Nikasa M, Noruzinia M, Farshdousti Hagh M. Evaluation of Changes in Global DNA Methylation during Osteoblastic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells: A Laboratory Study. JRUMS 2022; 21 (2) :207-220
URL:
http://journal.rums.ac.ir/article-1-6327-fa.html
نیک آسا مینا، نوروزی نیا مهرداد، فرش دوستی حق مجید. ارزیابی تغییرات متیلاسیون تام ژنوم در طول تمایز استئوبلاستی سلولهای بنیادی مزانشیمی: یک مطالعه آزمایشگاهی. مجله دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان. 1401; 21 (2) :207-220
URL: http://journal.rums.ac.ir/article-1-6327-fa.html
گروه ژنتیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تبریز، تبریز، ایران
متن کامل [PDF 546 kb]
(708 دریافت)
|
چکیده (HTML) (925 مشاهده)
متن کامل: (556 مشاهده)
مقاله پژوهشی
مجله دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان
دوره 21، اردیبهشت 1401، 220-207
ارزیابی تغییرات متیلاسیون تام ژنوم در طول تمایز استئوبلاستی سلولهای بنیادی مزانشیمی: یک مطالعه آزمایشگاهی
مینا نیکآسا[1]، مهرداد نوروزینیا[2]، مجید فرشدوستی حق[3]
دریافت مقاله: 20/09/1400 ارسال مقاله به نویسنده جهت اصلاح: 14/10/1400 دریافت اصلاحیه از نویسنده: 04/02/1401 پذیرش مقاله: 05/02/1401
چکیده
زمینه و هدف: فرآیندهای کنترلی در تمایز استئوبلاستی سلولهای بنیادی مزانشیمی هنوز به طور کامل شناخته نشده است. مکانیسمهای اپی ژنتیک مخصوصاً متیلاسیون جزایر CpG در پروموتر ژنها به عنوان یکی از مهمترین مکانیسمهای کنترلی در تمایز سلولهای بنیادی مطرح است. اینکه در فرآیند تمایز تنها متیلاسیون برخی از ژنهای خاص تغییر مییابد یا متیلاسیون تام ژنوم دستخوش تغییرات میگردد، مورد بحث است. لذا در این تحقیق وضعیت متیلاسیون تام ژنوم در طول تمایز استئوبلاستیک سلولهای بنیادی مزانشیمی با محیط تمایزی و همچنین در تیمار با داروی زولدرونیک اسید مورد ارزیابی قرار گرفت.
مواد و روشها: در این پژوهش آزمایشگاهی پس از کشت و تکثیر سلولهای بنیادی مزانشیمی، القاء تمایز استئوبلاستی با استفاده از محیط تمایزی و داروی زولدرونیک اسید صورت گرفت. استخراج DNA در هفته اول، دوم و سوم تمایز و همچنین از سلولهای بنیادی مزانشیمی تمایز نیافته صورت گرفت. وضعیت متیلاسیون تام ژنوم با استفاده از آنتی بادی بر علیه 5-متیل سیتوزین ارزیابی شد. برای تحلیل داده از آزمون طرح اندازهگیری مکرر استفاده شد.
یافتهها: در طول تمایز استئوبلاستیک سلولهای بنیادی مزانشیمی وضعیت متیلاسیون تام ژنوم تغییر پیدا نکرد (093/0=p). همچنین تیمار با داروی زولدرونیک اسید بر روی متیلاسیون تام ژنوم تأثیر نداشت (057/0=p).
نتیجهگیری: تمایز استئوبلاستی سلولهای بنیادی مزانشیمی با استفاده از محیط تمایزی و نیز در تیمار با داروی زولدرونیک اسید، با تغییر متیلاسیون تام ژنوم همراه نیست. بنابراین فرآیند تمایز سلولهای بنیادی مزانشیمی به استئوبلاستها یک مسیر منحصر به فرد بوده و احتمالاً سایر مکانیسمهای ژنتیکی و اپیژنتیکی در کنترل آن ایفای نقش مینماید.
واژههای کلیدی: استئوبلاست، سلولهای بنیادی مزانشیمی، تمایز، متیلاسیون تام ژنوم، زولدرونیک اسید
مقدمه
تمایز سلولهای بنیادی مزانشیمی (Mesenchymal Stem Cells; MSCs) به استئوبلاستها یک پروسه تکاملی به شدت کنترل شدهای میباشد که تعداد زیادی از عوامل بیرونی مثل هورمونها، فاکتورهای رشد، مسیرهای پیام رسان و فاکتورهای رونویسی و غیره در آن دخالت دارند. فهم مکانیسمهای دخیل در تمایز سلولهای بنیادی مزانشیمی به سلولهای استئوبلاست از بحثهای مهمی در بیولوژی استخوان بوده و اهداف درمانی جدید را در درمان بیماریهای استخوانی پیش روی محققیق قرار میدهد ]1[.
تکثیر و تمایز استئوبلاستها توسط فاکتورهای نسخهبرداری زیادی شامل فاکتورهای نسخهبرداری از خانواده پروتئینهای مارپیچ-حلقه-مارپیچ (Helix-Loop-Helix)، پروتئینهای انگشت روی (Zinc Finger)، پروتئینهای قیچی لوسین (Lucine Zipper) و پروتئینهای حاوی دومن Runt، و همچنین پروتوانکوژنهایی همانند C-myc، C-jun و C-fos تحت کنترل و تنظیم است. قابلیت تمایز MSCs به ردههای مختلف سلولی از جمله استئوبلاست به دلیل پتانسیل بیان ژنها یا فاکتورهای نسخهبرداری اختصاصی دخیل در تمایز میباشد. دو فاکتور نسخهبرداری اختصاصی رده استئوبلاستیک شامل RUNX2 و OSTERIX (SP7) میباشد ]3-2[. این فاکتورهای نسخهبرداری ژنهای اختصاصی استئوبلاستی شامل استئوکلسین، استئوپونتین، کلاژن تایپ IαI و سیالوپروتئین استخوانی (Bone Sialoprotein) را مورد رونویسی قرار میدهند. سایر فاکتورهای نسخهبرداری دخیل در تمایز استئوبلاستی شامل TWIST1، ZBTB16، DLX5، MSX2، FRA1، DLX3، ATF4 و C/EBP هستند [4]. نقش تغییرات متیلاسیون ناحیه پروموتوری اکثر این ژنها و نیز الگوی بیان آنها در تمایز استئوبلاستی سلولهای بنیادی مزانشیمی مورد شناسایی قرار گرفته است و نشان دهنده تغییرات الگوی متیلاسیون ناحیه پروموتوری ژنهای اختصاصی رده استئوبلاستی در طول تمایز اسئوبلاستیک سلولهای بنیادی مزانشیمی میباشد [9-5]. در عین حال اطلاعاتی که نشان دهنده تغییرات متیلاسیون تام ژنوم در طول تمایز استئوبلاستی سلولهای بنیادی مزانشیمی باشد میتواند اطلاعات تکمیل کنندهای را در این زمینه ارائه دهد.
زولدرونیک اسید یک آمینو بی فسفونات و مهارکننده قوی بازجذب استخوان و در عین حال فعالکننده استئوبلاستها در استخوان سازی میباشد. از این دارو جهت پیشگیری از حوادث اسکلتی در بیمارانی که دچار بدخیمیهای پیشرفته استخوانی شدهاند و همچنین در درمان برخی اختلالات استخوانی که با افزایش Turn over استخوان همراهاند مثل بیماری پاژه و استئوپروز استفاده میشود [11-10]. مکانیسم اصلی این دارو مهار استئوکلاستها و در نتیجه مهار بازجذب کلسیم از استخوانها است، اما در عین حال این دارو با تسریع در تمایز استئوبلاستی سلولهای بنیادی مزانشیمی باعث افزایش تعداد و نیز فعالیت استئوبلاستها میگردد ]7[ که مکانیسم ملکولی آن هنوز به خوبی شناخته نشده است.
مکانیسم اصلی برای تغییرات اپی ژنتیک DNA ژنومی، هیپرمتیلاسیون جزایر CpG در ژنهای اختصاصی و هیپومتیلاسیون کلی DNA میباشد [12]. پروسه متیلاسیون DNA شامل انتقال گروه متیل از S-آدنوزیل-L-متیونین توسط آنزیم DNA متیل ترانسفراز (DNA Methyl Transferase; DNMT) بر روی کربن شماره 5 سیتوزین میباشد. متیلاسیون DNA اختصاصی ناحیه (Region Specific) عمدتاً در دی نوکلئوتیدهای CpG درون پروموتر یا اگزون اول ژنها یافت میشود که یک مسیر مهم برای مهار نسخهبرداری ژن است [13].
آنالیز متیلاسیون تام ژنوم یک تصویر کلی از تغییرات متیلاسیون DNA در گستره ژنوم ارائه میدهد و همچنین مقایسه مناسبی بین وضعیت متیلاسیون یک ژن و وضعیت متیلاسیون تام ژنوم ایجاد میکند. اهمیت بررسی تغییرات متیلاسیون تام ژنوم و مقایسه آن با متیلاسیون ژنهای اختصاصی در این است که آیا وضعیت متیلاسیون ژنهای اختصاصی متأثر از تغییرات متیلاسیون تام ژنوم هستند یا اینکه وضعیت متیلاسیون ژنها، اختصاصی بوده و مربوط به پروسه تمایز سلولها است؟ از طرف دیگر بررسی متیلاسیون تام ژنوم نشان میدهد که آیا وضعیت متیلاسیون تام ژنوم در طول تمایز تغییر میکند یا نه؟ ]14[ با توجه به اهمیت پاسخ به این سؤالات، در این مطالعه سلولهای بنیادی مزانشیمی با استفاده از محیط تمایزی استئوبلاستی و همچنین در تیمار با داروی زولدرونیک اسید به سمت استئوبلاستها تمایز داده شدند و تغییرات اپیژنتیک به صورت تغییرات متیلاسیون تام ژنوم مورد ارزیابی قرار گرفت.
مواد و روشها
این پژوهش آزمایشگاهی در سال 1399 با کد اخلاق IR.TBZMED.VCR.REC.1398.242 در دانشگاه علوم پزشکی تبریز انجام شد. در این مطالعه، سلولهای بنیادی مزانشیمی مشتق از مغز استخوان انسان از مرکز تحقیقات فناوری بنیاخته تهران تهیه گردید. این سلولها در مرکز تحقیقات فناوری بنیاخته از نظر توانایی تمایز به ردههای آدیپوژنیک، کندروژنیک و استئوژنیک مورد ارزیابی قرار گرفته و تأیید شده بودند. ماهیت سلولهای بنیادی مزانشیمی با استفاده از تکنیک فلوسیتومتری قبلاً مورد تأیید قرار گرفته بود [15]. سلولهای بنیادی مزانشیمی با شمارش 30000 سلول در میلی لیتر در فلاسک کشت سلول 75T به همراه 20 میلیلیتر محیط کشتDulbecco’s Modified Eagles Medium (DMEM)-low glucose (Gibco) و 10 درصد Fetal Bovine Serum (FBS) و 100 واحد بر میلیلیتر پنیسیلین و 100 میکروگرم بر میلیلیتر استرپتومایسین در انکوباتور 37 درجه سانتیگراد (مدل 3487، شرکت بهداد، ایران) با دی اکسید کربن 5 درصد کشت داده شدند [16]. سلولهای کشت داده شده بعد از رسیدن به تراکم 70-60 درصد با تریپسین جدا شده و تعدادی از سلولها مجدداً پاساژ داده شده و تعداد دیگر جهت القاء تمایز استئوبلاستیک و تیمار با داروی زولدرونیک اسید مورد استفاده قرار گرفتند.
تمایز استئوبلاستیک سلولهای بنیادی مزانشیمی در پاساژ دوم انجام شد. برای تهیه محیط تمایزی استئوبلاستی از محیط کشت عمومی DMEM، L-گلوتامین و 10 درصد FBS استفاده شد که به این محیط کشت فاکتورهای دگزامتازون با غلظت نهایی 10 نانومولار، بتا گلیسرول فسفات با غلظت نهایی 5 میلی مولار و آسکوربات-2-فسفات با غلظت نهایی 50 میکروگرم بر میلیلیتر اضافه گردید. نمونه برداری از سلولهای بنیادی مزانشیمی تمایزنیافته (روز 0) و سلولهای استئوبلاستی تمایزیافته (هفته اول، دوم و سوم) صورت گرفت ]17[.
ویالهای حاوی 4 میلیگرم پودر داروی زولدرونیک اسید از نمایندگی شرکت دارویی نوارتیس (Novartis pharma, Basel, Switzerland) در تهران تهیه گردید. این دارو در محیط کشت حل گردید. از غلظت نهایی 5 میکرومولار زولدرونیک اسید در محیط کشت، جهت تیمار به مدت 3 ساعت استفاده شد که اصطلاحاً تیمار ضربانی (Pulse Treatment) طبق مطالعات قبلی صورت گرفت. سپس محیط کشت تخلیه شده و با PBS شستشو داده شد. نهایتاً محیط تمایزی بر روی آنها اضافه شد و به مدت 21 روز کشت داده شدند. علاوه بر سلولهای تیمارشده با زولدرونیک اسید، MSCs بدون تیمار به عنوان کنترل کشت داده شدند. نمونه برداری از سلولهای بنیادی مزانشیمی تمایز نیافته (روز 0) و سلولهای استئوبلاستی تیمار شده در بازه زمانی هفته اول، دوم و سوم صورت گرفت [18].
رنگآمیزی آلیزارین رد برای تأیید تمایز استئوبلاستی استفاده گردید. برای انجام این آزمایش سلولهای بنیادی مزانشیمی در پلیتهای 6 خانهای کشت داده شدند. گروهی از سلولها با محیط تمایزی استئوبلاستی و گروهی با داروی زولدرونیک اسید تیمار شدند و گروهی هم به عنوان کنترل بدون تیمار کشت داده شدند. رنگ آمیزی آلیزارین رد در روز 21 کشت انجام گرفت. جهت رنگآمیزی در روز 21، محیط کشت تخلیه شده و سلولها با PBS شستشو شدند. فرمالدهید 40 درصد جهت فیکساسیون استفاده شد و مجدد با PBS شستشو شدند. نهایتاً آلیزارین رد 1 درصد اضافه شده و به مدت 30 دقیقه انکوبه شدند. سپس با آب مقطر شستشو شده و وجود یا عدم وجود رسوبهای قرمز رنگ کلسیم در زیر میکروسکوپ معکوس (مدل CKX53، شرک الیمپوس، ژاپن) مورد ارزیابی قرار گرفتند ]19[.
تعداد 106×4-3 سلول از هر فلاسک T75 جهت استخراج DNA ژنومی سلولهای استئوبلاستی تمایز یافته و سلولهای بنیادی مزانشیمی تیمار شده با داروی زولدرونیک اسید (روز 7، 14 و 21) و نیز سلولهای بنیادی مزانشیمی تمایز نیافته با استفاده از کیت استخراج DNA شرکت Roche طبق پروتکل مورد استفاده قرار گرفتند. کیفیت DNA استخراج شده با الکتروفورز بر روی ژل آگارز بررسی شد. مقدار DNA استخراج شده به واسطه جذب در طول موج 260 نانومتر اندازهگیری شد. خلوص DNA استخراج شده از طریق نسبت جذب در طول موج 260 نانومتر به 280 نانومتر سنجیده شد ]20[.
تغییرات متیلاسیون تام ژنوم در طول تمایز سلولهای بنیادی مزانشیمی به استئوبلاست تحت تأثیر محیط تمایزی و همچنین در طول تمایز سلولهای بنیادی مزانشیمی تیمارشده با داروی زولدرونیک اسید با استفاده از کیت Methylamp Global DNA Methylation Quantification Ultra Kit (Epigentek Group Inc., NY, USA) با استفاده از تکنیک الایزا به صورت Triplicate مورد سنجش قرار گرفت. اساس کیت، استفاده از آنتی بادی اختصاصی بر علیه 5-متیل سیتوزین جهت ارزیابی متیلاسیون تام ژنوم میباشد. درصد متیلاسیون تام ژنوم با استفاده از فرمول زیر محاسبه میشود ]21[: