抽象
多囊卵巢综合征 (PCOS) 是女性不孕症的常见原因,由遗传和环境因素之间的复杂相互作用引起,高雄激素血症是核心病理特征。虽然越来越多的证据表明昼夜节律紊乱与 PCOS 中雄激素过多症的发展有关,但其潜在机制仍不清楚。在这项研究中,我们对暴露于黑暗 8 周的大鼠卵巢颗粒细胞进行了 DNA 甲基化分析和 RNA 测序,并确定丝氨酸蛋白酶抑制剂家族 E 成员 1 (SERPINE1) 是关键参与者。SERPINE1 在深色组中显著低甲基化和上调,与雄激素水平升高相关。从机制上讲,使用基于 CRISPR-dCas9 的靶向甲基化,我们发现 SERPINE1 转录起始位点附近的 CpG 低甲基化驱动其过表达。功能测定显示,SERPINE1 抑制激活了 PI3K/AKT 信号通路,从而增强 CYP19A1 表达和酶活性,从而促进体外雄激素转化。此外,用 SERPINE1 抑制剂 tiplaxtinin 治疗减轻了用脱氢表雄酮治疗或暴露于黑暗中的大鼠模型的生殖和代谢异常。这些发现强调了 SERPINE1 在昼夜节律破坏诱导的高雄激素血症中的作用及其作为基于 PCOS 的甲基化组诊断生物标志物的潜力。SERPINE1 的药物抑制成为高雄激素 PCOS 的一种有前途的治疗策略。
关键词: 多囊卵巢综合征,serpine1(serpin 家族 e 成员 1),DNA 甲基化,昼夜节律紊乱暴露,高雄激素血症
SERPINE1 显示,当暴露于昼夜节律紊乱时,CpG 启动子区域 TSS 附近发生低甲基化,并且其基因表达通过 PI3K/AKT 通路触发高雄激素血症。SERPINE1 抑制剂 TPX 可以显著降低连续黑暗暴露大鼠和 DHEA 处理大鼠的血清 SERPINE1 水平并降低异常高的睾酮水平。

1. 引言
多囊卵巢综合征 (PCOS) 是女性不孕症的主要原因,影响全球约 6-20% 的育龄妇女 [ 1 , 2 ]。它具有高度异质性的临床症状。许多患有 PCOS 的女性患有高雄激素血症、慢性无排卵和严重的健康后果,例如生育能力下降和 2 型糖尿病 [ 3 ]。高雄激素血症是 PCOS 的标志性特征,在疾病发展中起着关键作用 [ 4 ],影响患者的生殖和代谢功能,加重妊娠并发症 [ 5 ]。由于疾病的临床异质性以及缺乏明确的机制病因和特异性预后标志物,精确的 PCOS 管理受到阻碍。因此,需要确定参与 PCOS 高雄激素血症发病机制的其他因素,以确定独特的药理学靶点。
PCOS 是由遗传和环境因素共同引起的。越来越多的证据表明,环境暴露和生活方式问题,尤其是昼夜节律紊乱,与 PCOS 的发展密切相关 [ 6 , 7 , 8 ]。许多患有 PCOS 的女性会出现睡眠障碍和昼夜节律紊乱 [ 9 , 10 ],外周血单核细胞和卵巢颗粒细胞 (GCs) 中的昼夜节律基因表达异常,雄激素代谢基因表达异常 [ 6 , 7 ]。然而,高雄激素血症与 PCOS 昼夜节律紊乱之间的因果关系以及潜在机制尚未明确。我们之前的研究利用大鼠的夜间活动特性开发了一种连续暴露在黑暗中的大鼠模型,以模拟人类长时间的夜间活动。该模型概括了 PCOS 的大部分诊断标准,包括高雄激素血症、发情周期功能障碍、多囊卵巢和胰岛素抵抗 [ 11 , 12 ]。我们希望该模型有助于确定 PCOS 病因的潜在机制。
表观遗传修饰,例如 DNA 甲基化,弥合了自然和后天之间的差距,因为它们可以受到环境暴露的影响,从而增加疾病易感性。患有 PCOS 的女性表现出异常的 DNA 甲基化 [ 13 ]。有趣的是,与生殖功能、卵巢类固醇生成、葡萄糖和脂质代谢、脂肪组织活动、炎症和免疫反应调节相关的基因甲基化被认为与 PCOS 的发展有关 [ 14 , 15 ]。然而,人们对参与昼夜节律紊乱和 PCOS 发展的特定 DNA 甲基化靶标和通路知之甚少。
在这项研究中,我们旨在确定昼夜节律破坏是否以及如何影响卵巢 GCs 中 DNA 甲基化组和转录组的动力学,从而可能导致大鼠出现 PCOS 样表型。我们在连续黑暗暴露 8 周的大鼠和对照中进行了靶标捕获甲基化测序 [ 16 ] 和 RNA-seq 分析。我们的目标是确定参与昼夜节律破坏的甲基化和转录分子网络及其在调节 PCOS 发展中的作用。接下来,我们专注于 serpin 家族 E 成员 1 (SERPINE1),这是一个在模型中高甲基化和高度表达的关键基因。SERPINE1,也称为纤溶酶原激活物抑制剂-1 (PAI-1),是一种调节细胞外基质重塑和纤维蛋白溶解的糖蛋白,后来发现它与各种生殖疾病相关 [ 17 ]。在卵巢中,SERPINE1 主要位于 GC 和卵泡膜细胞中。小鼠中人 SERPINE1 的过表达已被证明会诱导囊泡形成并提高血清睾酮水平 [ 18 ]。PCOS 患者的临床研究进一步表明,与 BMI 匹配的对照组相比,正常体重和超重/肥胖的 PCOS 女性的血浆 SERPINE1 水平升高 [ 19 ]。体外实验表明,SERPINE1 会损害卵巢 GC 中的葡萄糖代谢 [ 20 ]。这些发现共同表明 SERPINE1 在雄激素合成和代谢中起着重要作用。
在我们的研究中,我们证实 SERPINE1 表达在昼夜节律破坏模型动物和 PCOS 患者中均显著上调,其水平与睾酮浓度呈正相关。我们观察到 SERPINE1 在异常昼夜节律环境中受启动子区 DNA 低甲基化的表观遗传调控。反过来,高 SERPINE1 表达通过降低 GC 中的芳香酶表达,通过 PI3K/AKT 通路导致雄激素积累。我们提供的证据表明,用于治疗昼夜节律紊乱和 PCOS 大鼠的 SERPINE1 抑制剂挽救了 PCOS 的生殖内分泌和代谢改变。这项研究揭示了一种有前途的表观遗传学诊断生物标志物以及 PCOS 的治疗靶点。
2. 结果
2.1. 连续黑暗暴露的大鼠模型进化出 PCOS 样表型
我们以前的研究表明,大鼠黑暗暴露于 8 周会导致 PCOS 样表型,包括高雄激素血症、发情周期紊乱和多囊卵巢 [ 11 , 12 ],这促使我们研究个体表型何时出现以及它们如何动态变化。
为了阐明连续黑暗模型的纵向变化,在适应 1 周后,将 6 周龄雌性 SD 大鼠随机分为两组:对照组,暴露于正常的 12:12 h 光照-黑暗循环,黑暗组,暴露于连续黑暗。在第 0 、 2、 4、 6 和 8 周,处死大鼠进行观察和取样 (图 1A )。在 8 周期间,未观察到他们的卵巢质量或体重发生变化(图 1B,C )。接下来,评估生殖内分泌改变的出现。正如预期的那样,深色组在 PCOS 诊断标准中表现出主要表型,包括不规则的发情周期(图 1D )、多囊卵巢(图 1E )和高雄激素血症(图 1F )。 值得注意的是,深色组的睾酮水平以时间依赖性方式增加,第 6 周有显着差异,第 8 周进一步增加(图 1F )。尽管在 8 周内的任何时候性激素结合球蛋白 (SHBG) 水平都没有显着变化(图 1G ),但假设在黑暗中第 2 周和第 8 周的游离雄激素指数 (FAI) 高于对照组(图 1H )。此外,黄体生成素 (LH) 水平在第 6 周和第 8 周显着增加,而促卵泡激素 (FSH) 水平保持不变,LH/FSH 比率显着增加(图 1I–K )。深色组在第 8 周时也表现出炎症和脂质代谢受损(图 S1 )。 这些发现表明,长时间暴露在黑暗中的大鼠的表型出现在不同的时间点,这意味着存在控制急性反应和慢性适应的各种表观遗传调控机制。
图 1.

持续避光暴露会诱导 PCOS 的多种生殖内分泌特征。(A) 建模设计示意图。(B) 连续深色大鼠与对照 (n = 6) 的卵巢肿块。(C) 在 8 周内每周测量的深色大鼠和对照的体重(第 0 周:n = 40,第 1 周和第 2 周:n = 32,第 3 周和第 4 周:n = 24,第 5 周和第 6 周:n = 16,第 7 周和第 8 周:n = 8)。(D) 使用阴道涂片连续 8 天进行 8 只大鼠/组的代表性发情周期。M:发情期,E:发情期,P:发情前期,D:发情期。(E) 深色大鼠与对照 (n = 3) 用 H&E 染色的卵巢的代表性图像,比例尺,200 μm。(F-K) 使用 ELISA 测量大鼠血清中睾酮 (F)、SHBG (G)、LH (I)、FSH (G) 的水平。FAI (H) 的计算方式为 FAI = T/SHBG × 100%。LH/FSH 比值 (K) 的计算方法是 LH 除以 FSH (n = 4-5)。SHBG,性激素结合球蛋白;LH,黄体生成素;FSH,促卵泡激素;FAI,游离雄激素指数。在 (B)–(C) 和 (F)–(K) 中,数据表示为 SD ± 平均值 。 *p < 0.05, **p < 0.01, p < 0.001 (学生 t 检验)。
2.2. 持续的黑暗暴露导致卵巢 GC 的动态甲基组学和转录组学谱发生变化
为了确定在连续黑暗的不同时间点负责动态表型的表观遗传调控机制,SureSelectXT 大鼠 DNA 甲基化靶标捕获的亚硫酸氢盐测序 (MC-seq;采用 Agilent Technologies, CA, USA),并检查了在跨越 8 周的五个时间点收集的大鼠卵巢 GCs 的 DNA 甲基化(图 1A )。全基因组 DNA 甲基化谱表明,15-85% 的测试的 CpG 位点被甲基化(二项式测试, q 值 < 0.05),与以前的发现一致 [ 21 ]。随着时间的推移,整体 DNA 甲基化仅显示出轻微的总体变化(图 2A )。随后,将每组标准化 DNA 甲基化数据与包括促进/转录起点 (TSS) 和转录终点的基因模型进行比对。10 组的甲基化模式是同源的。并且在 TSS 上游 1 kb 的甲基化水平急剧下降,随后是 TSS 上游的最低点和整个基因体区域的高甲基化水平(图 2B 和 S2A,B )。这表明 DNA 甲基化谱通常是纵向稳定的,并且 8 周的连续黑暗暴露不会对 DNA 甲基化造成显着干扰。
图 2.

大鼠颗粒细胞的 DNA 甲基化组和 RNA 测序的综合分析。(A) 箱线图显示了每个大鼠 GCs 样品中所有 CpG 位点甲基化的总体分布。框中的短粗条表示平均甲基化。样本编号在每个框的底部说明。p 值是使用双尾学生 t 检验计算的。 (B) 绘制在基因模型上的每组样本的 DNA 甲基化水平的平均分布。TSS,转录起始位点;TES,转录末端位点。C0,第 0 周对照组;D0、第 0 周的深色组,依此类推。(C) 深色组 8 周内的短时间序列表达矿工 (STEM) 分析。显著鉴定出 4 个簇,并可视化平均启动子甲基化模式。线图用于显示倍数变化 (log2FC)。(D) 使用 Reactome/GO/KEGG 对 STEM 分析的第一个簇(红色)中的 1608 个基因进行的功能注释图 (C)。显著性表示为 −log10 p 值。(E) 第 2 周到第 8 周的 DMR 基因。与对照组相比,深色组橙色为高甲基化,紫色为低甲基化。这些斑点显示为折叠变化 (log2FC)。DMR,差异甲基化 区域。(F) CpG 位点甲基化水平方差的 PCA。C0,第 0 周对照组;D0、第 0 周的深色组,依此类推。PCA,主成分分析。(G) 第 6 周时暗组和对照 GC 的 RNA 测序热图 (|Log2FC|≥1.5, p < 0.05).(H) 第 6 周时 DEGs 的丰富 GO 术语和 KEGG 通路的网络可视化。六边形/方块代表术语/通路,节点(圆圈)代表基因。 相似的基因集由线(边缘)连接,距离表示逆重叠。功能聚类 (颜色或大小) 基于 kappa 统计信息。DEG,差异表达基因。(I) 第 6 周时来自暗组和对照的卵巢颗粒细胞 (GCs) 的 DNA 甲基化靶标捕获的亚硫酸氢盐测序的热图 (|Log2FC|>0.5, p < 0.05).(J-K)第 6 周时使用 KEGG 对与低甲基化位点 (J) 和高甲基化位点 (K) 相关的基因进行功能富集图表。显示了前 30 个最高丰富因子通路。
为了确定纵向甲基化谱的动态模式,我们专注于通过短时间序列表达矿工 (STEM) 分析来检查基因启动子区域的甲基化水平。结果表明暗组中有四个聚类模块 (p < 0.05) (图 2C )。第一个模块随着时间的推移逐渐低甲基化,其表现出与 PCOS 患者 [ 13 ] 和夜班工作的人相似的甲基化特征 [ 22 ]。随后,我们进行了基因本体论 (GO) 富集、京都基因与基因组百科全书 (KEGG) 和反应组通路分析,以预测具有低甲基化趋势的该模块的功能和通路概况。这些基因主要富集于免疫炎症以及 AKT 和代谢途径 (图 2D )。STRING 蛋白相互作用网络 ( http://string‐db.org/ ) 表明,持续低甲基化基因主要富集在免疫系统中,包括抗原呈递、泛素化修饰和炎症因子(图 S2C–G )。为了研究差异甲基化 位点 (DMS) 与每种表型之间的关联,进行了加权相关网络分析,获得了与睾酮、 FAI、LH、瘦素和白细胞介素 1 β (IL-1b) 表现出显著和负关联的三个模块 (MEdarkorange、MEgrey60 和 MEblack)。此外,KEGG 分析揭示了富含代谢相关通路的模块内的差异表达基因 (DEG)(图 S2H–J )。这些数据表明,黑暗引起的变化富含神经、代谢和炎症途径。
尽管所有时间点甲基化位点的平均差异很小,但在每对暗组和对照组之间鉴定出 386-511 个差异甲基化区域 (DMR) 和 80,926-86,927 个 DMS(图 S3A,B )。这些可能是驱动疾病表型的关键。动态火山图显示第 6 周时 DMS 显着增加,深色组中低甲基化位点显着升高(图 2E )。值得注意的是,在第 6 周仍观察到启动子 TSS 区域中最高的 DMR 和 DMS 数量(图 S3C,D )。我们在此展示了基因 Igf2r 和 timeless 的 TSS 区域中 CpG 位点随时间变化的变化。尽管甲基化变化因基因而异,但它们的差异在第 6 周时扩大(图 S3E,F )。主成分分析揭示了类似的现象,即根据 CpG 位点甲基化,大鼠在第 6 周的聚集效果更好(图 2F )。由于最显着的甲基化变化发生在第 6 周,因此此时研究进行性改变诱导的表达变化将非常有趣。
我们在连续黑暗中重塑大鼠 6 周,从卵巢 GCs 中提取 RNA 用于 RNA 测序。与对照组相比,深色组体重相似(图 S4A ),睾酮水平(图 S4B )、卵巢组织学切片(图 S4C )和葡萄糖代谢(图 S4D,E )明显异常。在暗组和对照组之间共鉴定出 378 个 DEGs,分别包括 90 个和 288 个上调和下调的基因(图 2G )。DEGs 的功能富集和聚类分析揭示了与脂质代谢和神经通路相关的术语的富集(图 2H )。这一发现与 6 周黑暗暴露诱导的 DNA 甲基化变化的富集分析结果一致(图 2I–K )。
2.3. 黑暗诱导的 Serpine1 CpGs TSS 附近的低甲基化与血清睾酮水平高度相关
为了进一步探索这种表观遗传修饰与 6 周黑暗暴露诱导的表达变化之间的关联,我们对 2818 个 DEGs 和 4272 个启动子 DMS 进行了综合分析。值得注意的是,在四个象限中,象限 II 显示 108 个基因启动子 CpG 甲基化降低和表达较高(图 3A )。在象限 II 的基因和 STEM-D1 中持续低甲基化的基因之间进行维恩分析,鉴定出 16 个重叠的基因。这些基因在 6 周的黑暗暴露期间保持持续的低甲基化水平,同时过表达(图 3B )。值得注意的是,编码分泌蛋白并与炎症和脂质代谢有明显关联的四个候选基因 Serpine1 [ 17 ]、Lep [ 23 ]、IL-2 [ 24 ] 和 Agt [ 25 ]聚集在 STRING 网络中(图 3C )。热图显示,随着时间的推移,这四个基因的启动子区甲基化逐渐降低(图 3D )。有趣的是,在 Serpine1 的启动子区甲基化与血清睾酮和 FAI 之间观察到显著负相关(图 3E ),表明 Serpine1 甲基化与雄激素之间存在潜在关联。这些发现表明,低甲基化导致 Serpine1 过表达,因此导致高雄激素血症。
图 3.

DNA 甲基化降低伴随 Serpine1 基因表达增加与血清睾酮高度相关。(A) 第 6 周时启动子差异甲基化位点 (DMS) 基因与深色组和对照的 DEGs 的散点图。显著相关基因分别用颜色 (红色、黄色、绿色和蓝色) 标记 (p(CpG) < 0.05, p(DEG) < 0.05, log2FC > 0.5, β 差异 > 0.1。费舍尔精确检验,p < 0.05)。(B) 象限 II(A,Hypo-Up)中启动子低甲基化和上调表达的 108 个基因和 STEM 分析第一簇(红色)中的 1608 个基因的维恩图(图 2C STEM-D1),其中 16 个基因重叠。(C) 维恩图 (B) 中 16 个常见基因的 STRING 蛋白网络分析。(D) 8 周内暗组的平均基因启动子甲基化特征的热图。四个候选基因从图 3C 中获得。(E) 第 6 周时 4 个基因的平均启动子甲基化和表型之间的相关性分析。(F) 8 周内 Serpine1 在深色和对照大鼠 GCs 中表达的 qPCR 分析 (n = 5)。(G) 焦磷酸测序检测第 6 周 GCs 中 Serpine1 启动子 CpG 位点的甲基化状态 (n = 5)。Pos,Serpine1 启动子中的 CpG 位点;Meth,甲基化水平。10 个 CpG 位点的位置如 (O) 所示。(H) ELISA 测定检测 8 周内深色组和对照组血清 PAI-1 水平的变化 (n = 5)。(I) 8 周内大鼠肝脏中 Serpine1 表达的 qPCR 分析 (n = 4-5)。(J) 焦磷酸测序检测大鼠肝脏第 6 周时 Serpine1 启动子 CpG 位点的甲基化状态 (n = 5)。 10 个 CpG 位点的位置如 (O) 所示。分别用 5-Aza(5-Aza-2'-脱氧胞嘧啶,5 μM,10 μM)处理 48 或 72 小时的 KGN 细胞 (K, n = 3) 或大鼠原代 GCs (M, n = 6) 中 SERPINE1 表达的 (K-N) qPCR 分析。分别用 5-Aza (5 μM) 处理 72 小时 (n = 3) 的 KGN 细胞 (L) 或大鼠原代 GC (N) 中 PAI-1 和 DNMT1 表达归一化至 β-ACTIN 蛋白水平的蛋白质印迹分析。蛋白质表达的定量结果如右图所示。(O) 焦磷酸测序序列的示意图。Pos2 是一个 DMS 位点。(P) 焦磷酸测序检测用三种不同的 dCas9–Dnmt3aCD/sgRNA 或 dCas9–Dnmt3aCD/对照 (n = 4–6) 转导的 BRL-3A 细胞中 Serpine1 启动子 CpG 位点的甲基化状态。10 个 CpG 位点的位置如 (O) 所示。(Q) 焦磷酸测序检测用三种不同的 dCas9–Dnmt3aCD/sgRNA、dCas9–Dnmt3aCD/对照转导或不处理 (n = 3) 的 BRL-3A 细胞中 LINE-1 元件的 5' 非翻译区 (UTR) 的甲基化状态。(R) 四组 BRL-3A 细胞中 Serpine1 表达的 qPCR 分析 (n = 6)。在 (F)–(N) 和 (P)–(R) 中,数据表示为 SD ± 平均值 。*p < 0.05, **p < 0.01, p < 0.001, ****p < 0.0001.(F)–(N):学生 t 测试;(P)–(R):单因素方差分析。
几项研究报道了 DNA 甲基化与基因转录水平之间的负相关 SERPINE1 26 [ ]。 然而,缺乏对可诱导转录变化的特异性 Serpine1 CpG 的研究。我们通过 qPCR 验证了 Serpine1 在 GCs 中超过 8 周的过表达(图 3F )。此外,我们通过焦磷酸测序证实了在 MC-seq 和附近 CpG 中观察到的 CpG(位置 2)从 Serpine1 启动子区域(图 3G,O ),然后通过 ELISA 血清 PAI-1 水平逐渐升高(图 3H )。这一发现在肝脏(图 3I,J )、参与 Serpine1 合成的主要器官 [ 27 ] 以及脂肪组织(图 S5A )和棕色脂肪组织(图 S5B )中也得到了证实。这些数据表明,低甲基化和高 Serpine1 表达是普遍的黑暗诱导现象,表明 DNA 甲基化在 Serpine1 表达的调节中起关键作用。
为了进一步验证这种基于甲基化修饰开关的基因激活,我们用 5-Aza-2'-脱氧胞苷 (5-Aza) 处理人 KGN 细胞系细胞,5-Aza-2'-脱氧胞苷是一种与 DNA 结合并抑制 DNMT 活性和表达的 DNA 甲基转移酶抑制剂 [ 27 ]。qPCR 和 Western blotting 显示 5-Aza 以剂量和时间依赖性方式促进 SERPINE1 表达( 图
3K
,
L
)。在原代大鼠 GC 中观察到类似的结果(图 3M,N 和 S5C )。
接下来,我们使用靶向 DNA 甲基化编辑工具 dCas9-Dnmt3aCD 对特定 CpG 位点的表观遗传改变进行推断因果关系。特异性向导 RNA (sgRNA) 被设计用于将 dCas9-DNMT3aCD 系统带到位于 Serpine1 第一个外显子的 TSS 附近的序列,包括大鼠正常肝细胞系 BRL-3A 中的位置 1、2 和 3(图 3O 和 S5D )。焦磷酸测序显示,dCas9-Dnmt3aCD/gRNA 转导显著增加了 1、2 和 3 位以及相邻位 4 的 DNA 甲基化,但在远处的 7 和 8 位没有增加(图 3P )。长散布核元件 1 的 DNA 甲基化反映了细胞中的整体 DNA 甲基化,在 sgRNA 处理和对照之间没有显着差异(图 3Q )。染色质免疫沉淀结果还验证了 DNMT3A 蛋白与靶启动子区域的特异性结合(图 S5E )。这些结果表明成功的靶向甲基化。随后,qPCR 结果显示靶向甲基化细胞中的 Serpine1 转录本显著减少(图 3R )。这些结果表明,Serpine1 表达通过 TSS 附近的甲基化有效降低。
2.4. SERPINE1 抑制芳香化酶表达并通过 PI3K/AKT 通路促进雄激素积累
由于多组学测序结果表明 Serpine1 和睾酮之间存在潜在相关性,因此我们对血清 SERPINE1 (PAI-1) 和睾酮进行了 Pearson 分析,发现存在显著的正相关(图 4A )。
图 4.

Serpine1 抑制芳香化酶的表达和活性。(A) 大鼠在所有 8 周内血清睾酮和 PAI-1 水平之间的 Pearson 分析 (n = 50,Pearson r = 0.6436,p < 0.0001)。(B 和 C)过表达 SERPINE1(上 2 组)或敲低 SERPINE1(下 2 组),然后加入人绝经期促性腺激素 (hMG,500 mIU/mL) 和睾酮 (10 μM) 或雄烯二酮 (10 μM) 4 小时后,通过 ELISA 测量 KGN 细胞 (B) 或大鼠 GC (C) 细胞上清液中的雌二醇或雌酮水平 = 6) 的 S(D、H、F 和 J) 在 KGN 细胞 (D) 或大鼠 GCs 中过表达后 SERPINE1 或在 KGN 细胞 (F) 或大鼠 GCs (J) 中敲低后雄激素代谢相关基因和孕激素合成相关基因表达 SERPINE1 qPCR 分析 (n = 6)。(E、I、G 和 K)在 KGN 细胞 (E) 或大鼠 GC (I) 中 过表达后 SERPINE1 或 SERPINE1 敲低后在 KGN 细胞 (G) 或大鼠 GC (K) 中 (n 次敲低后,对 PAI-1、芳香酶和其他雄激素代谢相关标志物(LHCGR 很少在 KGN 细胞中表达β)的蛋白水平进行蛋白质印迹分析。 = 3) 的 S Package。(L 和 M)过表达(左)或 SERPINE1 SERPINE1 敲低(右)后,通过芳香化酶 (CYP19A) 活性测定法检测 KGN 细胞 (L) 或大鼠原代 GCs (M) 的芳香化酶活性 (M),然后加入 hMG (500 mIU/mL) 和睾酮 (10 μM) 或雄烯二酮 (10 μM) 4 小时 (n = 3)。 (N 和 O)使用免疫荧光染色,芳香化酶表达(红色)和 PAI-1 表达(绿色)在 SERPINE1 过表达 (N) 或敲除 (O) KGN 细胞中的代表性图像。图像代表了三个独立的实验。细胞核用 DAPI 复染。比例尺,20 μm。在 (B)–(D)、(F)、(H) 和 (J) 中,数据表示为均值 ± SD。*p < 0.05, **p < 0.01, p < 0.001, ****p < 0.0001.(A):Pearson r 检验,(B)–(D) 和 (H):学生 t 检验;(F) 和 (J):单因素方差分析。
因此,研究 SERPINE1 在 GCs 雄激素代谢途径中的功能很有价值。首先,我们通过检测添加雄激素后细胞上清液中的雌激素水平来间接测定芳香化酶活性,发现在 KGN 或原代大鼠 GC 中敲低后 SERPINE1 过表达后芳香化酶活性显着降低,反之亦然(图 4B,C )。其次,我们检查了参与雄激素代谢途径的几种关键酶的表达。CYP19A1 过表达后 SERPINE1 表达显著降低,敲低后反之亦然(图 4D–K 和 S6 )。第三,我们使用活性测定试剂盒直接检测芳香化酶活性,结果与间接法一致(图 4L,M )。使用免疫荧光,我们验证了 SERPINE1 抑制了 CYP19A1 表达,并确定了 SERPINE1 主要位于细胞质和细胞外基质中;相反,芳香化酶分布在细胞核和细胞质中,而芳香化酶分布在细胞质中(图 4N,O )。因此,我们假设细胞质和细胞外基质中的 SERPINE1 可能通过特定的信号通路传递抑制信号,从而抑制 CYP19A1 转录和表达。
为了进一步验证这一假设,我们用两种 SERPINE1 抑制剂 Loureirin B (LrB) 和 tiplaxtinin (TPX) 干扰 KGN 细胞。qPCR 结果表明,LrB 处理 72 小时后 CYP19A1 表达急剧增加 10 倍(图 5A )或 TPX 增加 3 倍(图 5B )。Western blotting 结果支持这种现象,PAI-1 水平降低,芳香化酶表达在 72 小时突然激增(图 5C,D )。细胞计数试剂盒 8 实验表明,在此过程中,抑制剂对细胞增殖没有影响(图 S7A )。然后,我们使用 Phospho Explorer 抗体微阵列 (PEX100) 分析 TPX 处理 0 分钟和 15 分钟时的信号通路蛋白变化。差异磷酸化蛋白根据以下途径分为三个簇:AKT、Ras 和 MAPK(图 5E )。我们使用蛋白质相互作用网络 (PPI) 网络和 Metascape 来识别蛋白质相互作用,并使用 Cytoscape 来可视化它们(图 5F )。来自高程度蛋白和前五条通路的功能富集分析显示,AKT1 具有高度的蛋白质相互作用,而 PI3K/AKT 通路具有最多的相互作用蛋白(图 5G )。同时,差异磷酸化蛋白的 KEGG 和通路图谱显示显着的 PI3K/AKT 通路富集(图 5H,I 和 S7B )。为了进一步确认,我们进行了蛋白质印迹,发现 AKT 在 TPX 处理 15 分钟后被显着磷酸化(图 S7C )。 当加入两种不同的抑制剂 72 小时时,磷酸化的 AKT 显示出相似的模式,在前 48 小时内增加,然后减少(图 5J,K 和 S8 )。这些发现表明,PI3K/AKT 在 SERPINE1 水平升高引起的芳香化酶下调中起关键作用。
图 5.

PI3K/AKT 通路参与 SERPINE1 对芳香化酶的抑制。(A 和 B) 对 KGN 细胞 (n = 3) 中用 Lrb(A,Loureirin B,10 μM)或 TPX(B,tiplaxtinin,10 μM)处理指定时间后 CYP19A1 表达的 qPCR 分析。(C 和 D)在 KGN 细胞中用 Lrb (C, 10 μM) 或 TPX (D, 10 μM) 处理指定时间后 PAI-1 和芳香化酶的蛋白质水平进行蛋白质印迹分析。β-肌动蛋白用作上样对照 (n = 3)。(E) 磷酸化抗体阵列,用于检测向 KGN 细胞添加 TPX (10 μM) 后 0 分钟和 15 分钟信号通路磷酸化和蛋白表达水平的变化。对差异磷酸化蛋白 (FC ≥ 1.5) 进行 STRING 分析,以预测与 PI3K-Akt 信号通路 (红色) 、MAPK 信号通路 (蓝色) 和 Ras 信号通路 (绿色) 相关蛋白的相互作用。(F) 磷酸化抗体阵列中差异磷酸化蛋白的蛋白质相互作用网络 (PPI)。绿色越深,节点之间的交互就越强。前 10 个基因是 SRC、CTNNB1、AKT1、TP53、MYC、JUN、PTEN、STAT3、ESR1 和 CREB1。(G) 显示排名靠前的基因与 KEGG 分析的比对的弦索图。(H 和 I)对差异磷酸化蛋白进行 KEGG 分析。分别表示富集蛋白的数量 (H) 和显着性 log10 p 值 (I)。(J 和 K)在 KGN 细胞中加入 LrB (J, 10 μM) 或 TPX (K, 10 μM) 后,在指定时间点对 AKT 信号通路、CREB 信号通路、FOXO1 信号通路和 PAI-1 相关蛋白的表达水平进行蛋白质印迹分析。 β-肌动蛋白用作负载对照 (n = 3)。
2.5. TPX 有效改善大鼠脱氢表雄酮引起的疾病和持续黑暗
由于我们之前观察到 SERPINE1 抑制后的低雄激素作用,因此我们在临床前研究中研究了 SERPINE1 抑制剂的治疗潜力。我们首先在脱氢表雄酮 (DHEA) 建模期间测试了不同浓度的 TPX 或 LrB 同时管饲 21 天的效果(图 6A 和 S9A )。与对照组相比,DHEA 处理的大鼠表现出排卵受损,表现为卵泡大多在窦前卵泡期阻塞以及发情周期停滞和紊乱。值得注意的是,TPX 2 mg/kg,而不是 TPX 20 mg/kg 或 LrB,有效地减少了窦前卵泡的数量,增加了黄体的数量并恢复了正常 周期(图 6B,C 和 S9B )。TPX 治疗有效抑制了 PAI-1 水平(图 6D ),并在没有显着 SHBG 和促性腺激素波动的情况下恢复了 DHEA 治疗大鼠的异常睾酮和 FAI 水平(图 6E–J )。值得注意的是,在 DHEA 治疗组中,PAI-1 水平没有显着降低,导致推测 SERPINE1 可能是体内雄激素水平升高的上限刺激,而不是反应(图 6D )。与高雄激素水平一致,TPX 的芳香酶促进作用诱导 E2 水平略有增加(图 6K )。此外,大鼠的体重随着 TPX 2 mg/kg 而降低(图 6L 和 S9C )。IPGTT 结果表明,在任何剂量下,TPX 2 和 20 mg/kg 的葡萄糖代谢效应明显比 LrB 更有效(图 6M 和 S9D,E )。这些发现表明 PAI-1 在高雄激素血症诱导的 PCOS 中起治疗作用。
图 6.

PAI-1 抑制剂 tiplaxtinin 可有效改善心律失常大鼠和 DHEA 大鼠的内分泌紊乱和异常葡萄糖代谢。(A) 脱氢表雄酮 (DHEA) 建模和 TPX (2 mg/kg) 处理建模设计的示意图。(B) 对照组(油 + 油)、DHEA 组 (DHEA + 油) 和 DHEA 联合 TPX 治疗组 (DHEA + TPX) 卵巢 H&E 染色的代表性图像,比例尺,200 μm。(C) 连续 8 天 8 只大鼠/组的代表性发情周期,使用阴道涂片检测。M:发情期,E:发情期,P:发情前期,D:发情期。(D-K)ELISA 法测定大鼠血清中 PAI-1 (D) 、睾酮 (E) 、SHBG (F)、LH (H)、FSH (I) 、雌二醇 (K) 水平。FAI (G) 的计算方式为 FAI = T/SHBG × 100%。LH/FSH 比率 (J) 计算为 LH 除以 FSH(对照:n = 8;DHEA:n = 8;DHEA + TPX:n = 6)。(L) DHEA 建模和 TPX (2 mg/kg) 处理的建模大鼠在 21 天内的体重曲线(对照:n = 8;DHEA:n = 8;DHEA + TPX:n = 6)。(M) IPGTT 期间 三组大鼠 (M1) 的 IPGTT 和相应的曲线下葡萄糖面积 (AUC, M2) (对照:n = 6;DHEA:n = 6;DHEA + TPX:n = 6)。(N) 连续暗建模和 TPX (2 mg/kg) 处理建模设计的示意图。(O) 对照(对照 + 油)、暗组(暗 + 油)和暗组(TPX 处理)(暗 + TPX)的卵巢 H&E 染色的代表性图像,比例尺,200 μm。 (P) 连续 8 天 8 只大鼠/组的代表性发情周期,使用阴道涂片检测。M:发情期,E:发情期,P:发情前期,D:发情期。(Q-X)ELISA 法测定大鼠血清中 PAI-1 (Q) 、睾酮 (R) 、SHBG (S)、LH (U)、FSH (V)、雌二醇 (X) 水平。FAI (T) 的计算方式为 FAI = T/SHBG × 100%。LH/FSH 比值 (W) 计算为 LH 除以 FSH(对照:n = 10;深色:n = 9;深色 + TPX:n = 10)。(Y) 连续深色建模和 TPX (2 mg/kg) 处理的建模大鼠在 8 周内的体重曲线(对照:n = 8;深色:n = 8;深色 + TPX:n = 9)。(Z) IPGTT 期间 三组大鼠 (Z1) 的 IPGTT 和相应的曲线下葡萄糖面积 (AUC, Z2) (对照: n = 8;深色:n = 10;深色 + TPX:n = 10)。数据显示为 SD ± 平均值 。*p < 0.05, **p < 0.01,p < 0.001(单因素方差分析)。
接下来,我们在 8 周的连续黑暗暴露期间通过管饲法对大鼠进行连续 TPX 治疗(图 6N )。与以前的发现一致,正如之前观察到的那样,深色组表现出卵巢形态、发情周期和 PAI-1 水平升高的表现(图 6O–Q )。TPX 显着降低 PAI-1 水平和雄激素水平 (图 6Q–T ),进一步验证了 SERPINE1 对体内雄激素的下调作用。正如预期的那样,TPX 显着逆转了深色组的 LH 水平升高,但 TPX 治疗后 FSH 水平下降 (图 6U–W ),表明 TPX 对促性腺激素分泌具有潜在的抑制作用。有趣的是,与 DHEA 模型相反,我们没有观察到类似的 E2 水平积累(图 6X )。虽然大鼠的体重没有变化(图 6Y ),但 TPX 治疗部分挽救了黑暗诱导的葡萄糖代谢异常(图 6Z )。这些结果表明 PAI-1 在昼夜节律破坏诱导的高雄激素血症中的治疗作用。
2.6. SERPINE1 在 PCOS 女性患者中低甲基化和过表达
为了确定我们在大鼠中的 PCOS 发现是否可能与人类的 PCOS 发现相关,我们首先确认了 57 名 PCOS 女性和 57 名对照者的队列中的血清 PAI-1 水平。结果,PCOS 患者的 PAI-1 水平显着升高( 图
7A
和表
S1
)。此外,我们表征了该队列中血清 PAI-1 和睾酮水平之间的显着正相关(图 7B )。PAI-1 也与 BMI 和 HOMA-IR 有很强的相关性(图 S10A,B ),如以前的文献所述 [ 28 , 29 ]。但我们发现 PCOS 患者和对照组滤泡液中的 PAI-1 没有差异(图 S10C 和表 S2 )。与大鼠 GC 的数据一致,PCOS 患者外周 白细胞中 SERPINE1 启动子中 CpG 的甲基化水平降低(图 7C,D 和表 S3 )。值得注意的是,两个发生显著变化的 CpG 位点(位置 10 和 11)位于靠近 TSS 的启动子区域,这与在大鼠中观察到的变化非常相似。
图 7.

SERPINE1 在 PCOS 女性患者中上调和低甲基化。(A) 来自包括 57 名 PCOS 患者和 57 名对照的队列的血清 PAI-1 水平的 ELISA 阵列 (p = 0.0021)。(B) 57 名 PCOS 患者和 57 名对照患者血清睾酮和 PAI-1 水平之间的 Pearson 分析 (n = 114,Pearson r = 0.4301,p < 0.0001)。(C) 焦磷酸测序检测队列中外周 白细胞 SERPINE1 启动子 CpG 位点的甲基化状态,包括 (A) 队列中的 10 名 PCOS 患者和 10 名对照。Pos、CpG 位点 SERPINE1 启动子;Meth,甲基化水平。13 个 CpG 位点的位置如 (D) 所示。(D) 患者焦磷酸测序序列示意图。数据显示为 SD ± 平均值 。(A) 和 (C) 中的学生 t 检验,(B) 中的 Pearson r 检验。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001.
3. 讨论
环境和表观遗传机制在 PCOS 的病因中起着重要作用。尽管以前的研究已经确定了昼夜节律紊乱与 PCOS 发展之间的联系 [ 6 , 7 , 8 , 9 , 10 ], 但表观基因组对这一过程的影响尚未得到系统研究。在这项研究中,我们使用纵向监测的连续黑暗模型,通过靶标捕获的甲基化测序在雌性大鼠 GCs 中分析 DNA 甲基化。我们首次阐明了由昼夜节律刺激引起的 PCOS 的潜在表观遗传上位性,详细说明了 Serpine1 基因低甲基化并调节雄激素代谢的过程。在细胞和生理水平上,我们证明了 Serpine1 雄激素过量的特异性机制以及 SERPINE1 抑制剂对高雄激素血症的治疗作用。我们建议 SERPINE1 作为 PCOS 临床诊断和基于表观遗传学的治疗的生物标志物。
目前的证据表明,昼夜节律紊乱和 PCOS 之间存在相辅相成的关系。一方面,青春期过量的雄激素破坏了大鼠生殖和代谢轴中多个昼夜节律振荡器的相位分布 [ 30 ]。有趣的是,过量的雄激素可以通过抑制组蛋白甲基转移酶 Ezh2 的表达来减少 H3K27me3a,并通过表观遗传途径增加昼夜节律基因的基因沉默 [ 31 ]。另一方面,PCOS 卵巢 GC 的慢性破坏 [ 7 ] 可能导致雄激素过多症。最近的研究表明,患有 PCOS 的女性夜间时间型百分比较高,这意味着发生睡眠障碍的风险增加,并且夜间和早晨褪黑激素水平升高和延迟。夜间时间型 [ 8 ] 和延迟褪黑激素水平 [ 10 ] 都与高睾酮水平密切相关。上述流行病学数据和模式生物研究表明,PCOS 中的昼夜节律紊乱与高雄激素血症之间存在相关性,但未能得出因果结论。因此,我们解决了昼夜节律紊乱是否以及如何诱导 PCOS 样表型。我们之前比较连续光照和持续黑暗的研究 [ 12 ] 发现,与连续光照相比,暴露于 8 周黑暗中的大鼠表现出更剧烈的核心时钟基因表达破坏和更严重的 PCOS 样表现。这些表现包括血清睾酮升高、月经周期不规则、多囊卵巢形态和胰岛素抵抗等代谢紊乱,这些临床上与人类 PCOS 相关。 因此,我们选择持续黑暗模型作为临床前模型,以探索疾病病因的潜在机制。值得一提的是,老鼠作为夜行动物,与人类的昼夜节律行为相反,它们在夜间是清醒活跃的,白天处于静态的睡眠状态。因此,持续的黑暗实际上模仿了人类醒着时间的极度延长,例如现在常见的夜猫子和通宵达旦。
表观遗传修饰是不稳定的昼夜节律干预,可以在不改变遗传物质的情况下动态调整转录网络。DNA 甲基化是哺乳动物中最经典的表观遗传修饰,它在启动子区域内的第一个外显子的水平通常与转录抑制有关 [ 32 ]。DNA 甲基化动力学已被证明发生在昼夜节律 [ 33 ]。结合不同的昼夜节律模型和人类全基因组研究,已发现与昼夜节律相关的甲基化变化是异质性的,包括不同组织之间特定基因组位置的高甲基化和低甲基化 [ 34 , 35 ]。尽管我们研究中的纵向整体 DNA 甲基化高度保守,但结果表明,不同的甲基化和表达基因与信号传导、神经活性配体-受体相互作用、激素活性、叶酸的一碳池、脂肪酸生物合成、抗原加工和免疫系统的调节有关,这与报告与脂质代谢相关的 DNA 甲基化变化的几项临床研究一致, PCOS 女性的炎症以及神经和内分泌系统 [ 36 , 37 ]。
我们使用了 Agilent SureSelectXT MC‐seq 捕获测序。该系统专注于影响基因表达的 DMR,包括 GENCODE 启动子、CpG 岛、CpG 岛海岸、CpG 岛架和 Dnase1 高敏位点 [ 38 ]。在我们的测序中,每个样本提供大约 20 G 的原始数据,测序深度为 >10× 和大鼠基因组 90-Mb 片段的靶向捕获区。目标读取率从 71.27 到 84.26% 波动。与甲基化珠相比,它鉴定的 CpG 位点明显多于大鼠甲基化珠中的 385 K 启动子位点。此外,MC-seq 确定了 RRBS 无法检测到的区域。尽管全基因组亚硫酸氢盐测序 (WGBS) 是甲基化测序的金标准,但由于基因组 DNA 输入量大,从单个大鼠卵巢的 GC 中提取的 DNA 不足以满足 WGBS 文库构建标准,无法补偿 DNA 亚硫酸氢盐处理过程中的降解。总之,MC-seq 能够分析比甲基化微珠多得多的 CpG 位点,需要的基因组 DNA 起始量比 WGBS 少,并且提高了通量。
基于 Serpine1 与雄激素之间的强相关性,我们决定对其进行深入研究。如前所述,Serpine1 是一种调节细胞外基质重塑和纤维蛋白溶解的糖蛋白,在 PCOS 患者中升高,但与 BMI 更相关。从机制上讲,我们在 Serpine1 启动子中观察到显着的低甲基化,并使用 5-Aza 处理和基于 CRISPR-dCas9 的靶向甲基化验证,Serpine1 基因 TSS 附近的低甲基化明确导致基因过表达。有趣的是,我们发现在暗组 GC 中检测到的 DNA 甲基化特征和相关基因表达改变也存在于肝脏(一种代谢组织)中。这些一致的变化表明,这种甲基化景观和转录变化不是单个器官中偶然的低甲基化事件,而是不同器官响应相同的环境改变而做出相同变化的系统性事件。此外,昼夜 PAI-1 基因表达被认为是通过将其启动子区域与时钟基因蛋白(如 CLOCK 和 BMAL1/BMAL2)结合直接驱动的 [ 39 ]。在昼夜人类和夜间啮齿动物中,血浆 PAI-1 水平在活性期开始时升高,表明有节奏的 PAI-1 表达对生物体是必需的。虽然我们没有观察到 Serpine1 启动子区 CLOCK/BMAL1 结合位点 CpG 位点的甲基化变化,但 CLOCK/BMAL1 复合物与 PAI-1 的结合可能会因染色质构象变化而改变。这些有趣的推测值得在更多的实验中得到检验。
我们在 KGN 细胞中用 TPX 对 PAI-1 进行药理学抑制,然后在连续黑暗和 DHEA 处理的大鼠中证实我们的结果。TPX 显著降低了连续暴露在黑暗中的大鼠和 DHEA 处理的大鼠的血清 PAI-1 水平并降低了异常高的睾酮水平。据我们所知,这是临床前模型中 PAI-1 治疗 PCOS 高雄激素血症潜力的第一个证据。PAI-1 还减弱多囊卵巢形态并纠正发情周期。在葡萄糖代谢缺陷中也观察到 TPX 的保护作用。TPX 是研究最多的 PAI-1 抑制剂之一,似乎是一种非常有前途的药物。TPX 的体内疗效已在多种动物模型中得到证实 [ 40 ]。它没有副作用,如出血时间、凝血酶时间或血压,并且具有很高的口服生物利用度 [ 40 ]。源自该抑制剂结构的其他抑制剂(例如 PAI-749)在纤溶的人体 I 期临床试验中进行了研究 [ 41 ]。应进行额外的 TPX 治疗高雄激素血症的临床前和临床试验。
我们在 PCOS 女性中观察到 SERPINE1 低甲基化和过表达。值得注意的是,在这些队列中,随着年龄和 BMI 的匹配,我们发现血清 PAI-1 和睾酮水平之间存在显着的正相关。这些发现支持了我们连续黑暗暴露大鼠模型中的发现,并为根据血液 SERPINE1 甲基化或表达状态早期识别潜在的 PCOS 提供了理论依据。尽管这项研究受到样本量小的限制,但它最初在现实世界中验证了我们的发现。因此,需要进行更大规模的临床研究。
这项研究存在一些局限性。大鼠与人类的时间生物学行为相反,尤其在模拟光反射、褪黑激素分泌、新陈代谢和社会行为方面存在无法克服的差异 [ 42 ]。将来,应开发昼夜啮齿动物 [ 43 ] 或非人灵长类动物 [ 44 ] 年代学模型以供进一步研究。此外,我们专注于 PI3K/AKT 通路,以研究 PAI-1 抑制芳香化酶表达的潜在机制。然而,抗体微阵列表明,导致这种抑制的替代机制可能仍然存在,这需要进一步研究。
由于目前的 PCOS 治疗是基于症状的并且与高复发率相关,因此迫切需要开发新的治疗产品来解决综合征的发生和发病机制。这项研究表明,与对照组相比,在连续黑暗暴露大鼠的 GC 中检测到的差异甲基化基因 Serpine1 在 PCOS 女性的血液样本中也发生了改变,伴随着表达上调和相关的高雄激素血症。这一令人兴奋的发现为早期检测 PCOS 易感性和基于表观遗传学的疗法的候选生物标志物提供了新的途径。未来的研究需要确定更大患者队列中的标志物和动物模型中 SERPINE1 的表观遗传编辑,以评估体内表观遗传学治疗效果。
4. 方法
4.1. 动物使用和护理
动物研究方案得到了上海模式生物中心动物伦理委员会 (2021‐0011‐01) 和上海中医药大学 (PZSHUTCM211101047) 的批准。所有动物实验均按照当地动物伦理委员会的指导方针进行。
4.2. 连续黑暗暴露大鼠模型
如前所述生成了连续黑暗暴露的 SD 大鼠模型 [ 11 , 12 ]。在 12:12 h 光-暗循环适应 1 周后,共使用 80 只雌性 SD 大鼠 (5-6 周)。将大鼠随机分为两组:(1) 深色组,用不透水的黑色笼布笼住,导致连续的黑暗环境和 (2) 对照组,保持在 12:12 h 的光照-黑暗循环下。每组 8 只大鼠每 2 周处死 8 只,共 8 周。
4.3. DHEA 治疗
未成熟 (21 d 龄) 雌性 SD 大鼠每天注射 DHEA (60 mg kg-1/d,溶于 0.2 mL 芝麻油,D4000;Sigma Aldrich, St. Louis, USA)皮下注射,作为 DHEA 组。对照组每天注射相同体积的芝麻油。上述动物均治疗 3 周。
4.4. TPX 处理
TPX 通过管饲法作为抢救治疗给药。对于黑暗处理的模型,有三组:(1) 黑暗 + TPX,在连续黑暗环境中保存并用 TPX(2 mg kg-1/d,用 1% DMSO 玉米油稀释,HY-15253;MedChemExpress,美国新 泽西州),(2) 深色 + 油,在连续黑暗环境中保存并用玉米油管饲(HY-Y1888;MedChemExpress),(3) 对照 + 油,保持在 12:12 小时的光-暗循环下,并用玉米油管饲。上述动物均治疗 8 周。对于 DHEA 处理的模型,有三组:(1) DHEA + TPX,注射 DHEA (60 mg kg-1/d) 并用 TPX (2 mg kg-1/d) 灌胃,(2) DHEA + 油,注射 DHEA (60 mg kg-1/d) 并用玉米油灌饲,(3) 油 + 油, 注入芝麻油,用玉米油灌胃。上述动物均治疗 3 周。
4.5. MC-seq DNA 甲基化数据分析
对于 MC-seq,通过碱基鉴定和错误过滤鉴定测序获得的原始图像文件,以获得可用于分析的原始测序片段,并将结果以 FASTQ 文件格式存储。使用 FastQC (ver. 0.11.5) 检查序列数据质量。Trim_galore (ver. 0.4.1) 去除了质量分数低的碱基和所有测序 reads 中的接头。修剪的读数通过 Bismark 管道(版本 v0.15.0;bowtie v2.2.9)映射到 Rattus norregicus 基因组(RAT6.0,集合)。deduplicate_bismark 删除了重复的 reads。保留所有覆盖深度为 ≥10× 的 CpG 位点进行分析,以确保高 MC-Seq 数据质量。每个样品在测序后提供约 20 G 的原始数据,目标捕获区域约为 90 Mb。目标读取率从 71.27 到 84.26% 不等,阈值设置为:p < 0.05,甲基化差异度 >10%。DMR 通过 R 包 DSS 调用 DMR 函数获得,DMR 长度(小于 1000 bp)和 CpG 数(DMR 中至少 3 CpGs),阈值设置为:成对卡方检验,随后进行多次检验校正;调整后 p < 0.05,最小差异截断值为 10%。启动子区域定义为 tTSS 的 −2.5 至 +0.5 kb 区域。使用 KOBAS-i (KOBAS 3.0) 将选定的 DMS 相关基因映射到 GO 数据库、KEGG 数据库和 Reactome 数据库中的每个术语,并计算每个术语中的基因数量。Fisher 精确检验用于测量注释术语中的基因富集。使用 R (v.3.3.1) 进行主成分分析。
4.6. RNA-seq 数据分析
使用 Seqtk (GitHub—lh3/seqtk: Toolkit for processing sequences in FASTA/Q formats) 对原始双端 RNA-seq FASTQ 数据进行修剪,以去除衔接子序列和低质量碱基。使用 Hisat2 (版本:2.0.4) 将修剪的读数定位到 Rattus norregicus 基因组 (RAT6.0, ensemble)。通过 Stringtie (版本:1.3.0) 和 TMM (M 值的修剪平均值) 计算每个基因的表达水平为每千碱基外显子模型每百万映射读数 (FPKM) 的片段数。使用 edgeR 进行 DEGs 分析。DEG 如下:至少 1.5 倍的变化和调整后的 p 值(通过 Wald 检验获得,并默认使用 Benjamini-Hochberg 方法对多次测试进行校正)小于 0.05。将 DEG 提交到 DAVID 6.8 网站进行 KEGG 分析,并使用 Fisher 精确检验来测量基因富集。
4.7. 甲基化和转录的相关性分析
为了获得差异甲基化和基因表达之间的相关性,我们只考虑了启动子区域中的 DMS。我们绘制了 log2 倍表达变化与甲基化差异的关系,并使用 Fisher 精确检验测试基因在四个结果象限中的分布的方向性。
4.8. BRL-3A 细胞中基于 CRISPR-dCas9 的靶向甲基化
sgRNA-ZsGreen1-T2A-Puro (PGMLV-SpCas9) 载体 (GM-8199) 和 GPLVX-CMV-3×Flag-NLS-dCas9-Dnmt3aCD-T2A-杀稻瘟菌素载体 (10948) 购自 Genomeditech(中国上海)。为了生成具有整合 dCas9-Dnmt3a 转基因的稳定细胞系,将 BRL-3A 细胞接种到六孔板中,并于第二天以 30-50% 汇合度转染。我们将 5 μg/mL 聚凝胺 (Sigma-Aldrich) 添加到 10% FBS DMEM 中。根据提供者的方案,用 GPLVX-CMV-3×Flag-NLS-dCas9-Dnmt3aCD-T2A-杀稻瘟菌素的慢病毒颗粒转导 BRL-3A 细胞。用杀稻瘟菌素 S (25 μg/mL,GM-040404;Genomeditech) 48 小时。然后用不同 sgRNA-ZsGreen1-T2A-Puro 载体的慢病毒颗粒分别转导稳定的 dCas9-Dnmt3aCD-BRL-3A 细胞(表 S4 )。用嘌呤霉素 (1.5 μg/mL,GM-040401;Genomeditech 的 Genomeditech)。在本研究中,感染后 3 天收获细胞。
4.9. 磷酸化抗体阵列分析
使用 KGN 细胞通过 Wayen Biotechnologies(中国上海)的磷酸化抗体阵列 (Full Moon, Sunnyvale, USA) 和 phospho‐Exploerer (PEX100) 分析,鉴定 PAI-1 靶向蛋白。用 TPX (10 μM) 处理 KGN 细胞 15 分钟,然后收集细胞用于阵列。磷酸化信号比值计算如下:磷酸化比值 = 磷酸化/非磷酸化。15 和 0 min 之间的磷酸化比值计算如下:磷酸化比值 = 磷酸化比值 (15 min)/磷酸化比值 (0 min)。将 Fold Change 阈值设置为 1.5 以获得差异磷酸化蛋白。
4.10. 临床样本
本研究纳入了 2015 年 1 月至 2017 年 12 月在上海交通大学医学院附属任济医院生殖医学科接受体外受精胚胎移植治疗的患者。收集患者丢弃的血清、血浆和卵泡液用于研究。上海交通大学医学院附属任济医院医学伦理委员会批准了该研究过程(第 2017041411 号),所有参与者均提供了书面知情同意书。PCOS 诊断标准的主要参考是 2003 年修订的 PCOS 鹿特丹共识。基本变量和与 PCOS 相关的人体测量变量见表 S1–S3 。
4.11. 统计分析
所有数据均以 SD ±平均值表示。每个实验/组使用 3-5 个样品/独立重复。使用 IBM SPSS Statistics 和 GraphPad Prism 8 (GraphPad Software) 进行统计分析。使用 Levene 方差相等性检验分析统计显着性。两组之间的差异由双尾 Student's t 检验确定,其中数据是正态分布的数据。两组以上之间的差异通过单因素方差分析后跟 Dunnett 事后检验或 Kruskal-Wallis 检验后跟 Dunn 事后检验确定。当假设相等方差时,使用 Pearson 相关系数分析两个数据集之间的相关性。p < 0.05 被认为具有统计学意义。
作者贡献
耿雪英 :概念化、形式化分析、方法论、调查、软件、可视化、资金获取、写作——原稿。 褚薇薇 :形式分析、方法、调查、验证、写作——审查和编辑。Shang Li:数据管理、调查、写作 - 审查和编辑。 周喜英 :调查、方法、写作——审稿和编辑。Dongshuang Wang:数据管理、调查、写作 - 审查和编辑。Junyu Zhai:数据管理、调查、写作 - 审查和编辑。Yun Sun:数据管理、项目管理、资金获取、写作 - 审查和编辑。 陈子江 :构思化、资金获取、写作——审查和编辑。 杜燕之 :构思、资金获取、项目管理、写作——审查和编辑。所有作者均已阅读并批准了最终手稿。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
道德声明
动物研究方案得到了上海模式生物中心动物伦理委员会 (2021‐0011‐01) 和上海中医药大学 (PZSHUTCM211101047) 的批准。所有动物实验均按照当地动物伦理委员会的指导方针进行。
临床样本采集经上海交通大学医学院附属任济医院医学伦理委员会(2017041411号)批准,所有参与者均提供书面知情同意书。
支持信息
支持信息
MCO2-6-e70270-s001.pdf (3.7MB,pdf)
确认
这项工作得到了国家重点研发计划(No. 2024YFC2706703 和 2022YFC2703204)的支持;国家自然科学基金(82171623、82401911、81971343);美国国立卫生研究院项目 (No.1R01HD085527);上海市高水平地方高校创新研究团队(No.SHSMU-ZLCX20210200);上海市科学技术委员会(编号:21XD1401900 和 20DZ2270900);《上海市加强公共卫生体系建设三年行动计划》(GWVI-11.1-36);上海市重点研究中心建设项目(2023ZZ02002)。我们感谢 Yifan Wu 博士和 Juan Wang 博士在实验中的帮助。我们非常感谢 Wangsheng Wang 博士的技术支持。我们还感谢 T. Yanase 教授对细胞系的慷慨馈赠。我们要感谢施维雅提供图形抽象中的示意图艺术作品,这些作品由 施维雅医学艺术 提供。施维雅医疗艺术 根据 Creative Commons Attribution 3.0 未本地化版本许可证 ( https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ ) 获得许可。陈子江和杜燕之对这项工作做出了同样的贡献。
贡献者信息
Zi‐江 Chen,电子邮件:chenzijiang@hotmail.com.
Yanzhi Du, 电子邮件: duyz@sjtu.edu.cn.
数据可用性声明
本研究中生成的甲基化数据和转录组数据存放在中国科学院国家生物信息中心/北京基因组研究所国家基因组学数据中心的基因组序列档案中(GSA:CRA014285,CRA014335),可在 https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa 上公开访问。本研究期间生成或分析的其他数据包含在本文及其补充文件中。
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Associated Data
This section collects any data citations, data availability statements, or supplementary materials included in this article.
Supplementary Materials
Supporting Information
Data Availability Statement
The methylation data and transcriptomic data generated in this study are deposited in the Genome Sequence Archive in National Genomics Data Center, China National Center for Bioinformation / Beijing Institute of Genomics, Chinese Academy of Sciences (GSA: CRA014285, CRA014335) that are publicly accessible at https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa. Other data generated or analyzed during this study are included in this article and its supplementary files.
