著不同的甲基化网站。橙色显示区域更hypermethylated,蓝色显示区域甲基化。这表明,PC患者和健康人群有不同的表观遗传的风景。
(一)
(b)
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(d)
3.3。高度不同的甲基化区域的特征基因水平
我们评估了CpG岛大大不同的甲基化网站连接到他们的基因的位置。根据中央人民政府的内容,发现显著差异甲基化网站个人电脑和对照组之间。数据4(一)和4 (c)表明甲基化的比例在5 / UTR, 3 / UTR,转录起始站点,外显子,身体,每组基因间区和内含子的绝经后女性冠心病。大多数的显著差异甲基化网站在绝经后妇女冠心病是位于nonpromoter地区。有一个伟大的纯浓缩位于CpG岛,而其他纯被发现在大海,海滩,和货架CpG岛密度低的地区(数字4 (b)和4 (d)。
(一)
(b)
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3.4。通路富集分析
我们从PC获得分割的不同位点和PCG组差异位点从PC与C组和收购获得365位点的差异。此外,PCG和C组之间差异进行评估,以排除年龄的影响。PCG和C位点之间的区别被从上述位点(图5 (b))。我们的结论是与353年截然不同的位点。更值得注意的是,这些网站有相同的PC和PCG和PC之间的甲基化趋势与C组。根据234年不同的位点,基因映射。为了进一步理解的功能影响纯数字,我们使用基因本体和KEGG功能富集分析。最大大丰富生物过程是细胞分化,细胞发育过程中,神经系统发展,根据这些基因的功能注释。转录监管机构的活动、dna结合转录因子活性和RNA聚合酶II-specific和dna结合转录因子的活动是最明显富集的分子功能,和突触,投射神经元,神经部分最明显丰富细胞组件(图5(一个))。
(一)
(b)
(c)
KEGG信号网络分析是用于进一步分析相关的信号通路之间的差异甲基化基因PC和对照组。许多丰富KEGG通路,包括营信号系统,Wnt信号通路,cGMP-PKG信号通路,AMPK信号通路,和肾上腺素的信号在心肌细胞,与绝经后妇女冠心病(图5 (c))。
3.5。PPI网络和功能后生模块
字符串识别198个节点和174 PPI网络的边缘。Cytoscape 3.8.0 PPI网络(图用于显示6(一)),CytoHubba Cytoscape内部工具被用来选择PPI网络的中心节点基因(图6 (b))。十大中心的四个基因中确定CytoHubba使用六个排名方法是重叠基因(图中心6 (c)),包括FOXA2 (A2 forkhead框),CREB1(营地反应元件结合蛋白1),CNTNAP2 (contactin-associated蛋白质2),和PTPRD(蛋白酪氨酸磷酸酶受体类型D)。观察FOXA2和PTPRD甲基化,但hypomethylation CREB1和CNTNAP2观察。
(一)
(b)
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使用有限元法程序(http://www.bioconductor.org/packages/3.1/bioc/vignettes/FEM/inst/doc/IntroDoFEM.pdf),有限元技术被用来进一步分析中心(也称为热点)基因甲基化的网站。九个不同的功能模块被发现在个人电脑和PCG组,和15个不同的功能模块被确定在PC与C组。两组之间的比较包括FOXA2和FBN2是引人注目的,他们两个都模块的种子基因,表明这些基因网络中发挥了关键作用。FOXA2和FBN2基因的网络图所示7。与对照组相比,FOXA2 hypermethylated PC组(图7(一))。众多成员FOXA2模块的相互作用,包括FOXA1 ABCC8,和FOXF1 hypermethylated在PC组(图7 (c))。FBN2是甲基化在PC组明显多于对照组(图7 (b))。FBN2模块的许多成员一起工作,包括MEGF6 LTF,这两个在PC hypermethylated组(图7 (d))。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.6。FOXA2甲基化是一个可能的生物标志物绝经后冠心病
确认后由CytoHubba和有限元分析FOXA2种子基因,MS-PCR是用来验证基因的甲基化的网站。为了开发引物,我们专注于chr20:22566821 - 22567055坐标的甲基化岛UCSC的图书馆,在那里cg16963144网站在染色体变异最高坐标。引物了MethPrimer cg16963144位置2.0软件使用中标识的碱基序列NCBI数据库(图8(一个))。基因的甲基化引物内部参考,ACTB,也创造了(图8 (b))。根据图9电脑集团表达了比其他两组更FOXA2甲基化的产品。随后的半定量的分析显示,FOXA2甲基化大PC组在PCG集团( ),这是在C组显著降低( )。
(一)
(b)
4所示。讨论
表观遗传变异可能是至关重要的在调节基因表达的分子通路和细胞过程与绝经后冠心病的病理生理学25]。绝经后妇女的DNA来自四个冠状动脉疾病和8名健康女性被控制(四个绝经后妇女冠心病和四个年轻健康的女性)。DNA被送往实验室进行分析。检测全基因组甲基化,Illumina公司英飞纳姆MethylationEPIC BeadChip受雇。Illumina公司甲基化芯片(Illumina公司英飞纳姆MethylationEPIC BeadChip, 850 K甲基化芯片)是新一代DNA甲基化芯片的基础建立在最初的450 K甲基化芯片。芯片有91%的原始450 K甲基化芯片和413745额外的网站。它完全包含启动子、编码区CpG岛,和增强区域的基因(30.]。
在这项研究中,我们发现DNA甲基化参与的过程,在绝经后妇女冠心病。通过比较不同组的交集了。最后,353种不同的基因位点和234年被选为后续富集分析和关键基因的筛选。我们曾经去KEGG通路分析来推断不同甲基化基因的角色。这些基因的功能注释显示,大多数高纯度条件是细胞分化,细胞发育过程中,神经系统的发展。它被发现,巨噬细胞,血管平滑肌细胞和内皮细胞参与动脉粥样硬化病变形成的各个阶段(31日]。最初,我们想知道为什么许多基因甲基化变化调节神经系统被发现在PBMCs绝经后妇女冠心病。直到最近,报道自然神经系统调节动脉粥样硬化的进展,通过当地重建的周围神经纤维(32]。此外,基因富集在这个途径与冠心病的风险增加相关,如NRG1 [33],EGR2 [34],NOS1 [35]。然而,之前的研究没有考虑到甲基化修饰,和我们的分析表明,关键基因的甲基化水平在这些关键的监管过程中,如PHOX2A HOXD10, CREB1,和MYPN显著增加。作为一个直接的结果,我们的研究结果,我们推测,甲基化水平的变化可能会影响功能基因的微分表达式在冠状动脉疾病的女性。据我们所知,这是第一个研究调查的甲基化状况PBMCs绝经后妇女冠心病。
根据KEGG数据库,营地的信号途径,Wnt信号系统,cGMP-PKG信号通路,AMPK信号通路都大大促进了在绝经后妇女冠心病的风险。营(36]和cGMP-PKG [37)信号通路与冠状动脉粥样硬化的病理生理学。在心血管系统中,一个激活AMPK信号通路有保护作用[38]。动脉粥样硬化的病理过程包括脂质积聚,内皮细胞衰竭,炎症反应,单核细胞招聘、和聚合,当单核细胞成为tissue-resident巨噬细胞、泡沫细胞时遵守修改后的低密度脂蛋白。在内膜下,脂质积累,平滑肌细胞入侵和繁殖,细胞外基质积聚。由于腔的腔的限制和减少心肌血流量,胸痛、心绞痛,甚至会发生心肌梗死。Wnt通路参与这个过程的所有阶段,从内皮功能障碍、脂质沉积,从早期炎症斑块的发展(39]。
冠心病是全球死亡的主要原因,由于在绝经后妇女心血管疾病患病率的增加40),和早期预防可以帮助减少发病率和死亡率。因此,我们应该开发新的生物标记物来帮助冠心病的预后和治疗。此外,重要的DNA甲基化在疾病的早期,并寻找与疾病的特定基因甲基化已作为一种新的诊断方法。SEPT9基因的甲基化是第一个生物标记被FDA检测DNA甲基化在结直肠癌筛查41]。DNA甲基化检测,这是类似的,也可能是血液中检测到,可能在绝经后妇女冠心病的有用指标。因此,我们采用有限元方法和CytoHubba软件发现基因在PPI网络中心。最后,FOXA2被选为种子基因,并使用MS-PCR证实了其有效性。FOXA2,也称为forkhead盒A2,是一种由FOXA2编码蛋白质基因存在于人类。转录因子参与胚胎发育时,基因表达的调节分化组织,和建立组织基因表达等功能。葡萄糖体内平衡和脂肪代谢也由它(42]。当时这项研究完成后,发现没有联系FOXA2和冠状动脉粥样硬化之间的关系。这是第一次,FOXA2基因甲基化被发现在绝经后妇女冠心病。
此外,FOXA2 CREB1、CNTNAP2 PTPRD四个高PPI网络中的枢纽节点后基因重叠。FOXA2作为验证基因如上所述。在这些基因,中部CREB1,也被称为环腺苷酸(营)反应元件结合蛋白1,由CREB1人类蛋白质编码的基因。尽管绝经后冠心病患者hypomethylation CERB1基因,基因中发现的尸体,hypomethylation基因的身体与转录抑制(43]。CREB1参与细胞凋亡的规定,及其超表达与动脉粥样硬化有关。没有VSMCs的蛋白质分子,这使得它们更容易激活和死亡,是一种常见的病理反应血管损伤,可能导致斑块发展(44];在缺血性心脏病(CNTNAP2起着关键作用45和循环血脂水平46];PTPRD会影响冠心病的发病和进展通过作用于甘氨酸代谢(47]。此外,有限元分析显示一个关键基因,FBN2,在启动子区域甲基化组,并显示一个下降表达式。在缺乏FBN2, p38 MAPK信号被激活以异常高的方式,进而导致MMP活性的增加弹性纤维破坏生产和降低纤连蛋白(48]。在人类中,纤连蛋白刺激防护纤维帽的创建,从而防止斑块的破裂和血管闭塞(49]。因此,我们假设这些中心基因可能参与病理过程与冠状动脉疾病的绝经后妇女,但更多的功能要求调查证实了这一点。
我们的研究仍有一定的局限性,应该在将来的研究中得到解决。例如,研究使用一个小数量的参与者,因为只有12人包括在这项研究。结果必须复制到一个更大的样本量进行确认。我们还需要执行MS-PCR或焦磷酸测序我们已确定的其他基因甲基化的热点地区。它还缺乏实验证据支持异常甲基化影响基因表达和功能在绝经后妇女冠心病。因此,需要更多的分子调查来证实我们的发现。
总之,我们发现与不同角色的差异甲基化基因之间的相互作用和信号通路与绝经后女性冠心病的病理生理学。FOXA2、CREB1 CNTNAP2、PTPRD FBN2中心基因。这项工作改进的概念和生物理解病理生理学的绝经后妇女冠心病。所确定的基因和通路在绝经后妇女冠心病仍然需要更多的分子水平研究体外和体内。
数据可用性
和/或使用的数据集分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由上海浦东新区周浦医院人才引进计划的基础(Grant /奖号码:zp - xk - 2021 b - 1), 2021年上海的关键自然科学项目卫生医学院(Grant /奖号:SSF-21-17-01),和领导人员培训计划的上海浦东新区卫生和计划生育委员会,中国(Grant /奖号:PWRI2021-08)。歌香是上述项目的主机。
补充材料
表S1:引物序列。(补充材料)