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[转载]客户文章:转录组测序如何“画龙点睛”?

已有 357 次阅读 2024-5-21 10:53 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

[导读]

生物信息学(生信)是一个结合生物学、计算机科学和统计学的跨学科领域,在讲述生命科学的故事中扮演了至关重要的角色。

如何利用生信深入探索和阐述生物学现象呢?具体来说,通过解析DNA序列,我们可以揭示基因的结构、功能以及进化;转录组数据分析则让我们能够探究在特定环境下,基因是如何被激活或抑制,以及生物如何对环境变化做出反应;在翻译层面,蛋白质和代谢组学分析帮助我们理解细胞如何响应不同的生理和病理条件;系统生物学则将这些分散的数据点整合起来,构建出生物分子网络和信号传导的复杂途径,为我们提供了一个全方位理解生物学现象的框架。

转录组测序作为其中最成熟的技术手段之一,已经广泛地应用于多学科交叉领域,为不同的科学问题提供了相应的机制探索与数据分析基础。

然而,在科研的路途中,很多小伙伴的内心可能产生过相似的疑惑:在我的科学问题中,需要用到转录组吗?转录组能用在我的研究里吗?本期公众号,我们将精选两篇纽科生物转录组客户文章,带领大家重新领略这一项技术,了解它如何在不同的科研领域中发光发热。期望每一位科研同仁在阅读完毕后,都能在自身研究中为转录组测序找到一个清晰而坚定的定位。

[客户文章1——转录组测序应用于骨生物学] 

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英文标题:Loss of PA28γ exacerbates imbalanced differentiation of bone marrow stromal cells during bone formation and bone healing in mice

中文标题:PA28γ的缺失加剧了小鼠骨形成和骨愈合过程中骨髓基质细胞分化的不平衡

发表期刊:Journal of Bone and Mineral Research(IF = 6.2)

纽科生物提供:转录组测序 + 生信分析

 

[客户文章2——转录组测序碰撞材料科学]2案例二标题.png

英文标题:Flexible CopperDoped Silica Fibers Promote Infected Conjunctival Tissue Repair Through Antibacterial and Antiinflammatory Effects

中文标题:柔性掺铜二氧化硅纤维通过抗菌和抗炎作用促进感染结膜组织修复

发表期刊:Advanced Fiber Materials(IF = 16.1)

纽科生物提供:转录组测序 + 生信分析

第一篇研究由浙江大学医学院附属口腔医院发表,聚焦于骨骼愈合和再生,探讨了PA28γ缺失和过表达对骨髓基质细胞(BMSCs)分化的影响,以及这种影响如何导致骨骼形成和修复的失衡;第二篇文章来自上海市第九人民医院,着眼于材料科学,研究如何通过特殊的生物材料(掺铜的硅纤维)促进结膜炎感染组织的修复。两篇文章看似在研究领域上大相径庭,但它们不约而同地采用了转录组测序技术,为它们各自的研究提供了深刻的分子层面见解。两篇文章看似在研究领域上大相径庭,但它们不约而同地采用了转录组测序技术,转录组测序及其数据分析均起到了承上启下的作用。在夯实表型数据的同时,用差异表达基因解释分析表型背后的机制原因,增加了文章深度,提供了实验干预的理论基础。

客户文章1:PA28γ可影响BMSCs的成骨分化和脂肪生成

1.    建立表型,动物模型实验:

为了探究PA28γ在骨形成中的潜在功能,作者构建了小鼠的动物模型,发现敲除PA28γ后,小鼠明显呈现骨量低、脂质堆积的特征(图1)。

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图1. PA28γ 的敲除会导致骨量降低和脂质积累

2.    巩固表型,基因表达干预:当PA28γ表达被抑制时,BMSCs的成骨分化过程受到显著抑制,并伴有成脂分化的增强现象(图2);相对地,在PA28γ过表达的条件下,BMSCs的成骨分化能力得到显著提升,同时成脂分化过程受到有效遏制(图3)。

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图2. PA28γ沉默抑制了BMSCs的成骨作用并提高了成脂分化。

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图3. PA28γ的过度表达促进了BMSCs中的成骨分化并损害成脂分化。

3.    转录组测序助力探讨PA28γ分子机制:

为了深入揭示PA28γ参与的信号通路,作者对PA28γ敲除的BMSCs与野生型BMSCs进行了转录组RNA测序分析,鉴定出494个差异表达基因,并进一步通过GO和GSEA分析了相关通路。与对照组相比,在PA28γ缺失的BMSCs中,WNT信号通路的活性显著降低,这表明PA28γ的敲除可能对WNT信号通路产生了负向调控作用(图4)。

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图4. PA28γ敲除对WNT信号通路的负向调控

4.    分子生物学实验验证PA28γ与Wnt作用关系:

蛋白质印迹分析和免疫沉淀表明,敲除PA28γ后Wnt5α蛋白表达水平显着降低,Wnt/β-catenin通路受到抑制,从而影响BMSCs分化稳态。接下来,为了验证PA28γ和Wnt/β-catenin的相关调控机制,使用小干扰RNA(siRNA)敲除了Wnt5α。PA28γ过表达组中Wnt5α的缺失显著延缓了BMSCs成骨分化的促进,并部分减轻了BMSCs成脂分化的抑制作用(图5)。

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图5. Wnt5α 的敲除部分挽救了 PA28γ 过表达细胞的成脂分化并抑制成骨分化

 

客户文章2:柔性掺铜二氧化硅纳米纤维(SiO2@Cu NFs)促进眼结膜的结构和功能修复

1.    材料理化性质的前期研究:

作者通过溶胶-凝胶静电纺丝方法制备了SiO2@Cu NFs,并评估了它的理化特性(图6)。SiO2@Cu NFs纤维表面光滑,直径受铜含量影响而变化。铜和硅元素在纤维中均匀分布,展现出良好的亲水性。此外,通过优化化学成分使纤维的机械性能得到提升,并能够实现Si4+和Cu2+离子的持续释放。

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图6. SiO2@Cu NFs的形态分析

2.    经典细胞实验评估材料与生物体的关系:

作者从细胞增殖、抗氧化、总蛋白分泌、胶原蛋白产生和 VEGF 积累、血管生成、体外划伤试验和 Transwell 迁移试验,多方面阐释了SiO2@Cu NFs的细胞相容性(图7)。

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图7. SiO2@Cu NFs的细胞相容性

3.    经典细胞实验探索生物学影响:

对SiO2@Cu NFs的抗菌活性进行评估,发现这些纤维对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)具有显著的抗菌效果。此外,SiO2@Cu NFs能够通过调节巨噬细胞的极化,从促炎的M1表型转变为抗炎的M2表型,从而发挥抗炎作用(图8)。

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图8. SiO2@Cu NFs的抗菌抗炎特性

4.    在体实验证明生物材料应用潜能:

在体内实验中,SiO2@Cu NFs显著促进了感染性结膜缺损的修复和愈合,表现出良好的抗菌效果和促进组织再生的能力。特别是SiO2@Cu-0.5% NFs组,在14天后显示出较少的残余缺损,并且促进了分层的上皮再生和新血管的形成,以及结膜腺细胞的生成(图9)。

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图9. 兔结膜缺损的再生

5.    细化机制,转录组数据挖掘相关信号通路变化:

通过对SiO2@Cu-0.5% NFs处理的伤口组织进行全转录组RNA测序(图10),发现这些纤维显著激活ECM受体相互作用和细胞因子-细胞因子受体相互作用的信号通路,促进了ERK1和ERK2级联的正向调节从而有效促进细胞迁移、血管生成和伤口愈合,同时抑制炎症反应,为包括但不限于结膜炎感染在内的不同类型的眼部疾病的再生提供了广泛的可能性。

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图10. 全转录组 RNA 测序揭示了伤口微环境

 

[总结]

在第一篇文章中,作者首先通过对PA28γ敲除小鼠的研究,从骨骼形态和脂质含量等直观指标的变化,得到了初步的发现。随后,研究进一步深入到细胞层面,探讨了PA28γ基因的敲除和过表达如何影响BMSCs的成骨分化和脂肪生成。在此基础上,通过转录组RNA测序技术,成功鉴定了PA28γ调控的关键信号通路,进而揭示了PA28γ在调节骨分化过程中的分子机制。这种逐步深入的研究设计,使得复杂的生物学过程得以逐步解析,易于理解。

在第二篇文章中,作者采用了平行展开的研究思路。他们制备了一种新型的二氧化硅纳米纤维材料(SiO2@Cu NFs),评估了它在理化形态、细胞相容性、抗菌抗炎等方面的能力,又在兔子的体外实验中验证了该材料对感染性结膜缺损的修复和愈合能力。最后,通过RNA测序,作者从分子层面说明了SiO2@Cu NFs对细胞迁移、血管生成和伤口愈合等相关通路的激活,揭示了该材料在治疗其他眼部疾病中的潜在价值。尽管这篇文章涉及的是材料学领域,但转录组测序的应用为材料的生物学功能提供了有力的分子证据,多角度的验证更体现了科学研究的深度和严谨性。

在高通量测序发展至今,转录组测序已经广泛应用于生命科学的各个领域分支,有了充分的证据证明表型数据的可靠性之后,有必要通过组学的信息进一步探索表型背后的故事,高质量的测序数据一定会为您的生物问题研究提供新的思路。

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