纳米氧化锌选择细胞毒性相关lncRNA表达谱分析及基因调控网络信息研究

Long non-coding RNAs (lncRNAs) are emerging as new endogenous nucleic acid molecules to regulate genes expressions. LncRNAs play important roles in the cell proliferation, differentiation and apoptosis. The abnormal expressions of lncRNAs are associated with tumor. To explore the molecular mechanisms of selective cytotoxicity between tumor cells and normal cells induced by zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs), we analyze lncRNAs expression profiles and their targets information. In the study, we investigate the specific differential expression of both lncRNAs and mRNA by the lncRNA microarry and the quantitative PCR. To study the signaling regulations of tumor cell-targeted cytotoxicity, we establish lncRNAs expressions profiles using bicluster analysis and other methods, and build the lncRNAs genetic regulatory networks model to explore the role of lncRNA in the selective cytotoxicity, forecasting target molecules of lncRNAs by bioinformatics and algorithm analysis. The project will reveal the roles and the signaling pathways of lncRNAs in the targeted killing of tumor cells by ZnO NPs, and provide new information to clarify the cytotoxicity mechanisms of ZnO NPs, and also provide new targets for cancer treatment.

长链非编码RNA（lncRNA）是近年发现的对基因表达起调控作用的内源性核酸分子，在细胞增殖、分化和凋亡等过程中起重要作用，lncRNA异常表达与肿瘤有关。本项目拟通过lncRNA表达谱及靶标信息分析阐释纳米氧化锌颗粒（ZnO NPs）选择性诱导肿瘤细胞毒性效应的分子机制。本研究中，利用lncRNA芯片及定量PCR检测lncRNA和mRNA的特征性差异表达，并应用双向聚类分析等方法构建lncRNA和mRNA共表达谱，进行ZnO NPs选择靶向肿瘤细胞毒效应有关的信号调控研究。应用生物信息学和数学计算工具建立lncRNA的基因调控网络模型，探索lncRNA在选择细胞毒性中的作用，预测lncRNA靶标分子。本项目将揭示lncRNA在ZnO NPs靶向杀伤肿瘤细胞中的作用和信号途径，为阐明ZnO NPs的细胞毒效应机制提供新资料,也可为肿瘤治疗提供新的靶点信息。

纳米氧化锌（ZnO NPs）作为一种常见的功能材料，近年来发现其具有选择细胞毒性作用，目前其分子机制尚不清楚。长链非编码RNA（lncRNA）是一类对基因表达起调控作用的内源性核酸分子，在细胞增殖、分化和凋亡等过程中起重要作用，它的异常表达与肿瘤密切相关。本课题重点探索了ZnO NPs靶向肿瘤细胞的筛选和相关选择细胞毒性的lncRNA表达谱特点。研究中，我们通过检测不同浓度和时间的ZnO NPs暴露下肿瘤细胞和正常细胞的毒性效应，发现对比正常人前列腺上皮细胞RWPE-1，8 µg/mL ZnO NPs即可对人前列腺癌PC-3细胞产生明显选择细胞毒性效应，涉及有细胞膜损伤、氧化应激、细胞周期G2/M期阻滞和细胞凋亡等。我们应用lncRNA芯片技术对前期研究筛选的ZnO NPs处理PC-3细胞组（PC-3/ZnO）与未处理对照组(PC-3和RWPE-1)均进行了lncRNA表达谱分析。结果显示，PC-3/ZnO细胞组与PC-3细胞对照组相比，其差异度与RWPE-1组相比PC-3组的表达差异度有较高的一致性。CBR3-AS1、RP11-149123.3、AF070581和 KCNQ5-IT1等lncRNA差异表达通过定量PCR技术获得验证。我们也对相关显著差异表达基因进行了生物功能和信号通路富集分析，研究表明纳米氧化锌细胞毒性效应具有酶活性蛋白质的结合，主要生物功能具有调节Rac GTP酶活性，前列腺素受体和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性作用。纳米氧化锌靶向PC-3细胞毒性涉及了26条信号通路的显著下调和64条信号通路的显著上调（P<0.05），其中主要涉及有干预病毒致癌和TGF-β等多条肿瘤生物信号通路作用。另外，通过构建ceRNA调控网络分析，预测了ZnO NPs靶向细胞毒性中差异表达的RP11-149123.3、AF070581和 KCNQ5-IT1的可能靶标分子和信号途径。本研究为阐明ZnO NPs的细胞毒性分子机制提供了新的资料，也为前列腺肿瘤治疗提供了新的靶点信息。