石家綺 李雪 孫利 趙文娥 丁書紅 侯曉媛 修艷燕 魯嚴(yán)
1南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院皮膚科 210029;2南京醫(yī)科大學(xué)附屬婦產(chǎn)醫(yī)院皮膚科210004;3南京醫(yī)科大學(xué)分析測(cè)試中心電鏡室 210000
白癜風(fēng)是一種后天性皮膚色素脫失性疾病,特點(diǎn)為表皮及毛囊中黑素細(xì)胞大量喪失[1]。研究[2]表明,白癜風(fēng)患者存在表皮內(nèi)以及系統(tǒng)性H2O2水平增高的現(xiàn)象,正常人體內(nèi)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄需要約10-6mol/L 濃度的H2O2,而白癜風(fēng)患者表皮H2O2濃度則高達(dá)10-3mol/L。Yao 等[3]提出,白癜風(fēng)患者在發(fā)病初期表皮內(nèi)H2O2可呈低濃度,雖不足以殺死黑素細(xì)胞,但會(huì)影響細(xì)胞功能,進(jìn)而引發(fā)炎癥及自身免疫反應(yīng)。2003年,Gauthier等[4]提出了“黑素細(xì)胞經(jīng)表皮脫失理論”,即白癜風(fēng)中黑素細(xì)胞的丟失可能是黑素細(xì)胞固有的黏附缺陷和外在機(jī)械性損傷等所致。Benzekri 等[5]發(fā)現(xiàn),白癜風(fēng)患者存在表皮黑素細(xì)胞與周圍角質(zhì)形成細(xì)胞間的黏附障礙,并且部分角質(zhì)形成細(xì)胞損傷及功能障礙會(huì)促進(jìn)受到機(jī)械性損傷或氧化應(yīng)激的黑素細(xì)胞脫失。我們?cè)谇捌谘芯恐幸殉晒τ?00 μmol/L H2O2誘導(dǎo)黑素細(xì)胞提前衰老[6]。在此基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步探討提前衰老的黑素細(xì)胞黏附功能及自噬水平的變化,并通過(guò)基因芯片篩選正常黑素細(xì)胞及提前衰老的黑素細(xì)胞中差異表達(dá)的自噬相關(guān)長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA),預(yù)測(cè)其可能的作用機(jī)制。
Ham F12培養(yǎng)基、胎牛血清(美國(guó)Gibco公司),Dispase酶(德國(guó)Roche公司),胰蛋白酶、青霉素-鏈霉素溶液、CCK8試劑盒(上海碧云天生物技術(shù)有限公司),抗氧化劑N-乙?;?L-半胱氨酸(NAC)、遺傳霉素(G418)(美國(guó)Sigma 公司),H2O2溶液(南京化學(xué)試劑有限公司),TRIzol(美國(guó)Invitrogen公司),兔抗人E-鈣黏素抗體、兔抗人β肌動(dòng)蛋白抗體、兔抗人微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3)抗 體( 美 國(guó) Cell Signaling Technology 公司),兔抗人SQSTM1/p62 抗體(英國(guó)Abcam 公司),山羊抗兔IgG 二抗(南京巴傲德生物科技有限公司),QIAGEN RNA 提取試劑盒、第一鏈緩沖液、PCR反應(yīng)試劑(上海艾博思生物科技有限公司),流式細(xì)胞儀(美國(guó)Beckman Coulter有限公司)。
標(biāo)本來(lái)自南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院泌尿外科健康男性包皮環(huán)切術(shù)后獲得的皮膚組織,已征得患者知情同意,并經(jīng)南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)同意(倫理審批號(hào):2018-SRFA-056)。聚維酮碘浸泡包皮后,去除皮下組織,用0.25% DispaseⅡ在37 ℃下消化4 h 后行真表皮分離。表皮剪碎后胰酶消化、篩網(wǎng)過(guò)濾、離心后獲得單細(xì)胞懸液,接種于含10%胎牛血清的F12 培養(yǎng)基,于5%CO2、37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。然后,換液去除未貼壁細(xì)胞,并在培養(yǎng)基中加入100 mg/L G418 抑制成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)。2 d 后換不含G418的培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)。細(xì)胞90%融合時(shí),采用胰酶差別消化,培養(yǎng)瓶中加入胰酶在37 ℃培養(yǎng)箱中消化3 min,使黑素細(xì)胞脫離培養(yǎng)瓶壁,角質(zhì)形成細(xì)胞仍緊密黏附于培養(yǎng)瓶壁,從而分離黑素細(xì)胞與角質(zhì)形成細(xì)胞。黑素細(xì)胞液離心后用培養(yǎng)基重懸,繼續(xù)傳代培養(yǎng)。
本課題組前期實(shí)驗(yàn)已證實(shí),400 μmol/L H2O2可誘導(dǎo)黑素細(xì)胞提前衰老[6],本研究也選擇該濃度處理黑素細(xì)胞。取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期黑素細(xì)胞,分為3 組:①對(duì)照組,無(wú)H2O2處理;②H2O2組,400 μmol/L H2O2處理,每天更換 H2O2溶液 1 次;③H2O2+ NAC 組:4 mmol/L NAC預(yù)處理細(xì)胞2 h,然后加入400 μmol/L H2O2處理,每天更換NAC和H2O2溶液1次。處理5 d后,進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次。
各組黑素細(xì)胞處理5 d 后,用磷酸鹽緩沖液(PBS)洗滌3 次去除培養(yǎng)基。室溫下4%多聚甲醛固定20 min,0.2%Triton X-100細(xì)胞破膜10 min,山羊抗兔血清封閉1 h,相應(yīng)抗體(E-鈣黏素抗體、LC3 抗體、p62 抗體的稀釋比例或濃度分別為1∶200、1∶100、1 μg/ml)4 ℃孵育過(guò)夜。PBS洗滌3次,室溫下避光孵育山羊抗兔IgG 二抗1 h,DAPI 熒光染料染核5 min,PBS 清洗3 次,共聚焦顯微鏡下觀察并攝片。
收集各組黑素細(xì)胞,離心獲得細(xì)胞沉淀,加入預(yù)冷的2.5%戊二醛,4 ℃固定過(guò)夜,后PBS 洗滌3 次,1%鋨酸固定2 h,PBS 洗滌3 次。使用梯度乙醇(50%、70%、80%、90%)各1次脫水,每次15 min,純丙酮2次脫水,每次15 min。純丙酮+包埋液(1∶1)中室溫浸透過(guò)夜,切片機(jī)切成80 nm 超薄切片,3%醋酸鈾-枸櫞酸鉛雙染色,透射電鏡觀察并攝片。
預(yù)冷PBS洗滌各組細(xì)胞3次,于冰上提取總蛋白,4 ℃離心機(jī)離心后吸去上清,加入5×上樣緩沖液混勻后煮沸變性。蛋白經(jīng)12%或10% SDSPAGE 聚丙烯酰胺凝膠電泳后,將蛋白轉(zhuǎn)移至聚偏二氟乙烯(PVDF)膜上。5%的脫脂奶粉封閉PVDF膜2 h,TBST緩沖液洗滌3次后,按抗體說(shuō)明書稀釋一抗(LC3、p62稀釋比例分別為1∶1 000、1∶10 000),4 ℃孵育過(guò)夜,二抗(1∶10 000 稀釋)室溫?fù)u床孵育1 h,經(jīng)化學(xué)發(fā)光法顯色。用ImageJ軟件分析圖片,計(jì)算E-鈣黏素、p62 與β 肌動(dòng)蛋白的灰度比值及LC3-Ⅰ與LC3-Ⅱ的灰度比值。
TRIzol 提取各組細(xì)胞總RNA,使用QIAGEN RNeasy?試劑盒純化總RNA,反轉(zhuǎn)錄合成雙鏈cDNA,進(jìn)一步合成熒光探針Cy3 標(biāo)記的cRNA,用QIAGEN RNeasy?微量試劑盒純化cRNA 并測(cè)定其濃度。cRNA 片段化后加入雜交緩沖液,混勻后滴加于芯片上滾動(dòng)雜交過(guò)夜。雜交完成后洗滌芯片并用Agilent G2505C 掃描儀(美國(guó)Agilent Technologies 公司)掃描得到原始圖像,并用Feature Extraction 軟件提取原始數(shù)據(jù)。Genespring軟件用來(lái)進(jìn)行分位數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及后續(xù)處理,miRNA靶基因預(yù)測(cè)軟件TargetScan 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行生物信息學(xué)分析,預(yù)測(cè)RNA的下游作用靶點(diǎn)。
使用Graphpad Prism 6軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料采用±s表示,多組間比較采用單因素方差分析,并用Tukey 檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩間的多重比較,P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
圖1 共聚焦顯微鏡觀察H2O2處理黑素細(xì)胞后E-鈣黏素的表達(dá)情況(×200) 對(duì)照組黑素細(xì)胞周圍可見(jiàn)連續(xù)明亮綠色熒光,H2O2+NAC組熒光稍暗于對(duì)照組,H2O2組可見(jiàn)微弱熒光
共聚焦顯微鏡下可見(jiàn)對(duì)照組黑素細(xì)胞膜周圍分布E-鈣黏素的明亮綠色熒光,H2O2+NAC 組熒光稍暗于對(duì)照組,H2O2組熒光微弱,見(jiàn)圖1。3組黑素細(xì)胞E-鈣黏素?zé)晒鈴?qiáng)度比較,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=19.350,P< 0.01);兩兩多重比較顯示,H2O2組熒光強(qiáng)度(4.876 ± 0.165)顯著低于對(duì)照組(16.840 ± 2.335,q=8.686,P< 0.01)及H2O2+NAC組(12.530 ± 0.467,q= 5.554,P< 0.01),對(duì)照組與H2O2+NAC組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(q=3.132,P>0.05)。
對(duì)照組黑素細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)大部分線粒體嵴排列尚整齊,可見(jiàn)數(shù)個(gè)自噬小體及電子密度高的黑素小體。H2O2組黑素細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)空泡明顯增多,大部分線粒體見(jiàn)嵴斷裂模糊,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張,胞質(zhì)內(nèi)黑色素顆粒較少,未見(jiàn)明顯自噬小體。H2O2+NAC組黑素細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)線粒體嵴排列尚整齊,部分空泡,可見(jiàn)數(shù)個(gè)自噬小體。見(jiàn)圖2。
共聚焦顯微鏡下,對(duì)照組及H2O2+ NAC 組的黑素細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)可見(jiàn)多個(gè)明亮的LC3點(diǎn)狀熒光,而H2O2組黑素細(xì)胞內(nèi)則未見(jiàn)LC3 點(diǎn)狀熒光,見(jiàn)圖3。相反,與對(duì)照組及H2O2+ NAC 組相比,H2O2組中p62熒光增多,見(jiàn)圖4。Western印跡結(jié)果顯示,3組黑素細(xì)胞LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ值及p62/β 肌動(dòng)蛋白值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F= 15.39、7.227,均P<0.05)。兩兩多重比較顯示,H2O2組黑素細(xì)胞LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ值(0.604±0.012)顯著低于對(duì)照組(1.200±0.081,q=7.718,P< 0.01)及H2O2+NAC組(1.017 ±0.062,q=5.076,P< 0.05),同時(shí)其p62/β 肌動(dòng)蛋白值(0.881±0.079)顯著高于對(duì)照組(0.456±0.121,q= 4.847,P< 0.05)及 H2O2+ NAC 組(0.492 ±0.049,q=4.439,P< 0.05)。見(jiàn)圖5。H2O2+NAC組與對(duì)照組的LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ值及p62/β 肌動(dòng)蛋白值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(q=2.642和0.407,均P> 0.05)。
圖2 透射電鏡觀察H2O2處理對(duì)黑素細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響 2A(×30 000):對(duì)照組,黑素細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)大部分線粒體嵴排列尚整齊,可見(jiàn)數(shù)個(gè)自噬小體及電子密度高的黑素小體;2B(×25 000):H2O2組,黑素細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)空泡明顯增多,大部分線粒體見(jiàn)嵴斷裂模糊,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張,胞質(zhì)內(nèi)黑色素顆粒較少,未見(jiàn)明顯自噬小體;2C(×25 000):H2O2+NAC組,黑素細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)線粒體嵴排列尚整齊,部分空泡,可見(jiàn)數(shù)個(gè)自噬小體圖中箭頭標(biāo)注為細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)自噬體
圖3 共聚焦顯微鏡觀察H2O2處理后黑素細(xì)胞微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(LC3)表達(dá)情況(×400) 對(duì)照組及H2O2+NAC組的黑素細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)可見(jiàn)多個(gè)明亮的LC3點(diǎn)狀熒光,而H2O2組黑素細(xì)胞內(nèi)未見(jiàn)明顯LC3點(diǎn)狀熒光
圖4 共聚焦顯微鏡觀察H2O2處理后黑素細(xì)胞內(nèi)p62表達(dá)情況(×400) 與對(duì)照組及H2O2+NAC組相比,H2O2組黑素細(xì)胞內(nèi)p62點(diǎn)狀熒光增多
通過(guò)生物信息學(xué)分析,從lncRNA 芯片結(jié)果中篩選出18 個(gè)差異表達(dá)的、且與黑素細(xì)胞提前衰老有關(guān)的自噬相關(guān)lncRNA,其中表達(dá)上調(diào)的lncRNA有11個(gè),表達(dá)下調(diào)的有7個(gè)。進(jìn)一步篩選出在提前衰老的黑素細(xì)胞中表達(dá)明顯上調(diào)的自噬相關(guān)lncRNA NONHSAT190308.1(差異 > 10 倍),見(jiàn)圖6。靶基因預(yù)測(cè)軟件TargetScan 預(yù)測(cè)其可與miRNA hsa-miR-361-3p 靶向結(jié)合,hsa-miR-361-3p 又靶向CDKN1A,CDKN1A即衰老相關(guān)蛋白p21。
圖5 Western 印跡法檢測(cè)各處理組p62 及微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3(LC3)表達(dá) 1:對(duì)照組;2:H2O2組;3:H2O2+NAC組
圖6 基因芯片數(shù)據(jù)分析篩選差異表達(dá)的自噬相關(guān)長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNA) 生物信息學(xué)分析篩選出262 個(gè)自噬相關(guān)lncRNA(差異 > 2倍,P < 0.05),其中有18個(gè)lncRNA與黑素細(xì)胞提前衰老有關(guān)
越來(lái)越多的研究[2,7-9]表明,由 H2O2引起的氧化應(yīng)激是白癜風(fēng)發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素之一,細(xì)胞氧化還原平衡失調(diào)可能是白癜風(fēng)的致病機(jī)制。Bellei等[10]提出,氧化應(yīng)激可導(dǎo)致黑素細(xì)胞提前衰老,并在細(xì)胞和分子水平上表現(xiàn)出和退行性疾病相同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的改變,包括脂質(zhì)代謝的改變、線粒體呼吸鏈的損傷、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)的功能障礙?!昂谒丶?xì)胞經(jīng)表皮脫失理論”提出后便受到了廣泛關(guān)注,該理論認(rèn)為黑素細(xì)胞受損導(dǎo)致的黏附缺陷以及受到的外在機(jī)械損傷會(huì)導(dǎo)致其與角質(zhì)形成細(xì)胞黏附受損,進(jìn)而從表皮脫失,其本質(zhì)與氧化應(yīng)激密切相關(guān)[4]。我們前期通過(guò)電鏡觀察到白癜風(fēng)患者皮損邊緣黑素細(xì)胞樹突縮短,部分黑素細(xì)胞甚至沒(méi)有樹突,致使其與周圍角質(zhì)形成細(xì)胞連接松散,從超微結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了黑素細(xì)胞經(jīng)表皮脫失理論[11]。黑素細(xì)胞與角質(zhì)形成細(xì)胞間的直接接觸是黑素小體轉(zhuǎn)運(yùn)所必須的條件,E-鈣黏素作為介導(dǎo)黑素細(xì)胞與角質(zhì)形成細(xì)胞間黏附的主要介質(zhì),存在于整個(gè)細(xì)胞表面;在氧化應(yīng)激狀態(tài)下可在黑素細(xì)胞膜內(nèi)呈不連續(xù)或不均勻分布或丟失,這種分布的改變先于白癜風(fēng)皮損的發(fā)生,是白癜風(fēng)發(fā)病機(jī)制中的早期事件[12]。前期實(shí)驗(yàn)[6]中我們已經(jīng)從蛋白水平證實(shí),H2O2處理后黑素細(xì)胞E-鈣黏素表達(dá)較對(duì)照組顯著下降。在本研究中,我們運(yùn)用免疫熒光檢測(cè)H2O2處理前后E-鈣黏素的變化,發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組細(xì)胞周圍明亮的綠色熒光相比,H2O2組黑素細(xì)胞周圍E-鈣黏素?zé)晒鈴?qiáng)度顯著減弱,而H2O2+NAC 組細(xì)胞E-鈣黏素?zé)晒鈴?qiáng)度未有明顯減弱。以上結(jié)果表明,H2O2誘導(dǎo)的提前衰老的黑素細(xì)胞存在黏附缺陷,與周圍角質(zhì)形成細(xì)胞黏附減弱,易經(jīng)表皮脫失而發(fā)生白斑。
自噬是溶酶體降解過(guò)程,可以清除細(xì)胞內(nèi)受損的細(xì)胞器和錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì),維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài),促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)[13]。自噬的激活可以抑制由應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老和延緩衰老,而自噬水平的降低或抑制則與衰老和提前衰老有關(guān)[14]。氧化應(yīng)激環(huán)境可破壞細(xì)胞線粒體功能,線粒體是體內(nèi)活性氧的主要來(lái)源場(chǎng)所,線粒體受損可促進(jìn)活性氧的過(guò)度生成[15],進(jìn)而加速細(xì)胞衰老。本研究發(fā)現(xiàn),H2O2組黑素細(xì)胞內(nèi)線粒體數(shù)量減少,明顯腫脹,嵴排列紊亂,而加入NAC 作為抗氧化劑的處理組大部分線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)仍基本正常,僅存在微弱的線粒體損傷,證明氧化應(yīng)激環(huán)境可使細(xì)胞線粒體出現(xiàn)形態(tài)異常,而形態(tài)異常則是線粒體功能受損的主要表現(xiàn)。線粒體受損后,則需要啟動(dòng)自噬過(guò)程來(lái)清除受損線粒體,自噬水平下降則會(huì)使損傷細(xì)胞器積聚,影響細(xì)胞功能。電鏡下,與對(duì)照組相比,H2O2組黑素細(xì)胞內(nèi)線粒體腫脹伴嵴斷裂,未見(jiàn)明顯的自噬體,與白癜風(fēng)患者皮損邊緣黑素細(xì)胞超微電鏡觀察結(jié)果基本一致[16]。蛋白水平上亦證實(shí)H2O2組黑素細(xì)胞LC3-Ⅰ向LC3-Ⅱ轉(zhuǎn)化減少,同時(shí)p62 表達(dá)增加,而H2O2+NAC 組黑素細(xì)胞內(nèi)可見(jiàn)較多自噬小體,LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值高于H2O2組,表明抗氧化干預(yù)可緩解氧化應(yīng)激對(duì)黑素細(xì)胞造成的自噬損傷。
2011年有學(xué)者提出了競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)假說(shuō)[17],即miRNAs 可通過(guò)序列互補(bǔ)與靶基因的miRNA 反應(yīng)元件(miRNA response elements,MREs)互補(bǔ)結(jié)合,導(dǎo)致靶基因mRNA的降解或阻止靶基因的翻譯,起到負(fù)性調(diào)節(jié)的作用。lncRNA 可作為一種ceRNA,通過(guò)“海綿”吸附的方式吸附miRNA,減弱miRNA對(duì)靶基因 mRNAs 的“沉默效應(yīng)”,從而對(duì) miRNA 的靶基因mRNAs 進(jìn)行調(diào)控。本課題組前期實(shí)驗(yàn)[6]已證實(shí),400 μmol/L H2O2可誘導(dǎo)黑素細(xì)胞提前衰老,且衰老相關(guān)蛋白p21、p53 表達(dá)增高。根據(jù)基因芯片結(jié)果及預(yù)測(cè)軟件預(yù)測(cè)hsa-miR-361-3p 靶向CDKN1A(又被稱為p21),我們預(yù)測(cè)自噬相關(guān)lncRNA NONHSAT190308.1 可能通過(guò) MRE 競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合hsa-miR-361-3p,降低hsa-miR-361-3p的水平,減弱其對(duì)靶基因p21的“沉默效應(yīng)”,從而可能使衰老相關(guān)蛋白p21的表達(dá)增多。
綜合本研究結(jié)果和前期研究結(jié)果我們推測(cè),氧化應(yīng)激可使黑素細(xì)胞自噬水平顯著下降,難以清除氧化應(yīng)激壓力下受損的細(xì)胞器,進(jìn)而導(dǎo)致黑素細(xì)胞提前衰老,細(xì)胞樹突縮短,與角質(zhì)形成細(xì)胞連接疏松,傳遞黑素小體功能受損,黏附能力減弱,最終經(jīng)表皮脫失。如能證實(shí)并明確自噬相關(guān)lncRNA NONHSAT190308.1在黑素細(xì)胞提前衰老中作用機(jī)制,則可通過(guò)降低衰老相關(guān)蛋白的表達(dá),延緩黑素細(xì)胞在氧化應(yīng)激環(huán)境下的提前衰老進(jìn)程,維持黑素細(xì)胞黏附能力,進(jìn)而減少黑素細(xì)胞經(jīng)表皮脫失,調(diào)控白癜風(fēng)的發(fā)生和發(fā)展。
利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突