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劉堃教授:O-GlcNAc糖基化修飾參與DR新生血管形成的前沿進展

編者按



糖尿病性視網膜病變(Diabetic Retinopathy,DR)是由糖尿病所引起的致盲性眼部并發癥,是世界衛生組織(World Health Organization,WHO)公布的三大致盲性眼病之一,同時也是導致工作人群失明的主要原因[1]DR可以分為非增殖型(non-proliferative diabetic retinopathy,NPDR)和增殖型(proliferative diabetic retinopathy,PDR)。DR進入增殖期的標志性病理改變是新生血管形成。近日,一項納入來自全球35項研究的22896例糖尿病患者的Meta分析顯示:在糖尿病患者中,DR的患病率為34.6%,其中PDR患病率為6.96%,糖尿病性黃斑水腫(diabetic macular edema,DME)患病率為6.81%[2]我國流行病學調查發現:糖尿病患者中DR的患病率為23%,其中NPDR為19.1%,PDR為2.8%[3]隨著我國糖尿病發病率的逐年增高,DR已成為當前國人主要致盲原因之一[4,5]CCOS 2022會議上,上海交通大學附屬第一人民醫院劉堃教授帶來了其團隊在眼底病基礎研究的前沿進展。


DR新生血管形成機制的探索





DR的病理改變主要是視網膜毛細血管內皮損害,包括選擇性周細胞喪失、基底膜增厚、毛細血管閉塞和因血視網膜屏障功能受損發生的滲漏,導致廣泛的視網膜缺血,晚期導致視網膜水腫和新生血管形成。DR的發病機制極為復雜,在高血糖的基礎上,多種機制參與其發病過程[6,7]如多元醇通道活性的增加、蛋白激酶C(PKC)的激活、己糖胺通路的激活、視網膜的氧化損傷、非酶糖基化終末產物(AGEs)形成增加等。但具體的分子機制還未完全明了,仍是當眼科學者們關注的熱點。


O-GlcNAc糖基化修飾是一種獨特的翻譯后修飾(post-translational modification,PTM)形式,最早于1984年被發現[8]其獨特性體現在,O-GlcNAc糖基化修飾是一種高度動態的、循環的PTM,以UDP-GlcNAc為供體,在N-乙酰氨基葡萄糖轉移酶(β-N-acetylglucosaminyl transferase,OGT)的催化作用下,由O-糖苷鍵連接到蛋白質的絲氨酸/蘇氨酸殘基上。相反,在N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(β-N-acetylglucosaminidase,OGA)的作用下,O-GlcNAc從絲氨酸/蘇氨酸殘基上水解[9]外界葡萄糖水平的變化,可以通過己糖胺通路影響UDP-GlcNAc供體,進而影響細胞內蛋白質的O-GlcNAc糖基化修飾。


糖尿病最重要的表現是高血糖狀態。血糖升高,導致UDP-GlcNAc供體增加,蛋白質的O-GlcNAc糖基化修飾增強。在以往的研究中發現,O-GlcNAc糖基化修飾在糖尿病性心肌病和糖尿病性腎病的發病過程中起到重要作用[10,11]而近期研究指出,O-GlcNAc糖基化修飾在DR進程中也具有類似的作用[12]在高糖培養的視網膜內皮細胞中,參與糖基化過程的糖基轉移酶及其糖基化產物發生改變[13]在糖尿病鼠視網膜組織中,蛋白質的O-糖基化修飾水平上調[14]


新生血管形成是DR進入增殖期的標志。視網膜新生血管破裂,引起玻璃體出血,刺激視網膜血管收縮,引起牽拉性視網膜脫離,是造成DR患者視力損害的主要原因[15,16]新生血管形成是一個動態平衡的過程,受到促血管生成因子如血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)以及抗血管生成因子如色素上皮衍生因子(pigment epithelium derived factor,PEDF)的共同調控[17]在促血管生成因子作用下,血管內皮細胞增殖、遷移、形成管腔,進而形成新生血管。目前,眼內注射抗VEGF藥物治療DR新生血管取得了較好的治療效果,但眼內注射抗-VEGF藥物有一定的副作用,例如眼內出血、眼內炎、神經網膜損傷、缺血-再灌注損傷等[18-21]因此,眼科學者們仍然對促進DR新生血管形成的新靶點和新機制進行不懈探索。


  • 以往研究發現,在高糖培養的視網膜細胞中,轉錄因子特異性蛋白1(transcription factor specificity protein 1,Sp1)的O-GlcNAc糖基化修飾能促進VEGF的表達[22]VEGF表達上調是DR新生血管產生的直接原因,上述發現表明O-GlcNAc糖基化修飾可能與視網膜新生血管形成存在某種關聯。


  • Runt相關轉錄因子1(Runt-related Transcription Factor 1,RUNX1)是RUNX轉錄因子家族的一員,在細胞譜系分化方向的決定、正常造血細胞的形成和干細胞增殖中均發揮重要作用[23]以往的研究發現,在低氧誘導的視網膜新生血管模型小鼠中,抑制RUNX1能明顯抑制模型小鼠視網膜新生血管的形成;在HRMECs中敲除RUNX1,細胞的成管能力下降[24]說明RUNX1有明確的促血管生成作用,但其機制還不明了。




新進展:O-GlcNAc糖基化修飾與RUNX1和DR新生血管之間的關聯





基于以上背景,劉教授及其團隊研究了O-GlcNAc糖基化修飾與RUNX1和DR新生血管之間的關聯:
  • 通過Western blot實驗證實,高葡萄糖條件能夠上調視網膜微血管內皮細胞HRMEC的O-糖基化修飾水平,并且在正常糖濃度和高糖情況下添加O-糖基化修飾促進劑,細胞O-糖基化修飾水平隨之上調。
  • 分別通過CCK8細胞增殖實驗,免疫熒光實驗證實,與正常糖濃度相比,高糖培養的視網膜微血管內皮細胞增殖增加,添加O-糖基化修飾促進劑能夠進一步促進視網膜微血管內皮細胞增殖,并且通過凋亡指標的Western blot實驗證實,各組之間細胞凋亡沒有差別,增殖的增加并不是因為某組凋亡減少才體現出差異。

  • 通過劃痕實驗,Transwell實驗以及成管實驗證實,與正常糖濃度相比,高糖能夠促進視網膜微血管內皮細胞遷移及成管,并且添加O-糖基化修飾促進劑能夠進一步促進視網膜微血管內皮細胞遷移和成管。


上述實驗證實,增加的糖濃度及O-糖基化修飾水平能夠促進視網膜微血管內皮細胞的增殖和遷移。
在證實上調葡萄糖濃度及O-糖基化修飾水平能夠促進視網膜微血管內皮細胞的增殖和遷移之后,劉教授及其團隊又對高糖和O-糖基化修飾的作用進行了反向驗證:
  • 分別在正常和高糖條件下添加O-糖基化修飾抑制劑,通過Western blot實驗證實添加的O-糖基化修飾抑制劑能夠有效降低細胞的O-糖基化修飾水平。
  • 重復了cck8細胞增殖實驗、免疫熒光實驗,發現添加O-糖基化修飾抑制劑能夠有效抑制視網膜微血管內皮細胞的增殖,并且通過凋亡指標的Western blot實驗證實,各組之間細胞凋亡沒有差別,增殖的減少并不是因為某組細胞凋亡增加才體現出差異。
  • 進行了劃痕實驗、Transwell實驗以及成管實驗,證實下調O-糖基化修飾水平后,細胞的遷移和成管能力隨之下調。


以上實驗證實,隨著O-糖基化修飾水平降低,視網膜微血管內皮細胞的增殖和遷移能力也下降。
證實了O-糖基化修飾的作用以后,劉教授及其團隊繼續探索RUNX1在這個過程中的作用:
  • 通過兩條不同的siRNA序列對細胞中的RUNX1進行敲減,通過Western blot實驗證明敲減有效。
  • 分別在正常糖濃度、高糖濃度、添加和不添加O-糖基化修飾促進劑、敲減和不敲減RUNX1的情況下進行CCK8和免疫熒光實驗,證實在敲減RUNX1之后,高糖和高O-糖基化修飾水平對視網膜微血管內皮細胞增殖的促進作用都減弱了。
  • 分別在正常糖濃度、高糖濃度、添加和不添加O-糖基化修飾促進劑、敲減和不敲減RUNX1的情況下進行劃痕實驗、Transwell實驗以及成管實驗,發現敲減RUNX1之后,高糖和高O-糖基化修飾水平對視網膜微血管內皮細胞遷移和成管的促進作用也減弱了。

通過上述實驗,證實高糖和高O-糖基化修飾水平對視網膜微血管內皮細胞增殖和遷移的促進作用必須有RUNX1存在。
劉教授及其團隊進而探索了其可能機制:
用STZ誘導糖尿病大鼠模型,升高的血糖、降低的體重和紊亂的視網膜結構證實造模成功。取視網膜進行了免疫共沉淀實驗,發現糖尿病大鼠視網膜組織中,RUNX1的O-糖基化修飾增強。對細胞也進行了免疫共沉淀實驗,發現在高糖培養的細胞中,RUNX1的O-糖基化修飾增強,而添加O-糖基化修飾促進劑后,RUNX1的O-糖基化修飾進一步增強,因此推測O-糖基化通過修飾RUNX1影響視網膜血管內皮細胞的增殖和遷移,進而影響新生血管形成。

通過上述實驗,證實了O-糖基化修飾通過RUNX1對DR新生血管的促進作用。





小結:未來,可通過對修飾位點的測序和突變進行更深入的機制探究,期待有更多新的發現,還DR患者光明視界。


參考文獻

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(來源:《國際眼科時訊》編輯部)

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