神经可塑性

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神经可塑性/2016/文章

研究文章|开放获取

体积 2016 |文章ID. 5942980 | https://doi.org/10.1155/2016/5942980

本福尔摩斯,胜浩荣,卢静,杰西卡A.瓦格纳,Liudmilla Rubbi,利玛窦佩莱格里尼,瑞安Jankord 无创脑刺激后大脑皮层的转录组修饰:rna测序方法“,神经可塑性 卷。2016 文章ID.5942980 15 页面 2016 https://doi.org/10.1155/2016/5942980

无创脑刺激后大脑皮层的转录组修饰:rna测序方法

学术编辑器:Ming-Kuei陆
收到了 2016年8月10
修改后的 2016年10月27日
公认 2016年11月14日
发表 2016年12月29日

摘要

经颅直流电刺激(tDCS)已被证明可以调节神经可塑性。在精神疾病患者中观察到有益的效果,并在健康个体中观察到tDCS后大脑功能的增强。然而,很少有研究试图阐明tDCS在大脑中的潜在分子机制。本研究旨在评估tDCS对大鼠大脑皮质内基因表达的影响。采用3种不同强度的阳极tDCS,然后进行rna测序分析。在每种电流强度下,与假手术组相比,大约有1000个基因显示出统计学上的显著差异。许多功能通路、生物过程和分子类别被tDCS修饰。tDCS对基因表达的影响取决于电流强度。结果表明,炎症通路、抗抑郁相关通路(GTP信号通路、钙离子结合通路、跨膜/信号肽通路)和受体信号通路(5 -羟色胺能、肾上腺素能、gaba能、多巴胺能、谷氨酸)受影响最大。在tDCS诱导的基因表达谱中,一些变化是在多个电流强度下观察到的,而另一些变化是在单个刺激强度下所特有的。 This study demonstrates that tDCS can modify the expression profile of various genes in the cerebral cortex and that these tDCS-induced alterations are dependent on the current intensity applied.

1.介绍

在过去的几年中,关于经颅直流电刺激(tDCS)对中枢神经系统的治疗和有益作用的出版物数量急剧增加。tDCS作为改善神经可塑性和神经元活动的工具具有吸引力的主要原因之一[1tDCS是一种非侵入性脑刺激技术,耐受性好,易于与其他外周治疗结合使用[23.].研究强调tDCS是精神分裂症的一种替代治疗方法[4.),阿尔茨海默氏症(5.,严重抑郁症[6.7.)、中风(8.,以及其他神经疾病。此外,tDCS已经显示出帮助健康个体认知能力的潜力,此前的研究显示持续注意力的改善[9.,增强工作记忆[10[中间空间导航网络中的增强功能连通性增强了[11].

以动物为基础的研究已经进行,以确定tDCS对大脑表现产生有益影响的潜在电生理机制。利用啮齿动物模型,研究表明tDCS增加了皮质的兴奋性[12]调制电动机诱发的电位[13,受刺激的突触机制[11,海马突触可塑性增强[14].这些结果表明,TDCS可能对患者的神经学和神经疾病和失调的潜在治疗选择。有趣的是,仍然观察到TDCS的影响刺激停止后和持续了后处理TDCS小时14-16].

与电生理机制相比,tDCS影响的分子和细胞途径尚不清楚。Spezia Adachi等人[17]报道,海马TNF-α.通过重复刺激(20分钟/天,持续8天)降低水平。另一项以啮齿动物为基础的研究表明,tDCS除了防止闭塞引起的树突棘密度下降外,还减少了大脑中动脉闭塞引起的海马神经元中半通道pannexin-1的表达[18].另一项闭塞性研究报道tDCS影响脑缺血大鼠部分脑区MAP-2和GAP-43的表达[19].总的来说,很少有研究分析tdcs诱导的蛋白和基因表达的变化。因此,本研究的目的是评估阳极tDCS对电极所附大脑皮层内整个转录组的影响,并提供不同电流强度下阳极tDCS的分子机制。

在这项研究中,阳极tDCS被应用在几个不同的强度(sham, 250μA,500 μ一个,2000μA).刺激后,收集大脑皮层解剖,提取RNA,使用下一代测序(NGS)技术完成RNA-seq分析,由Illumina RNA测序系统获得。测序仪的数据使用Tuxedo套件工具进行分析,以产生基因计数和折叠变化,并使用多个生物信息学数据库进行分析。结果表明,不同强度的tDCS可以调节大量的基因,这些基因代表了一系列的功能生物学途径。

2.材料和方法

2.1.动物

雄性Sprague Dawley大鼠(9-10周龄)从Charles River实验室(Wilmington, MA)获得,并安置在Wright-Patterson空军基地(WPAFB)动物设施。实验使用300 - 500 g的大鼠,双笼饲养,自由获取食物和水,并维持12- 12小时的光-暗周期。250只啮齿动物被随机分配到ShamμA,500 μ一个,2000μA tDCS组( = 7-8 /组),所有实验均在光照周期内进行,12:00前完成。所有程序均由WPAFB动物护理和使用委员会批准,并按照国家卫生研究所标准和《实验室动物护理和使用指南》(国家研究委员会,2013年)执行。

2.2。电极植入手术和经颅直流刺激

啮齿动物在平均2-3%异氟醚(皮拉莫,肖普医学兽医,梅塔瓦,IL)麻醉,并在刺激期间维持。一种head incision was made to expose the implantation area and a head electrode (approximately 5 × 5 mm, Axelgaard Manufacturing Factory Ltd., Fallbrook, CA) was placed with the center on the sagittal suture, 2.5 mm caudal bregma. The head electrode was cemented to the skull using Metabond Adhesive Luting Cement (Parkell Inc., Edgewood, NY). Once the cement was dry, acrylic (Stoelting Co. Fisher Scientific, Pittsburgh, PA) was added over the cement to create a head cap. A head clamp (AFRL, WPAFB, OH) was attached to the skull in order to anchor the acrylic and maintain the integrity of the head cap.

2.3.全转录组rna测序性能

在完成阳极tDCS 20分钟后,立即对大鼠实施安乐死,并收集部分阳极tDCS位置下的大脑皮层,在干冰上冷冻。使用RNeasy Mini Kit从大脑皮层提取总RNA,遵循制造商的协议(Qiagen, Valencia, CA)。将两只动物的RNA样本合并进行RNA- seq分析( 在加州大学洛杉矶分校的下一代测序(NGS)设施中,文库被构建,样品被多路复用,并使用Illumina标准标签进行标记。采用Illumina下一代rna测序技术对样本进行测序。

2.4。生物信息学分析

Data was first obtained in  .qseq file format from the RNA sequencer, demultiplexed, and stored in  .fastq file format. Tophat (version 2.0.6) [20.]与Bowtie一起(版本0.12.8)[21]将reads与UCSC基因组浏览器(rat genome assembly RGSC5.0/rn5)进行比对。测序结果显示,每个样本大约有5400万个原始reads(平均值±SED: 54,905,147±1,204,160, )和超过4000万个唯一映射读数(平均值±SED: 44,790,986±930,596, ).只保留了唯一的基因图谱(均值±SED: 82%±0.25%)。HTSeq (version 0.5.3p9)对基因序列进行了量化[22]与ENSEMBL 75的基因集。使用DESeq2进行差异基因表达分析(版本1.4.5)[23而在所有样本中没有基因读取的基因则被丢弃。如先前建议的[23,大于1.2 log的基因2折叠表达式和调整后的变化 值小于0.1为显著差异表达。

大卫生物信息学(24]豹分类系统[25用来分析差异表达基因。这些数据库用于将基因按功能群分类,提供它们的生物学功能信息。当使用DAVID时,浓缩评分的截止值被设置为1.3(对应于修正后的 0.05)的价值。

PANTHER分类系统(http://PANTHERdb.org/)也被用来对差异表达基因进行分类[26].在生物选择的基础上,输入基因名称并进行分析鼠形.PANTHER数据库从250、500和2000个基因列表中分别识别出418、252和450个基因μ一个样本(至少77%的识别率)。黑豹识别的基因按照途径、生物过程和分子功能进行分类。PANTHER数据库包含大约12,000个蛋白质家族,这些家族也分为超过83,000个功能不同的蛋白质亚家族[2527].

2.5.加权基因共表达网络分析(WGCNA)

利用来自DESeq数据的基因的归一化表达值,使用R[中的WGCNA包构建签名共表达网络[28].为了去除噪声,首先将低表达基因排除在分析对象之外(总基因数从17749个减少到12714个)。根据WGCNA包手册进行网络建设和模块检测。简单地说,在第一步数据输入和清理完成后,通过分步构建基因网络和模块识别,构建一个软阈值幂为5的加权基因网络,该网络的无标度拓扑拟合指数(SFT)。 )是0.9250。基于邻接变换的拓扑重叠矩阵计算出的不相似度进行层次聚类,生成基因层次聚类树,用于识别最小模块大小为30的模块。采用动态采伐树的方法对相似模块进行识别;计算它们的特征基因,根据它们的相关性聚类,然后,如果它们的相关性大于0.75,就合并到模块中。这将模块数量从40个动态模块减少到15个合并模块。通过将基因显著性定义为基因和性状相关性的绝对值,我们量化了每个模块中单个基因与我们的性状tDCS电流强度的关联(见图)6(一)).计算了模块特征基因与基因表达谱的相关性,并将其定义为模块隶属度的定量度量。识别出tDCS电流强度与基因相关性高且模块成员数高的模块,其中相关性最高的2个模块( )被用于进行基因本体论(GO)富集分析(表4.).来自最高模块的前30个基因被VisANT 5.0可视化[29],阈值为0.35。

2.6。统计方法

分析结果来自HTSeq-count的名单, 值,和fold的变化和从DAVID和PANTHER指示的途径。数据在通过Tophat运行之前是全局标准化的。一旦Tophat和HTSeq-count在RNA-Seq数据上运行,记录2褶皱的变化( ), 被确定的值来衡量假组和实验组之间的差异。只有那些履行了意义的最低要求(详见生物信息学分析)基因被认为是进行分析。

结果

在3种不同电流刺激下,从250μA,500 μ一个,2000μ分别一个。当数据绘制时(图1),在250度和500度的刺激之间有明显的区别μ和2000年刺激的μA. 2000年的刺激μA表示折叠变化的整体显著增加。另一方面,基因诱导的250和500μ到2000年,阳极tDCS强度的表达增加μanodal TDC的强度。

3.1.大卫生物信息学途径分析

生物信息学分析用于将显著表达的基因分类为功能簇[24,如图所示2.总体而言,各组TDCS包括独特基因,因此,独特的功能簇,这些都没有在任何其他组中表达。这也是事实,在超过一个组中检测到一些基因。具有大量相关的基因的基团包括在250和500,但不是2000的交点跨膜/信号肽(22个基因) μA,体液免疫反应(36个基因)在250和2000的交集,但不是500μ防御和免疫反应(每个有6个基因)在500和2000的交集,而不是250μA和细胞粘附/白细胞激活(37个基因)在所有250、500和2000的交集μA.每个tDCS电流强度的许多簇是独特的:特别是在250个基因中有28个核糖体蛋白μ2000年一组有84个基因的信号肽μ一组,和,虽然不丰富的其他簇,细胞粘附在500μ一群。有趣的是,从组500没有检测到功能簇 μA只有显着浓缩。

3.2.PANTHER分类路径分析

利用PANTHER数据库对选择的差异表达基因进行功能通路分析,并将数据整合成热图(图1)3.).几个相似性是通过观察热图容易明显;与由趋化因子和细胞因子途径介导的炎症基因落入在一些交叉点最大或第二大功能途径和250组 μ一个和2000个μA.在250和500的交叉点,另一个高度代表的路径μA, 250和2000μA, 250 500 2000μA是t细胞激活,它是最大或第二大功能通路。250中其他大型功能通路包括白细胞介素信号通路、CCKR信号通路、凋亡信号通路和egf受体信号通路μ一群;钙粘蛋白信号通路和Wnt信号通路在500μ一群;和整联蛋白信号传导途径在2000年的 μ一组和250,500,2000的交集μA.另外,许多神经递质功能途径的由TDCS,如血清素,肾上腺素,和多巴胺能途径的影响。

使用PANTHERDB分类分析可视化功能生物过程(图4(一))和分子蛋白类别(图4 (b)).在功能生物过程分类中,组间存在相似性。特别是,在每种强度下,相关基因数量最多的功能性生物过程是代谢和细胞过程(图)4(一)).免疫系统过程、对刺激的反应、发育过程和定位也是显示出大量基因的类别,除了500个免疫系统过程之外μ只有一个群体。

为了进一步探索最大功能性生物处理类别的化妆,与细胞相关的基因(图5(一个))和代谢(图5 (b))的过程被列出和可视化的饼图。即使在分类内,群体之间的相似性也是显而易见的。在细胞过程中,细胞通讯支配着每一个群体,有超过一半的基因与之相关。同样,细胞周期和细胞成分运动类别在所有组中都有相对大量的基因。与细胞通讯相关的基因是每一组中最大的一类,列于表中1


基因名单

250年μ唯一的 Adap2, Blnk, Cd27, Cx3cr1, S1pr4, Igsf1, Lair1, Ltb, NμAk2, Osmr, P2ry14, Phkg2, Birc3, Ccdc88b, Efcab7, Gem, Il10rb, Prkcd, Lrrc32, Nmi, S100a13, Slamf9, Tnfrsf14, Lck, Sik1, Stat1, Sucnr1, Tssk4

500年μ唯一的 Ibsp, Clec4a2, Fzd6, Gabrg1, Gabrr3, Il10ra, Mc4r, Cd244, Ntf3, P2ry12, Pth2r, B3gnt4, Bmp8a, Dock2, Gsg2, Pcdhb8, Pcdhga1, Pcdhgb7, Unc5cl, Rps6ka6, Myo1b

2000年μ唯一的 Adamts1、Adamtsl4、Angpt2、Angptl2、Anxa1、Asgr1、Bmp5、C5ar2、Calcr、Calca、Cd40、Cxcl11、Cmklr1、Cartpt、Col1a2、Cubn、Cxcl10、Fmod、Frzb、Lgals3bp、Gadd45g、Gdf15、Cxcl1、Igfbp2、Itgb4、Il1b、Prg4、Llgl2、Mdk、Map3k8、Ogn、Pdgfrl、Pcolce、Pomc、Ptger2、Ptger4、Clec4a3、Col8a2、Csf2ra、Cyr61、Gpr31、Map3k19、Msr1、Rab20、S100a11、S100a6、Ssc5d、Selp, Sfrp1, Slc6a20, Slc22a6, Socs1, Cd4, Tnfsf4, Tnf, Fes, Plau, Wisp2

十字路口250μ& 500μ一种 Angptl4、Asgr2、Ccr5、Cd48、Cp、Cxcl9、Csf3r、C1qb、Clec4a1、Drd4、Fgl2、Havcr2、Itgb2、Sell、Lcp2、Myo1f、Prss12、Lcn2、Nfkbia、P2ry13、Pla2g2d、Plek、Btg2、Card11、Cfh、Dock8、Dtx3l、Gpr132、Gpr84、Rac2、Rhoh、S100a9、Slamf8、Tlr3、Vav1、Tnfrsf1b、Tacstd2、Fgr、Hck、Lyn

十字路口250μA&2000. μ一种 的II2rg,ABI3,Asgr2,BCL2A1,C5AR1,CP,CLIC1,Csf3r,C1QB,Clec4a1,TSPAN8,CFB,Fgl2,Fbln2,Hcar2,ITGB2,Ifi35,LCP2,MGP,Myo1f,P2ry6,PLEK,PTGDS,ARHGDIB,BTG2,CARD11,CFH,Dock8,DTX3L,GPR132,GPR84,Mlkl和RAC2,Rasal3,RHOH,Slamf8,TAGAP,TLR3,VAV1,Ripk3,SOCS3,JUNB,TGFB1,TNFRSF1B,TACSTD2,FGR,HCK,林恩

十字路口500μA&2000. μ一种 Asgr2、Cnr2、Cp、Csf3r、C1qb、Clec4a1、Fgl2、Gpr183、Gna15、Itgb2、Lcp2、Myo1f、Ncf1、Nlrc4、Plek、Btg2、Card11、Cfh、Dock8、Dtx3l、Fyb、Gpr132、Gpr84、Naip6、Pram1、Rac2、Rhoh、Slamf8、Tlr3、Vav1、Tnfrsf1b、Tacstd2、Fgr、Hck、Lyn

所有电流强度的交集 Asgr2、Cp、Csf3r、C1qb、Clec4a1、Fgl2、Itgb2、Lcp2、Myo1f、Plek、Btg2、Card11、Cfh、Dock8、Dtx3l、Gpr132、Gpr84、Rac2、Rhoh、Slamf8、Tlr3、Tnfrsf1b、Tacstd2、Fgr、Hck、Lyn

代谢过程组由一个特定类别主导。特别地,初级代谢过程在每组中具有超过一半的基因,通常接近所有基因的四分之三。除此之外,含磷酸盐的复合代谢过程,氮化合物代谢过程和生物合成过程是从250组中鉴定的 μA,500 μ一个,2000μA和250和500的交点 μ答:这些过程通常具有与它们相关的相对大量的基因。表中列出了与主要代谢过程相关的基因(最大的子组)2


基因名单

250年μ唯一的 ALOX5AP,NOSTRIN,Rpl3l,Pdlim1,Hsd17b1,PLA2G7,BIRC3,Cst7,RGD1564980,RGD1564138,LOC100360154,Tmem176b,SLC27A2,TGM2,Tinagl1,PRKCD,RGD1563220,NμAk2、Cbr3、Alx3、Ctss、Cyp2j4、Si、RGD1562399、RGD1565048、Apol3、Ddx43、RGD1565844、Cmbl、Npc2、S100a13、Helz2、Phkg2、Vwf、Batf2、lyp8、Sik1、Parp12、Plat、Tssk4、Rpl39、Rpl30、Slamf9、Batf、Lck、Apoa5、Cx3cr1、Faxdc2、Rps15al2、up1、Cst3、Mov10、Stat1、Trim21、Herc6、LOC100361854、Rpl35a

500年μ唯一的 Mcmdc2,Gsg2,RAD51C,Smyd1,Phox2a,Zfp711,CNOT6L,LOC100361079,Ftcd,Rps6ka6,CD55,B3gnt4,LOC102550734,Lgsn,LOC100360611,第一代,ITIH4,Zfp846,LOC100912373,Zfp961,CD244,NAPSA,MGAM,Bmp8a,RGD1562923,唇膏

2000年μ唯一的 Wfikkn2、Osr1 Asf1b,菲斯、Pcolce Cubn, Adgb, C3, Foxc2, Cmklr1, Cpz, Plau, Bmp5,玛夫,Zmynd15, Uba7,作用,Mybl2, Fut4, Aebp1, Enpp3, Ube2c, Ucp2, Srpx, Bhmt2, Cyp1b1, Selp, Nkx2-1, Dct, Tcea3, Klc3, Ecel1, Adamtsl4, Pim1, Adamts1, Pdlim2, Pdgfrl, Mcm3, Ptgr1, Map3k8, Hk3, Ada, Mcm5, Pbk, Ssc5d, Gdf15, Isg15, A2m, Hlx, Fmo3, Map3k19, Slc17a9,Abca4, Anxa1, Slc22a6, Slc5a5, Apol9a, Ogn, Foxd1, Alas2, Lgals3bp, Tbxas1, S100a11, Twist1, Ppp1r3b, S100a6, Igf2, LOC100363469, Cfd, Cd68

250年μ一种500年μ一种 St14、Ube2l6、F10、Vwa5a、Ciita、Sell、Fli1、Cp、Trim55、Aspg、Galns、Ggta1、Rnase6、RGD1563045、Cfh、Ccr5、Rgs1、Fos、Lyn、Slamf8、Nlrc5、Tspo、Aga、Nfkbiz、Amy1a、LOC100361180、Rps6、Ptprc、Anxa3、Cd48、Fgr、Lcn2、Pla2g2d、Irf8、Rhbdf2、S100a9、Dtx3l、Msh5、Nlrp3、Nfkbia、Hck、Prss12

250年μ一种2000年μ一种 Oas1a、St14 Anxa2、Ptpn6 Ube2l6, F10, Junb, Arpc1b, Ciita, Cp, Trim55, Aspg, Psme1, Ch25h, Ggta1, Tgfb1, Tmem176a, Clic1, Cfh,循环流化床,Oasl, Ptgds, Parp14, Hspb1, Ctsz, Rgs1, LOC297756,安全系数,林恩,Slamf8, Laptm5, c1, Ctsh, Oasl2, Mlkl, Nlrc5, A3galt2, ptg, Tspo Hpgd, Aga, Ifi30, Col6a3, Cd6, Slc7a8, Parp9, Nfkbiz, Ptprc, Anxa3, Apold1, Fgr,Cpxm2, Irf8, Tmprss2, Rhbdf2, Spi1, Ctsc, Ripk3, Dtx3l, Hcls1, Bcl3, Tap1, Nlrp3, Atf3, Parp10, Rasal3, Hck, Oas1k, Cebpd

500年μ一种2000年μ一种 Hvcn1、St14、Ube2l6、F10、Ciita、Cp、Trim55、Aspg、Ggta1、Cfh、Nlrc4、Rgs1、Fos、Lyn、Slamf8、Nlrc5、Tspo、Aga、Npas4、Nfkbiz、Ptprc、Anxa3、Fgr、Irf8、Rhbdf2、Apobec1、Dtx3l、Nlrp3、Hck、Naip6、Cebpd

250年μ一种500年μ一种2000年μ一种 ST14,UBE2L6,F10,信息产业商会,CP,Trim55,Aspg,Ggta1,CFH,RGS1,FOS,林恩,Slamf8,TSPO,阿加,Nfkbiz,PTPRC,ANXA3,FGR,IRF8,Rhbdf2,DTX3L,NLRP3,HCK

在如图所示的功能蛋白类别中可以发现一致的模式4 (b).在所有组中,受体蛋白有最多的相关基因。除了这一组之外,不同组之间的差异明显更多,但典型的是,磷酸酶、防御/免疫蛋白、信号分子和转移/载体蛋白有大量的基因相关。与受体相关的基因是分子功能蛋白中最大的一类,列于表中3..对我们全部转录组数据的PANTHER分析显示,受体蛋白类的主要亚群是g蛋白偶联受体、细胞因子受体、配体门控离子通道和蛋白激酶受体。


子类别名称
(加入)
组(基因数量) 基因名单

g蛋白耦合的受体
(PC00021)
250年μ一只(4) Sucnr1, P2ry14, S1pr4, Cx3cr1
500年μ仅A(7) Fzd6、Pcdhb8、Pcdhga1、Mc4r、Pth2r、P2ry12、Pcdhgb7
2000年μ一只(10) Cmklr1, Calcr, Ptger2, Gprc5a, Sfrp1, Frzb, Ptger4, Mrgprf, Gpr31, C5ar2
交叉口
250年μ& 500μ(5)
Ccr5, P2ry13, Gpr84, Gpr132, Drd4
交叉口
250年μA&2000. μ(6)
C5ar1, P2ry6, Gpr18, Gpr84, Gpr132, Hcar2
交叉口
500年μA&2000. μA(4)
CNR2,GPR84,GPR132,GPR183
所有电流强度的交集(2) Gpr84, Gpr132

细胞因子受体
(PC00084)
250年μ一只(12) Igsf1,Tapbpl,Lair1,IL10RB,RT1-N3,TNFRSF14,IL4R,SIGLEC1,Slamf9,CX3CR1,OSMR,CD27
500年μ一只(4) Il10ra, Clec4a2, Cd244, Cd79b
2000年μ只有(8) Cmklr1, LOC100364500, Clec4a3, Il21r, Cd4, Cd40, Asgr1, Csf2ra
交叉口
250年μ& 500μ(10)
Csf3r, Clec4a1, Ccr5, Slamf8, Lag3, Csf2rb, Cd48, Havcr2, Tnfrsf1b, Asgr2
交叉口
250年μA&2000. μA(9)
Csf3r,Clec4a1,CD33,Slamf8,CSF2RB,TNFRSF1B,CD22,Asgr2,的II2rg
交叉口
500年μA&2000. μ(6)
Csf3r, Clec4a1, Slamf8, Csf2rb, Tnfrsf1b, Asgr2
各电流强度交点(6) Csf3r, Clec4a1, Slamf8, Csf2rb, Tnfrsf1b, Asgr2

Ligand-gated离子通道
(PC00141)
500年μ一只(2) Gabrr3, Gabrg1

蛋白激酶受体
(PC00194)
2000年μ一只(2) Pim1, Pdgfrl


项名称 词汇ID 模块 术语中模块基因的数量 丰富 Bonferroni 模块中的等级

细胞外基质 去:0031012 棕色(的) 68 1
蛋白质的细胞外基质 去:0005578 棕色(的) 57 2
细胞外空间 去:0005615. 棕色(的) 116 3.
脉管系统开发 去:0001944 棕色(的) 85 4.
组织发展 去:0009888 棕色(的) 178 5.
对脂质 去:0033993 棕色(的) 119 6.
对有机物的反应 去:0010033 棕色(的) 245 7.
外区 去:0005576 棕色(的) 299 8.
伤口愈合 GO:0042060 棕色(的) 60 9.
血管的发展 GO:0001568 棕色(的) 78 10
药物反应 去:0042493 深灰色 23 0.002690054 1
嗜酸性粒细胞趋化性 GO:0048245 深灰色 5. 0.004554619 2
嗜酸性粒细胞迁移 去:0072677 深灰色 5. 0.022334475 3.
CCR趋化因子受体结合 GO:0048020 深灰色 5. 0.050721539 4.
肝素结合 去:0008201 深灰色 9. 0.070004182 5.
糖胺聚糖绑定 去:0005539 深灰色 10 0.115057731 6.
对尼古丁 去:0035094 深灰色 7. 0.133943241 7.
趋化因子的活动 去:0008009 深灰色 5. 0.186056475 8.
脑脊液分泌 去:0033326 深灰色 3. 0.286908137 9.
CCR1趋化因子受体结合 去:0031726 深灰色 3. 0.286908137 10

3.3.加权基因共表达网络分析(WGCNA)

为了评估基因表达与TDCS强度之间的关系,我们进行了WGCNA分析。网络热线图(图6(一))是由WGCNA创建的,以层次聚类树状图的形式显示了整体模块相关的基因分支。WGCNA共确定了15个合并模块。特征基因网络热图(图6 (b))显示这15个模块特征基因与tDCS强度之间的相关性(用黑色箭头表示)。如图所示6 (b),TDCS电流强度显著仅与褐色和深灰色模块特征基因相关。数字6 (c)显示出它们的相关性 与tDCS电流强度特性的绝对值,只有2个模块的绝对值大于或等于0.7 值小于0.01:棕色模块( )及深灰色模块( ).TDCS电流强度的基因意义(生物意义的指标)与棕色模块中的模块成员资格(与模块EigengeNe的指示器)高度和显着相关(图6 (d)).因为棕色模块显示出最高水平的相互关联性,所以将前30个基因从棕色模块中提取出来,并导出进行可视化分析(图)6 (e)).在这些顶部30个基因,3个最高度关联的基因是SIX2,CDH1,和mpzl2(红色球)。

通过对棕色和深灰色模块的基因本体(GO)注释,识别这些模块中基因的功能通路(表)4.).分析确定,在棕色模块中排名最高的3个途径被标记:细胞外区域、蛋白细胞外基质和细胞外空间。在深灰色模块中,前3个通路是药物应答、嗜酸性粒细胞趋化和嗜酸性粒细胞迁移。在棕、深灰色组合模块中排名前20位的通路中,细胞外区(299个)、有机物响应(245个)、组织发育(178个)、脂质响应(119个)和细胞外间隙(116个)的基因数量较多。

4。讨论

本研究旨在研究阳极tDCS如何影响大脑皮层整个转录组的表达,并识别大脑刺激调节的功能性生物通路。总体而言,一系列RNA-Seq数据的生物信息学分析表明,tDCS导致了皮层中显著的转录组修饰,并识别出多种生物通路,如各种受体信号、代谢、细胞因子/趋化因子信号、细胞粘附和跨膜信号。此外,我们的结果还发现,不同的电流强度对转录组表达水平有不同的影响,从而证明了基因诱导的模式和响应的大小依赖于tDCS电流强度。

我们首先使用的DAVID途径工具来确定基因的功能簇,发现受到影响通过在不同强度TDCS 32个官能簇。然而,并非所有的功能簇显著所有强度丰富。用生物信息学DAVID聚类分析产生了25,12,和21点的簇从250组 μA,500 μ一个,2000μ分别为一个(图2).所有强度刺激,在某种程度上,炎症/免疫途径,例如免疫应答(30基因)的激活,细胞粘附/白细胞激活(37基因),以及免​​疫调节信号转导的正调节(16个基因)。较高强度的刺激影响了与炎症和免疫应答有关的更大数量的功能簇(42%,50%,57%的簇在250,500和2000中相关 μ一个组,分别地)。此外,炎症和免疫途径在500和2000显著上调μ一个组。这一结果可以用来解释先前的发现,即更高的强度会对啮齿动物的皮层产生负面影响(如组织损伤)[30.].我们的组织学数据(未发表)显示在300以下或300以下没有可见病变 μA,但当强度增加到500时,皮层可见损伤更大μ一种。

越来越多的证据表明,人体的TDCS人类抗抑郁作用[7.]和啮齿动物[31],我们的数据可以提供更多的证据来支持TDCS的抗抑郁作用。据报道,在某些精神障碍,TDCS的如重度抑郁障碍的潜在治疗作用,是通过GTP信号途径在大脑皮质的调节诱导[32].GTP信令的调制也需要一些离子通道的活化,尤其是钙通道[33].DAVID功能聚类结果表明,不同强度的tDCS均影响GTP信号通路。此外,我们的数据显示,特别是250和500μA强度影响更多与钙离子结合和跨膜/信号肽相关的信号通路。我们的研究结果表明,tDCS可调节钙通道- gtp信号通路,为tDCS治疗某些精神疾病提供了可能的机制。基于本文的研究结果,还需要进一步的研究来阐明tDCS、精神障碍和这些途径之间的相互作用。

生物信息学分析还可以检测到与炎症相关的基因通路,在不同强度的刺激下,趋化因子和细胞因子信号的表达存在差异。这些通路对新陈代谢和细胞间通讯很重要,并可对神经可塑性、LTP和新神经通路的发展产生影响[12].这些途径可以同时用作过程由神经可塑性可能受到影响的指标,并作为建立电流强度和TDCS的持续安全参数时警告神经损伤的迹象。此外,增加的神经炎症的水平,因为在较高的强度示出,已经被报道涉及到认知损害,减少的认知性能,和抑郁症,从而诱导负行为改变[34-37].在我们的研究中,促炎细胞因子和通路的上调与所观察到的脑损伤相关,但在没有可见病变发生时也可以观察到。这些通路可以表明一些损害正在发生,而这些通路上调的数量可以表明电流强度对受试者的风险有多大。

除了DAVID Bioinformatics,我们还使用PANTHER数据库分析了我们的rna测序数据。PANTHER数据库的使用使得我们的数据可以使用其他数据库进行分析,并允许使用稍微不同的生物信息学方法来解释rna测序数据。PANTHER数据库分析显示,tDCS修饰了皮层中大约90个不同的功能生物通路、13个生物过程和26个蛋白质分子类别。如图所示4.,结果显示了与DAVID分析相似的模式,如炎症/免疫信号通路和细胞内信号通路。很多基因在250和500的交叉点μ一个函数作为细胞内信号传导,而大部分的基因中的所有强度的交叉点检测的被归类为免疫和炎症信号。如上所述,文献中讨论[30.]我们未公布的数据显示,在TDCS 2000 μ对大脑皮层(尤其是上层)造成一定程度的损伤。这一点,加上DAVID功能分析的数据,表明在2000年观察到的一些基因表达变化μA是组织损伤的结果,可能是由过高的电流强度引起的,因此可能是增加电流强度的混杂效应。

所述PANTHER途径分析显示,以不同强度TDCS改性某些神经递质受体的信号传导途径,包括血清素,肾上腺素能,GABA能,多巴胺能,乙酰胆碱,谷氨酸盐,和催产素受体。这些受体,如谷氨酸受体,需要以与Ras信号通路突触可塑性,和我们的数据中发现的该信号传导途径是通过阳极TDCS影响。有趣的是,250 μ甲强度表明Ras信号途径相关基因的最大表达,并且作为电流强度的增加,表达更少的基因。这些结果可能暗示与突触可塑性在刺激所有水平受影响但与突触可塑性信号传导途径更依赖于刺激电流强度该神经递质受体。

正如PANTHER生物分析工具所确定的,tDCS在所有电流强度水平下修改的两个最大的生物过程类别是细胞和代谢过程(图)4(一)).当这些类别被进一步分成亚类(图5.),我们发现细胞和代谢过程中的大多数基因被细分为细胞通讯和初级代谢过程类别(每个子类至少超过70%)。这些子类检测到的基因列于表中12.简单地说,在细胞通讯亚类中检测到与细胞内信号通路、受体、炎症反应相关的基因,在初级代谢过程亚类中检测到与跨膜蛋白、代谢通路、细胞内信号通路相关的基因。这些结果表明,tDCS在所有电流强度水平都能有效地改变细胞代谢和通讯。

Panther分子蛋白分析也产生了显着的发现,如图所示4 (b).PANTHER分析显示,皮层中有20类分子受到tDCS的影响。在所有蛋白质组中,最大的蛋白质类别是“受体”,其次是核酸结合、信号分子和酶调节剂类别。我们进一步分析了最大的蛋白类受体,发现了4个亚类:g蛋白偶联受体、细胞因子受体、配体门控离子通道和蛋白激酶受体。g蛋白偶联受体是受体范畴中最大的一个亚类,已知与神经递质受体、代谢途径、细胞外和细胞内信号通路相关。受体蛋白类的一个有趣发现是,受影响最大的蛋白亚类之一是细胞因子受体。这一结果,即tDCS显著影响多种受体途径,可能支持PANTHER分析显示细胞通讯发生显著变化的结果。这些细胞因子受体和其他受体在皮质中表达tdcs相关的潜在机制有待进一步研究。

为了评估tDCS强度对转录组表达的影响,我们计算了WGCNAs,并从中鉴定了15个模块。前2个模块的基因通过GO注释进行了通路分析。如表所示4., DAVID和PANTHERDB已经检测到给定模块中的一些功能通路为重要通路。特别地,通过DAVID功能分析检测到了来自棕色模块的有机物和来自深灰色模块的肝素结合的功能通路的响应(图)2).虽然WGCNA检测到的一些途径是独特的,例如细胞外间隙、细胞外区域、组织发育、血管发育和棕色模块中的血管发育,但许多其他途径从其他生物信息学分析中有明确的类似物。本研究采用的三种方法均检测细胞因子和趋化因子信号通路。WGCNA和DAVID生物信息学和PANTHER数据库分析的结果之间的这些相似之处强调了tDCS诱导信号通路的变化,特别是涉及细胞因子和趋化因子受体,而这些受体反过来对神经细胞如何通信、代谢、和结构。

虽然一些种类的基因,即那些与代谢或免疫反应有关的基因,在所有强度均显著上调,但这并不表明tDCS对基因表达的修饰不是剂量依赖性的。相反,某一类基因可能在所有强度下都上调,但属于这一类的特定基因可能因强度不同而不同。事实上,某些特定的通路在当前的所有强度下都可以上调,但根据调节基因的存在或缺失而产生不同的结果,这些基因显然是剂量依赖的。通过DAVID分析发现,功能通路以强度依赖性方式激活的一个显著例子是NLRP3炎性小体。炎症小体参与神经发生、炎症和神经可塑性,导致IL-1的产生β,其可以进一步上调炎症途径,偏光巨噬细胞的攻击性表型M1,募集其它免疫系统细胞,并导致组织损伤。在250和500 μA,该通路受IL-10、DUSP1和IL-1调控β与假手术组相比没有显著上调。在2000μA,情况相反:调控元件与假手术组相似,IL-1β显示3年来upregulation。因此,剂量依赖显然是tDCS显著影响的部分(但不是全部)基因表达水平变化的一个因素。因此,治疗中的调制应涉及频率刺激,但只有通过实验确定的电流强度的可接受参数。

此外,我们的发现可能提供证据支持一次性阳极tDCS对大脑功能的长期影响,如神经可塑性。最近的一项电生理学研究[14显示了一次性阳极tDCS对神经元可塑性和长期增强(LTP)的有益作用,据报道,tDCS诱导的急性变化持续数小时[121438].这种一次性脑刺激的持久效应可能是由基因、蛋白、表达和通路的变化引起的,这些基因、蛋白、表达和通路在神经元可塑性和LTP中发挥重要作用。虽然提供更多的证据是必要的,目前的研究表明,即使一次性阳极的tDCS修改各种基因和通路的表达,从而将表明,持久的一次性影响阳极的tDCS的大脑性能可能是转录组表达变化的结果。此外,未来还需要对转录组变化的时间进程进行更详细的研究。

5.结论

在这项研究中,我们揭示了anoDal TDCs在脑皮层中修饰了各种基因的表达。我们的数据提供了转录组证据,以解释当前anoOdal TDC对基因诱导模式的重要性的重要性。这些结果表明,与神经元功能有关的转录组变化数量增加,并确定了可能导致TDC对脑表现的有益效果有助于促进TDC的有益的途径。因此,非侵入性TDC可用于调节脑内的基因表达,对TDC的转录组响应的模式和大小取决于所施加的电流强度。

相互竞争的利益

两位作者宣称没有相互竞争的经济利益。

作者的贡献

Ben Holmes和Seung Ho Jung对这本书的贡献是一样的,应该被认为是共同第一作者。

致谢

本研究得到了科学研究空军办公室(AFOSR)(AFOSR)(授予13RH14COR和16RHCOR362)的拨款支持,并批准由美国空军研究实验室公开发布(分布A:批准公开发布。88ABW已清除12/22/ 2015; 88abw-2015-6167)。作者感谢Naomi Bechmann,Raquel Moore,Saline Hughes,R. Andy McKinley,Melanie Chin,Dick Godfrey,以及Andrew Jimenez为这项研究的贡献。

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