高尿酸影响小鼠脂肪细胞 3T3-L1的数字基因表达谱分析及诱导胰岛素抵抗的分子机制

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背景:  尿酸是嘌呤碱在人体内代谢所产生的产物。一般情况下,人体内的尿酸合成和代谢处于平衡状态,当尿酸合成增加或代谢减少时,可导致高尿酸血症。随着人们生活方式的改变,高尿酸血症的发病率呈逐年上升趋势。研究表明,尿酸水平升高与多种代谢紊乱如痛风、心血管疾病、肾脏疾病及代谢综合症等密切相关。高尿酸血症常与糖代谢异常尤其是胰岛素抵抗并存,参与糖尿病和心脑血管疾病的病理过程,最终诱发各种并发症,严重影响患者的生活质量。已有研究表明高尿酸血症与胰岛素抵抗密切相关,尿酸值升高是糖尿病及胰岛素抵抗的一个良好的预测指标。脂肪组织是脂肪储存组织,在糖脂代谢中扮演着至关重要的角色。同时,脂肪组织也是一个内分泌器官,可分泌多种脂肪因子。脂肪细胞在胰岛素抵抗的发生发展中担任着重要的作用。脂肪细胞的功能障碍会导致氧化损伤,增加游离脂肪酸的释放,最终导致胰岛素抵抗和糖尿病的发生。我们的前期研究发现高尿酸可通过增加ROS水平,抑制肝细胞、心肌细胞和骨骼肌细胞的胰岛素信号通路IRS1-AKT途径,引起胰岛素抵抗。然而,高尿酸对脂肪细胞的糖脂代谢、氧化应激、脂肪因子及细胞分化等的影响以及分子机制尚不清楚。我们需要通过不同的实验方法进一步研究高尿酸影响脂肪细胞的病理生理学机制。  目的:  分析高尿酸处理后小鼠脂肪细胞3T3-L1数字基因表达谱的变化,全面研究高尿酸对脂肪细胞糖脂代谢等相关方面的影响;进一步研究高尿酸在脂肪细胞胰岛素抵抗产生中的作用及分子机制。  方法:  ⑴用含10%小牛血清的高糖DMEM培养基培养小鼠脂肪细胞3T3-L1,培养至细胞密度达100%后融合两天,更换含1μmol/L地塞米松、0.5mmol/L IBMX、10μg/ml胰岛素、10%胎牛血清的高糖 DMEM培养基诱导分化2天,再换为含10μg/ml胰岛素、10%胎牛血清的高糖 DMEM培养基诱导分化2天,最后换为含10%胎牛血清的高糖DMEM培养基诱导分化4天。显微镜下观察到超过90%的细胞含脂滴,则诱导成功。⑵用15mg/dL的尿酸作用于小鼠脂肪细胞3T3-L124h,次日使用TRIzol法提取RNA,送至北京诺禾致源科技股份有限公司进行数字基因表达谱(DGE)分析。方法如下:使用琼脂糖凝胶电泳分析样品RNA完整性及是否存在DNA污染;使用NanoPhotometer spectrophotometer检测 RNA纯度(OD260/280及 OD260/230比值);使用 Qubit2.0 Fluorometer进行RNA浓度精确定量;使用Agilent2100 bioanalyzer精确检测RNA完整性。使用Illumina测序检测差异基因。采用 clusterProfiler软件对差异基因集进行GO功能富集分析,KEGG通路富集分析,Reactome通路富集分析。⑶小鼠脂肪细胞3T3-L1经10mmol/L NAC过夜处理,12mg/dL的尿酸溶液处理30分钟后,换为含10μmol/L DCFH-DA的无血清DMEM培养基,37℃细胞培养箱内孵育5分钟, PBS液洗涤后,使用倒置荧光显微镜观察细胞的荧光强度;或者使用流式细胞仪进行检测。⑷小鼠脂肪细胞3T3-L1经含10mmol/L NAC的无血清低糖DMEM过夜处理。12mg/dL尿酸作用30min,改为含荧光标记葡萄糖100μmol/L2-NBDG、12mg/dL尿酸和1μmol/L胰岛素的PBS溶液培养45min,使用倒置荧光显微镜观察细胞;或者使用流式细胞仪进行检测。⑸用不同浓度、不同作用时间的尿酸,作用小鼠脂肪细胞3T3-L1,使用蛋白免疫印迹(Western Blotting)检测尿酸处理后小鼠脂肪细胞3T3-L1胰岛素信号通路蛋白AKT(S473)的磷酸化水平,确定尿酸的最佳作用浓度及时间。⑹小鼠脂肪细胞3T3-L1经10mmol/L NAC的无血清高糖DMEM过夜处理,12mg/dL尿酸处理30min,胰岛素100nmol/L处理5min,提取蛋白后使用蛋白免疫印迹(Western Blotting)检测IRS1(S307)、AKT(S473)磷酸化水平。⑺小鼠脂肪细胞3T3-L1经15mg/dL的尿酸处理24h,次日,收集对照组和实验组的细胞培养液,使用脂联素Elisa试剂盒检测培养液中的脂联素浓度。  结果:  ①通过DGE分析,高尿酸引起小鼠脂肪细胞3T3-L1表达差异性显著基因共187个,其中上调差异基因90个,下调差异基因97个。②通过差异基因GO分析,差异基因富集主要集中在转录调控、脂质代谢、染色质重构、脂肪细胞分化等过程;差异基因KEGG分析,差异基因富集主要参与糖酵解/糖异生、PPAR信号途径、溶酶体、过氧化物酶体、磷酸肌醇代谢、二羧酸代谢、氨基酸生物合成、多糖降解等途径;差异基因Reactome分析,差异基因富集主要参与细胞质IP3和IP4的合成、鞘糖脂代谢、FGFR的下游信号激活、PI3K途径、PIP3-AKT途径等。③与糖脂代谢相关的差异基因43个,包括28个上调和15个下调。与活性氧信号转导途径相关的差异基因9个,包括8个上调和1个下调。与胰岛素信号通路相关的差异基因7个,包括2个上调和5个下调。与脂肪细胞分化相关的差异基因7个,包括5个上调和2个下调。④高尿酸诱导小鼠脂肪细胞3T3-L1 ROS水平升高,抗氧化剂 NAC抑制高尿酸诱导的ROS水平升高。⑤高尿酸抑制小鼠脂肪细胞3T3-L1胰岛素刺激的2-NBDG摄取,抗氧化剂NAC改善小鼠脂肪细胞3T3-L1的2-NBDG摄取。⑥高尿酸升高 IRS1(S307)磷酸化水平,降低 AKT(S473)磷酸化水平。使用抗氧化剂NAC可恢复高尿酸升高的 IRS1(S307)磷酸化水平和抑制的 AKT(S473)的磷酸化水平。  结论:  高尿酸影响小鼠脂肪细胞3T3-L1糖脂代谢、活性氧信号转导途径、胰岛素信号通路和脂肪细胞分化等基因表达;高尿酸增加ROS水平、抑制IRS-1/AKT信号通路、诱导小鼠脂肪细胞3T3-L1胰岛素抵抗。
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