武曉慧 ,李 青,徐玉喬,陳佳琪,楊 帆,劉婉瑩,李 凱
(1.西安醫(yī)學(xué)院肥胖與代謝病研究所,陜西西安 710021;2.空軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院病理科暨病理學(xué)教研室,陜西西安 710032;3.西安醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院,陜西西安 710021)
骨骼肌是人體四大基本組織之一,骨骼肌病變嚴(yán)重影響人體運(yùn)動(dòng)功能,甚至危及生命[1]。近年來(lái)的研究表明,表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制與骨骼肌細(xì)胞的分化調(diào)控及骨骼肌疾病如肌營(yíng)養(yǎng)不良癥、橫紋肌肉瘤等有密切聯(lián)系[2-5],了解骨骼肌細(xì)胞的分化調(diào)控機(jī)制可以為這些疾病的發(fā)病機(jī)制研究提供理論依據(jù)。Ezh2是多梳族抑制性復(fù)合物2(polycomb repressive complex 2,PRC2)的催化活性亞單位,由746 個(gè)氨基酸組成,可以催化組蛋白H3K27 的甲基化,形成H3K27me3。H3K27me3 一般沉默靶基因的表達(dá)[6]?,F(xiàn)有的研究結(jié)果表明,Ezh2在E9.5 天的胚胎發(fā)育部位以及在未分化的骨骼肌成肌細(xì)胞中陽(yáng)性表達(dá),但隨著胚胎的生長(zhǎng)發(fā)育逐漸被抑制[7]。在肌衛(wèi)星細(xì)胞系C2C12 成肌誘導(dǎo)分化過程中,Ezh2表現(xiàn)為減少趨勢(shì)[7]。在小鼠的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中敲除Ezh2,會(huì)導(dǎo)致骨骼肌分化不良,肌纖維間脂肪沉著和纖維素增加,小鼠存活率下降,但在分化終末階段敲除Ezh2則不會(huì)明顯影響骨骼肌細(xì)胞分化[8-9]??傊?,目前Ezh2對(duì)骨骼肌細(xì)胞分化的影響研究結(jié)果是其在成肌細(xì)胞和肌衛(wèi)星細(xì)胞階段發(fā)揮作用,在分化終末階段不發(fā)揮作用,但Ezh2在更早期的間充質(zhì)干細(xì)胞階段對(duì)骨骼肌細(xì)胞分化的具體影響尚不清楚[8,10]。本研究擬觀察在間充質(zhì)干細(xì)胞中敲除Ezh2的小鼠骨骼肌分化表型,明確此階段Ezh2缺失對(duì)骨骼肌分化造成的影響。此外,本研究擬進(jìn)一步觀察骨骼肌收縮的能量供應(yīng)細(xì)胞器-線粒體,在Ezh2缺失后是否受到相應(yīng)的影響,從亞細(xì)胞水平探索Ezh2對(duì)骨骼肌細(xì)胞分化的影響。
1.1.1Ezh2基因敲除小鼠的構(gòu)建 采用Cre-loxp方法構(gòu)建了Ezh2基因敲除小鼠。Ezh2flox/+雌雄小鼠(B6;129S1-Ezh2tm2Sho/J)及Prx1驅(qū)動(dòng)Cre小鼠(B6.Cg-Tg(Prrx1-cre)1Cjt/J,間充質(zhì)干細(xì)胞條件敲除工具鼠[11-12])由空軍軍醫(yī)大學(xué)張豐副教授和葉菁教授惠贈(zèng)。通過Prx1-Cre工具小鼠與Ezh2flox/+小鼠雜交,獲得Ezh2flox/+Prx1-Cre+小鼠,再回交獲得Ezh2flox/floxPrx1-Cre+小鼠(以下簡(jiǎn)寫為Ezh2F/FPrx1-Cre)。同窩中基因型為Ezh2flox/+或Ezh2+/+Prx1-Cre+同性別小鼠作為對(duì)照組。小鼠為SPF 級(jí),飼養(yǎng)于SPF 級(jí)屏障實(shí)驗(yàn)室,生產(chǎn)許可證編號(hào):SCXK(陜)2019-001;使用許可證編號(hào):SYXK(陜)2019-001。本實(shí)驗(yàn)中所有動(dòng)物操作符合西安醫(yī)學(xué)院和空軍軍醫(yī)大學(xué)倫理委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。
1.1.2 小鼠基因鑒定 提取鼠尾DNA 進(jìn)行PCR,反應(yīng)體系為20 μL,引物序列(5′-3′)如下:Ezh2Forward:CATGTGCAGCTTTCTGTTCA;Ezh2Reve?rse:CACAGCCTTTCTGCTCACTG;Prx1-CreForw?ard:TCTCTGGCTCTGATGTTGGCA;Prx1-CreRe?verse:CGCATAACCAGTGAAACAGC。PCR 結(jié)束后用EB 預(yù)染的1.6%瓊脂糖凝膠100 V 電泳30 min分離DNA,紫外凝膠成像儀成像后根據(jù)條帶位置判斷小鼠基因型。
1.2.1 小鼠骨骼肌組織化學(xué)染色 脫頸椎法處死小鼠,取小鼠小腿腓腸肌部位骨骼肌,立即進(jìn)行冰凍切片,切片厚度10 μm,行蘇木素-伊紅染色(HE染色)、改良Gomori 三色染色(Modified Gomori Tri?chrome,MGT)及四氮唑還原酶(NADH-tetrarolium redutase,NADH-TR)染色。
HE 染色:用甲醛固定切片上的組織后進(jìn)行常規(guī)染色,脫水、透明后樹膠封片。
MGT 染色:Harris 蘇木精染色10 min 后用水沖洗,Gomori 氏溶液浸泡30 min,0.2%醋酸浸洗1 min,酒精脫水,二甲苯透明,樹膠封固。染色后,細(xì)胞核應(yīng)呈紅色,肌纖維呈暗綠色,膠原纖維呈亮綠色,線粒體呈紅色[13]。
四氮唑還原酶(NADH-tetrarolium redutase,NADH-TR)染色:將切片放入37 ℃孵箱內(nèi)孵育于含有Tric 緩沖液(PH7.4)、硝基四氮唑和NADH的染色液中30 min,蒸餾水洗,甘油明膠封固。染色后,Ⅰ型肌纖維呈藍(lán)紫色,Ⅱ型肌纖維呈淺灰色[14-15]。
1.2.2 免疫組化染色 腓腸肌組織用40 g/L 甲醛溶液固定48 h,常規(guī)脫水、浸蠟、包埋、切片厚度3 μm,切片脫蠟后過梯度酒精至水,檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液高壓修復(fù)抗原(pH6.0);體積分?jǐn)?shù)3%H2O2孵育10 min;體積分?jǐn)?shù)5% 羊血清室溫封閉15 min;用1∶300 稀釋的細(xì)胞色素C(Cytochrome c,CytC,Abcam,美國(guó)),濕盒內(nèi)4℃孵育過夜;生物素標(biāo)記的羊抗兔IgG 二抗37 ℃孵育15 min;辣根酶標(biāo)記鏈霉卵白素工作液37 ℃孵育15 min,DAB 顯色,蘇木素襯染核30 s,常規(guī)脫水透明,中性樹膠封片。
1.2.3 電鏡分析 取腓腸肌組織,2.5%戊二醛固定液固定24 h 后,將組織塊切成1 mm3左右大小,注意縱橫方向,送空軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院病理科電鏡室制樣,透射電鏡觀察并照相。
1.2.4 ATP 濃度測(cè)定 采用ATP 檢測(cè)試劑盒(S0026B,碧云天)進(jìn)行檢測(cè)。樣品每20 mg 組織加入100 μL 裂解液后進(jìn)行勻漿。4 ℃13 800 ×g離心5 min,取上清,用于后續(xù)的測(cè)定。ATP 濃度的測(cè)定:加100 μL ATP 檢測(cè)工作液到檢測(cè)孔內(nèi),室溫放置3 min,消耗本底ATP。在檢測(cè)孔內(nèi)加入20 μL 樣品或標(biāo)準(zhǔn)品,迅速混勻,2 s 后用熒光酶標(biāo)儀進(jìn)行測(cè)定,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出樣品中ATP 的濃度。用BCA 蛋白濃度測(cè)定試劑盒測(cè)定樣品中的蛋白濃度。ATP 的濃度以nmol/ng 蛋白的形式表示。
1.2.5 Western blot 法檢測(cè)蛋白表達(dá)量 取小鼠腓腸肌組織約100 mg,提取總蛋白,測(cè)定小鼠骨骼肌分化標(biāo)志物Myogenin、Desmin 和Myosin[15-18]的蛋白表達(dá)量。采用BCA 法測(cè)蛋白濃度(上海,碧云天),樣品上樣量為20 μg/孔,電泳結(jié)束后轉(zhuǎn)至PVDF 膜,將膜用50 g/L 脫脂奶粉室溫封閉1 h,1×PBST 洗膜5 min×3 次,置于1 抗中4℃搖床孵育過夜(兔H3K27me3 抗體,Abcam(15 ku);兔Ezh2抗體,CST(98 ku);鼠β-Tubulin 抗體,天津三箭(55 ku);兔GAPDH 抗體,武漢三鷹(36 ku),兔Myosin 抗體,碧云天(19 ku);兔Desmin 抗體,碧云天(53 ku);小鼠Myogenin 抗體,SANTA CRUZ(34 ku);兔CytC 抗體,Abcam(14 ku)。1×PBST 洗膜5 min×3 次,將膜置于二抗(中衫金橋羊抗兔或羊抗鼠IgG,濃度均為1∶5 000)中室溫孵育1 h,再用PBST 洗膜3 次,ECL 發(fā)光液發(fā)光。
1.2.6 逆轉(zhuǎn)錄熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Real?time RT-qPCR)法檢測(cè)基因相對(duì)表達(dá)量 檢測(cè)骨骼肌細(xì)胞標(biāo)志物Myogenin、Ckm、p16Ink4a[19]、Msx1[20]、Atf3[21]、Pax3[22]、MhcIIb和線粒體標(biāo)志物COX1、CS、CytC、Tfam[23]、Pgc1α[24]、IDH3a的基因表達(dá),取小鼠腓腸肌組織,使用RNA 提取試劑盒(日本TaKaRa)提取總RNA。反轉(zhuǎn)錄為cDNA,SYBR Green master mix(日本TaKaRa)催化下,在Real-Time PCR 儀(美國(guó)Bio-Rad)上進(jìn)行擴(kuò)增。待測(cè)基因的引物由大連寶生公司設(shè)計(jì)并合成,所測(cè)基因英文全稱及引物序列信息見表1、2。以小鼠GAPDH 為內(nèi)參。
采用SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,計(jì)量數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布時(shí)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()表示,兩組間比較且方差齊時(shí)采用獨(dú)立樣本均數(shù)t檢驗(yàn),方差不齊的數(shù)據(jù)采用校正t檢驗(yàn)。檢驗(yàn)為雙側(cè),以P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
經(jīng)觀察,Ezh2基因敲除小鼠的體型較小、體質(zhì)量較輕,精神狀態(tài)、毛發(fā)光澤度、飲食以及活動(dòng)情況如常,但敲除小鼠出生后死亡率較同窩對(duì)照組高,繁殖能力下降。敲除小鼠前肢出現(xiàn)向內(nèi)曲屈畸形。取6周齡小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè),敲除組小鼠骨骼肌中Ezh2(t=3.327,P=0.029 2)和H3K27me3(t=4.330,P=0.012 3)的蛋白含量降低,表明成功構(gòu)建了Ezh2基因敲除小鼠(圖1A,均P< 0.05)。小鼠骨骼肌切片HE 染色結(jié)果顯示,敲除組肌纖維粗細(xì)不等,核一般在周邊,但部分細(xì)胞核發(fā)生內(nèi)移現(xiàn)象,如圖1B 右圖綠色箭頭所指處,此為病理性改變。小鼠骨骼肌分化相關(guān)基因中Myogenin(t=7.822,P=0.001 4,校正t檢驗(yàn))和MhcIIb(t=4.668,P=0.043 0,校正t檢驗(yàn))的mRNA 表達(dá)均明顯減少(均P<0.05;圖1C),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,其余基因表達(dá)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。敲除組Myogenin(t=9.126,P=0.000 8)蛋白表達(dá)量下降,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但Desmin(t=1.767,P=0.152 0)和Myo?sin(t=2.241,P=0.088 5)蛋白表達(dá)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖1D)。
表1 被測(cè)基因英文全稱Table 1 Full English name of detected genes
表2 被測(cè)基因引物序列信息Table 2 Primer sequence information of detected genes
MGT 染色顯示,骨骼肌細(xì)胞間無(wú)明顯膠原纖維增生。NADH-TR 染色顯示敲除組肌纖維粗細(xì)不等,I 型肌纖維內(nèi)NADH 增多,提示線粒體數(shù)量增加或NADH 增加。細(xì)胞色素C 免疫組化染色顯示敲除組骨骼肌I 型肌纖維內(nèi)線粒體數(shù)量增加或CytC 表達(dá)增加(圖2A)。為進(jìn)一步確定表型,采用電鏡在骨骼肌橫縱兩個(gè)切面上進(jìn)行了觀察,橫斷面上發(fā)現(xiàn)肌膜下線粒體數(shù)量明顯增加,呈團(tuán)塊狀堆積(圖2B)??v切面發(fā)現(xiàn)骨骼肌肌原纖維粗細(xì)不等,肌原纖維間的線粒體異常增加。未見線粒體水腫及明顯的嵴斷裂。對(duì)照組Z 線、明帶和暗帶清晰可見,敲除組明帶清晰度略下降(圖2C)。
圖1 Ezh2 基因敲除小鼠骨骼肌分化表型Fig.1 Differentiation phenotype of skeletal muscle in Ezh2 knockout mice
為了判別敲除組骨骼肌細(xì)胞內(nèi)線粒體增加的表型是Ezh2缺失后促進(jìn)了線粒體增生還是線粒體功能異常所導(dǎo)致的代償性增生,進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè),線粒體結(jié)構(gòu)和生成相關(guān)基因的表達(dá)有不同程度的升高,敲除組線粒體相關(guān)基因CytC(t=7.248,P=0.0185)、Tfam(t=4.927,P=0.0388,校正t檢驗(yàn))、Pgc1α(t=8.183,P=0.0012,校正t檢驗(yàn))的表達(dá)明顯高于對(duì)照組(圖3A),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。細(xì)胞色素C 蛋白表達(dá)增加(t=3.009,P=0.0396;圖3B),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。經(jīng)測(cè)定,敲除組骨骼肌內(nèi)ATP 含量明顯少于對(duì)照組(t=4.189,P=0.0138;圖3C)。取2 周齡小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn),此階段小鼠剛開始進(jìn)行自主活動(dòng),此時(shí)對(duì)骨骼肌的利用還不充分。HE 染色結(jié)果顯示,2 周齡小鼠敲除組仍存在肌纖維粗細(xì)不等,直徑較為纖細(xì),提示骨骼肌纖維分化不良,但NADH-TR 染色兩組無(wú)明顯差別(圖4A、B),說(shuō)明線粒體增加并不明顯。間充質(zhì)干細(xì)胞是骨骼、脂肪、骨骼肌等細(xì)胞共同的前體細(xì)胞,本實(shí)驗(yàn)小鼠的脂肪組織也發(fā)生了Ezh2敲除(圖4C)。因棕色脂肪富含線粒體,我們對(duì)6 周齡小鼠的棕色脂肪細(xì)胞中的線粒體進(jìn)行了電鏡觀察,兩組胞漿內(nèi)均滿布線粒體,并未發(fā)現(xiàn)敲除組線粒體數(shù)量的增加,線粒體形態(tài)無(wú)明顯異常(圖4D)。綜合上述證據(jù),推測(cè)Ezh2缺失后由于線粒體ATP 產(chǎn)生能力下降,機(jī)體為了滿足運(yùn)動(dòng)需求而促使線粒體數(shù)量發(fā)生了代償性增加。
圖2 小鼠骨骼肌細(xì)胞特殊染色、免疫組化染色及電鏡照片F(xiàn)ig.2 Special staining,immunohistochemical staining and electron micrograph of skeletal muscle fibers of mice
本研究利用在間充質(zhì)干細(xì)胞中敲除Ezh2的小鼠,觀察了骨骼肌細(xì)胞分化的表型。研究所用工具鼠的Cre 酶驅(qū)動(dòng)基因Prx1在胚胎E10.5 天有明確的表達(dá)[25],與文獻(xiàn)報(bào)道的Ezh2在胎鼠體節(jié)發(fā)育陽(yáng)性表達(dá)最強(qiáng)階段的E9.5 天時(shí)間接近,利用Prx1可以較完全地敲除胎鼠間充質(zhì)干細(xì)胞中的Ezh2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在出生后2 周齡和6 周齡的Ezh2敲除小鼠,均觀察到了骨骼肌細(xì)胞分化不良,具體表現(xiàn)為肌纖維粗細(xì)不等,肌原纖維粗細(xì)不均,核內(nèi)移等結(jié)構(gòu)性異常。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了與骨骼肌細(xì)胞分化調(diào)控密切相關(guān)的一部分基因的表達(dá)情況,結(jié)果顯示,Myogenin和MhcIIb的mRNA 表達(dá)明顯減少,Myogenin 蛋白表達(dá)量下降,提示這些重要的骨骼肌分化相關(guān)基因和蛋白的表達(dá)受到影響,與形態(tài)學(xué)表型相一致。這些研究結(jié)果表明,Ezh2在間充質(zhì)干細(xì)胞階段對(duì)于骨骼肌細(xì)胞的分化是必須存在的,否則將引起分化障礙。
圖3 骨骼肌線粒體相關(guān)基因表達(dá)、CytC 蛋白表達(dá)和ATP 含量測(cè)定結(jié)果Fig.3 Expression of mitochondrial related genes,CytC protein and ATP content in skeletal muscle
圖4 2 周齡小鼠骨骼肌HE 和NADH-TR 染色及6 周齡小鼠背部棕色脂肪電鏡照片F(xiàn)ig.4 HE and NADH-TR staining of skeletal muscle of 2-week-old mice and electron micrograph of brown adipocytes in the back of 6-week-old mice
骨骼肌是高能量需求組織,尤其是運(yùn)動(dòng)時(shí),對(duì)能量的需求明顯增多[25]。骨骼肌收縮時(shí)需要大量的能量用于離子泵、橫橋擺動(dòng)、細(xì)胞信號(hào)傳遞等,三磷酸腺苷(adenosine-triphosphate,ATP)為肌纖維收縮的直接能源物質(zhì),而線粒體是能量物質(zhì)氧化產(chǎn)生ATP 的主要場(chǎng)所[26]。骨骼肌細(xì)胞的線粒體根據(jù)所在位置不同,一般分為肌膜下線粒體和肌原纖維間的線粒體,前者被認(rèn)為與動(dòng)脈血循環(huán)氧的提供有關(guān),主要為保持肌膜完整性以及各種離子和代謝產(chǎn)物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)提供能量,后者則與肌肉收縮時(shí)能量的提供有關(guān)[27]。既往的研究沒有關(guān)注Ezh2缺失對(duì)于線粒體造成的影響。本研究通過骨骼肌特異性染色,線粒體氧化呼吸鏈結(jié)構(gòu)蛋白CytC 的檢測(cè)以及電子顯微鏡觀察了線粒體的形態(tài)和分子表型。實(shí)驗(yàn)中我們觀察到在敲除組Ⅰ型肌纖維(Ⅰ型肌纖維又稱慢縮肌纖維,含有較多的線粒體;Ⅱ型肌纖維又稱快縮肌纖維,含有較少的線粒體[14])中存在線粒體NADH 異常增多和標(biāo)志物CytC 異常增多的現(xiàn)象。這促使我們通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)去尋找原因。在電鏡下,我們觀察到敲除組6 周齡小鼠肌膜下線粒體和肌原纖維間的線粒體數(shù)量均異常增加,呈團(tuán)塊狀堆積,但未見線粒體水腫及明顯的嵴斷裂。線粒體生成相關(guān)基因Tfam、Pgc1α的表達(dá)均升高,免疫組化染色和West?ern blot 結(jié)果均證實(shí)敲除組的CytC 蛋白含量均加。假設(shè)增加的線粒體是功能正常的線粒體,那么不論是動(dòng)脈血氧的利用還是ATP 的生成均應(yīng)提高。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,敲除組小鼠骨骼肌內(nèi)ATP含量是減少的,這提示實(shí)驗(yàn)中觀察到的線粒體增加很可能是一種代償性表現(xiàn)。為了觀察是否在骨骼肌還未經(jīng)運(yùn)動(dòng)刺激的幼齡動(dòng)物體內(nèi)是否有相同的現(xiàn)象,我們觀察了2 周齡小鼠的骨骼肌,此時(shí)小鼠處在剛剛開始自主運(yùn)動(dòng)的發(fā)育時(shí)期。結(jié)果發(fā)現(xiàn),2 周齡Ezh2缺失小鼠骨骼肌內(nèi)NADH 與對(duì)照組并無(wú)明顯差別。因本實(shí)驗(yàn)所用小鼠為間充質(zhì)干細(xì)胞敲除模型,Ezh2敲除范圍較為廣泛,骨骼肌、骨、脂肪等間充質(zhì)干細(xì)胞來(lái)源的組織內(nèi)均發(fā)生了敲除,我們又選取了富含線粒體的棕色脂肪組織作為觀察對(duì)象,觀察線粒體表型。經(jīng)觀察,棕色脂肪細(xì)胞內(nèi)線粒體并無(wú)增加現(xiàn)象,線粒體形態(tài)亦無(wú)明顯異常。這說(shuō)明,Ezh2缺失未能在其他組織細(xì)胞引起線粒體的增加,進(jìn)一步間接地證明6 周齡小鼠骨骼肌內(nèi)線粒體增加的原因很有可能是Ezh2缺失引起線粒體ATP 產(chǎn)生能力不足的情況下,機(jī)體為了滿足自身的運(yùn)動(dòng)需求,出現(xiàn)的一種代償性調(diào)節(jié),使得線粒體數(shù)量增加[28]。目前可以確定,Ezh2的缺失損害了骨骼肌線粒體產(chǎn)生ATP 的能力,但因線粒體ATP 產(chǎn)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)非常多,具體哪個(gè)或哪些環(huán)節(jié)發(fā)生了障礙,尚有待進(jìn)一步系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索。
綜上所述,本研究的結(jié)果證實(shí),在小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞成肌分化階段,Ezh2發(fā)揮了重要的作用,Ezh2在本階段促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞的分化。本研究還發(fā)現(xiàn)Ezh2缺失后會(huì)對(duì)骨骼肌細(xì)胞內(nèi)線粒體產(chǎn)生ATP 的能力造成不良影響,線粒體代償性增加,具體環(huán)節(jié)有待進(jìn)一步的研究。
中山大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)科學(xué)版)2020年6期