何志強(qiáng),黑偉,張萬(wàn)鋒,張燕偉,吳怡琦,蔡春波,楊陽(yáng),高鵬飛,李步高,郭曉紅
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,山西 太谷030801)
骨骼肌是哺乳動(dòng)物機(jī)體的重要組成部分,與哺乳動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)能力、代謝能力具有密切的聯(lián)系[1]。骨骼肌細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜的生理過(guò)程,主要包括骨骼肌干細(xì)胞增殖、遷移和分化,成肌細(xì)胞的增殖、分化和肌管融合等環(huán)節(jié)[2]。其中,骨骼肌成肌細(xì)胞的增殖是維持骨骼肌功能的基礎(chǔ)。當(dāng)骨骼肌受到損傷時(shí),機(jī)體可以通過(guò)成肌細(xì)胞的增殖和分化進(jìn)行損傷修復(fù),維持骨骼肌的功能。骨骼肌急性損傷后,可以激活骨骼肌中的MAPK/MEK 信號(hào)通路,誘導(dǎo)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖,并促進(jìn)成肌分化,完成骨骼肌的損傷修復(fù)[3]。電刺激可以促進(jìn)肌萎縮大鼠的骨骼肌中胰島素樣生長(zhǎng)因子1(IGF-1)表達(dá),抑制Myostatin基因表達(dá),促進(jìn)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖,緩解骨骼肌的萎縮程度[4]。C2C12 細(xì)胞是小鼠骨骼肌的成肌細(xì)胞系,具有很強(qiáng)的增殖和成肌分化能力,是研究骨骼肌發(fā)育的模式細(xì)胞系。
解偶聯(lián)蛋白3(Uncoupling protein 3,UCP3)主要在骨骼肌和棕色脂肪(BAT)中表達(dá),是一種位于線粒體內(nèi)膜上的載體蛋白[5]。UCP3 可以通過(guò)質(zhì)子漏的方式,消散線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子電化學(xué)梯度差,解偶聯(lián)線粒體的氧化與磷酸化過(guò)程,使能量以熱能的方式消耗。目前,關(guān)于UCP3 的研究主要集中在脂質(zhì)氧化代謝與產(chǎn)熱調(diào)節(jié)等方面,寒冷條件刺激下,豬可以通過(guò)上調(diào)UCP3 基因的表達(dá),促進(jìn)皮下白色脂肪棕色化,增加脂肪產(chǎn)熱,維持體溫平衡[6]。UCP3 還可以增強(qiáng)脂質(zhì)的氧化代謝作用[7~9],減少線粒體中活性氧(reactive oxygen specices,ROS)的產(chǎn)生[10],使線粒體免受氧化應(yīng)激造成的損傷[11]。Lin 等[12]發(fā)現(xiàn),90 日齡的莆田黑豬骨骼肌中UCP3 的表達(dá)量顯著高于其它日齡(P<0.01)。目前,關(guān)于UCP3 對(duì)骨骼肌的調(diào)控作用的報(bào)道較少,功能仍不清楚。本研究以C2C12細(xì)胞為研究對(duì)象,在有效轉(zhuǎn)染UCP3 過(guò)表達(dá)與干擾慢病毒載體的基礎(chǔ)上,收集不同處理組細(xì)胞的RNA 及蛋白,利用qRT-PCR 技術(shù)檢測(cè)增殖相關(guān)基因PCNA、Ki67 與凋亡相關(guān)基因Bax、caspase3 mRNA 表達(dá)量的變化,運(yùn)用Western Blot 技術(shù)檢測(cè)PCNA 蛋白表達(dá)量的變化;通 過(guò)CCK-8、EDU 染色探究過(guò)表達(dá)與干擾UCP3 基因?qū)2C12 細(xì)胞增殖速率的影響,闡明UCP3 基因?qū)2C12 成肌細(xì)胞增殖的調(diào)控作用,為骨骼肌中UCP3 的功能研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1.1.1 主要試劑
C2C12 細(xì)胞購(gòu)自上海蓋寧生物有限公司;胎牛血清(FBS)、高糖DMEM、0.25%胰酶購(gòu)自Gibco 公司;青鏈霉素混合液、PBS 緩沖液、4%多聚甲醛、Triton X-100、DAPI 染 液 購(gòu) 自Solaibio 公 司;SDS-PAGE 快速凝膠制備試劑盒、彩虹預(yù)染蛋白marker 購(gòu)自武漢博士得生物工程有限公司;TRNzol Universal RNA Reagent、總RNA 提 取 試 劑 盒購(gòu)自北京天根生化科技有限公司;Prime Script RT reagent Kit with gDNA Eraser 和SYBR Premix Ex Taq II 購(gòu) 自TaKaRa 公 司;CCK-8 試 劑盒、PCNA 單 克隆抗體 購(gòu) 自Abcam 公 司;β-actin 單克隆抗體購(gòu)自武漢三鷹生物技術(shù)有限公司;熒光二抗購(gòu)自美國(guó)LI-COR 公司;EDU 增殖檢測(cè)試劑盒購(gòu)自廣州銳博生物技術(shù)有限公司;qRT-PCR 引物由上海生工生物工程有限公司合成;慢病毒載體由上海吉瑪公司構(gòu)建并包裝。
1.1.2 主要儀器
多功能酶標(biāo)(BioTekSynergy-2,美國(guó));核酸蛋白測(cè)定儀(ND-1 000 Nanodrop,美國(guó));倒置熒光顯微鏡(DMi8 Leica,德國(guó));CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱(STE-CYCLE Thermo,美國(guó));實(shí)時(shí)熒光定量PCR 儀(ABI 7 500,美國(guó));電泳儀和轉(zhuǎn)膜儀(PowePac BIO-RAD,美國(guó));遠(yuǎn)紅外光掃描系統(tǒng)(Odyssey CLX LI-COR,美國(guó))。
1.2.1 C2C12 細(xì)胞培養(yǎng)
從液氮罐中取出C2C12 細(xì)胞,37 ℃水浴鍋快速融化,離心棄上清后用完全培養(yǎng)基(10%FBS+1%青鏈霉素+高糖DMEM)重懸細(xì)胞,接種于培養(yǎng)皿中。待細(xì)胞匯合度達(dá)到80%~90%時(shí),進(jìn)行傳代,每2 d 更換細(xì)胞培養(yǎng)液一次。
1.2.2 C2C12 細(xì)胞轉(zhuǎn)染及效率檢測(cè)
取生長(zhǎng)狀態(tài)良好的C2C12 細(xì)胞接種到6 孔板中,待細(xì)胞匯合度達(dá)到50%左右時(shí)加入適量慢病毒載體進(jìn)行轉(zhuǎn)染。本試驗(yàn)分為4 個(gè)組,分別為:慢病毒包被過(guò)表達(dá)對(duì)照載體組(OE-NC)、慢病毒包被UCP3 過(guò)表達(dá)載體組(OE-UCP3)、慢病毒包被干擾對(duì)照載體組(Sh-NC)和慢病毒包被UCP3 干擾載體組(Sh-UCP3),每組設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。轉(zhuǎn)染72 h 后收集各組細(xì)胞,提取總RNA 并反轉(zhuǎn)錄成cDNA,運(yùn)用qRT-PCR 方法檢測(cè)各組細(xì)胞UCP3基因轉(zhuǎn)染效率。qRT-PCR 引物序列如表1 所示。
1.2.3 EDU 檢測(cè)細(xì)胞增殖
將成功轉(zhuǎn)染不同慢病毒載體的細(xì)胞每孔5 000個(gè)細(xì)胞的密度接種于24 孔板中,每組3 個(gè)重復(fù)。細(xì)胞培養(yǎng)12 h 后,更換為50 μmol·L-1的EDU 培養(yǎng)基,CO2培養(yǎng)箱中孵育2 h;倒掉EDU 培養(yǎng)基,加入4%多聚甲醛固定30 min,然后加入200 μL 2 mg·mL-1甘氨酸,室溫?fù)u床孵育5 min,PBS 清洗3 次,每次5 min;加入300 μL 0.5% Triton X-100,室溫孵育30 min;加入200 μL Apollo 染色液,室溫避光孵育30 min;加入0.5% Triton X-100 清洗3 次,每次10 min;加入DAPI 染色液,進(jìn)行細(xì)胞核染色。熒光顯微鏡下觀察染色結(jié)果,并使用ImageJ 軟件統(tǒng)計(jì)EDU 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)。
1.2.4 CCK-8 檢測(cè)細(xì)胞增殖
將不同處理組的細(xì)胞接種到5 個(gè)96 孔板中,每個(gè)處理組設(shè)置3 個(gè)孔重復(fù),每孔大約1 000 個(gè)細(xì)胞。分別在0 h、12 h、24 h、36 h 和48 h 時(shí)加入10 μL CCK-8 溶液,混勻,37 ℃的CO2培養(yǎng)箱中孵育2 h,使用酶標(biāo)儀檢測(cè)450 nm 處的OD 值,并繪制細(xì)胞增殖曲線。
1.2.5 細(xì)胞總RNA 提取和cDNA 合成
將不同處理組的細(xì)胞接種于12 孔板中,每個(gè)處理組設(shè)置3 個(gè)孔重復(fù),待細(xì)胞匯合度達(dá)到90%左右時(shí),收集細(xì)胞并提取總RNA,然后利用TaKa-Ra 公司的反轉(zhuǎn)錄試劑盒合成cDNA。反轉(zhuǎn)錄程序按照試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行,合成的cDNA 放入?20℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.6 qRT-PCR
將合成的cDNA 原液稀釋10 倍用于qRTPCR 檢測(cè)。qRT-PCR 反應(yīng)的總體積為20 μL:上下游引物各0.35 μL,cDNA2 μL,2×SYBR Premix Ex Taq Ⅱ10 μL,RNAase Free ddH2O 補(bǔ)齊至20 μL。反應(yīng)程序依照SYBR Premix Ex Taq Ⅱ說(shuō)明書(shū)進(jìn)行:95 ℃預(yù)變性30 s;95 ℃變性5 s,59 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,45 個(gè)循環(huán);95 ℃15 s,65 ℃30 s,95 ℃30 s 制作熔解曲線。內(nèi)參基因?yàn)?8S rRNA。qRT-PCR 反應(yīng)的引物序列見(jiàn)表1。
表1 qRT-PCR 引物序列Table 1 qRT-PCR primer sequences
1.2.7 Western Blot
收集不同處理組細(xì)胞,充分裂解后提取總蛋白,使用核酸蛋白測(cè)定儀測(cè)定蛋白濃度。將蛋白樣品與上樣緩沖液充分混合,100 ℃變性10 min,進(jìn)行SDS-PAGE 凝膠電泳,程序?yàn)椋?0 V 30 min;100 V 80 min。進(jìn)行轉(zhuǎn)膜,轉(zhuǎn)膜程序?yàn)椋?00 V 90 min;轉(zhuǎn)膜后放入5%脫脂奶粉中,室溫?fù)u床封閉1 h;分別加入β-actin 抗體(1∶2 000)和PCNA 抗體(1∶1 000),4 ℃過(guò)夜;加入二抗(1∶20 000),室溫孵育1 h;洗膜后利用遠(yuǎn)紅外光掃描系統(tǒng)觀察試驗(yàn)結(jié)果并拍照。
采用IBM SPSS Statistics 22 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn),運(yùn)用GraphPad Prism 5 軟件繪制柱狀圖。P<0.05 表示差異顯著,P<0.01 表示差異極顯著。
通過(guò)慢病毒轉(zhuǎn)染UCP3 過(guò)表達(dá)與干擾載體到C2C12 細(xì)胞中,培養(yǎng)72 h 后采用qRT-PCR 技術(shù)檢測(cè)UCP3 基因表達(dá)量的變化,結(jié)果顯示,過(guò)表達(dá)與干擾UCP3 組較對(duì)照組均有極顯著差異(P<0.01)(圖1A 和1B)。轉(zhuǎn)染后細(xì)胞可用于后續(xù)試驗(yàn)。
通過(guò)慢病毒轉(zhuǎn)染UCP3 過(guò)表達(dá)載體到C2C12細(xì)胞中,通過(guò)EDU 染色和CCK-8 試驗(yàn)檢測(cè)細(xì)胞的增殖效果。EDU 染色結(jié)果發(fā)現(xiàn),與OE-NC 組相比,OE-UCP3 組中EDU 陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)量明顯減少(圖2A 和圖2B)。CCK-8 試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),細(xì)胞培 養(yǎng)12 h 和24 h 時(shí),OE-NC 和OE-UCP3 組 的 細(xì)胞數(shù)目并沒(méi)有明顯的差異;當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)36 h 和48 h時(shí),OE-UCP3 組的細(xì)胞數(shù)目明顯低于OE-NC 組(圖2C)。EDU 染色和CCK-8 試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,過(guò)表達(dá)UCP3 可以顯著抑制C2C12 細(xì)胞的增殖。
圖1 UCP3 過(guò)表達(dá)與干擾效率檢測(cè)Fig.1 The relative expression of UCP3 gene in different groups
圖2 OE-UCP3 和OE-NC 組C2C12 細(xì)胞的增殖速率Fig.2 Proliferation rate of C2C12 cells in OE-UCP3 and OE-NC groups
通過(guò)慢病毒轉(zhuǎn)染UCP3 過(guò)表達(dá)載體到C2C12細(xì)胞中,細(xì)胞培養(yǎng)36 h 后通過(guò)qRT-PCR 檢測(cè)增殖和凋亡基因的表達(dá)量變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與OE-NC組相比,OE-UCP3 組細(xì)胞的增殖基因PCNA和Ki67 的表達(dá)量極顯著降低,而凋亡基因caspase3 和Bax的表達(dá)量極顯著升高(P<0.01)(圖3A)。Western Blot 的 試 驗(yàn) 結(jié) 果 也 發(fā) 現(xiàn),OE-UCP3 組 細(xì)胞中PCNA 蛋白的含量也極顯著低于OE-NC 組(P<0.01)(圖3B 和3C)。qRT-PCR 和Western Blot 的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,過(guò)表達(dá)UCP3 可以抑制增殖基因PCNA和Ki67 的表達(dá),促進(jìn)凋亡基因cas-pase3 和Bax的表達(dá),從而抑制細(xì)胞增殖。
圖3 OE-UCP3 和OE-NC 組細(xì)胞中增殖和凋亡基因的表達(dá)量Fig.3 The expression of proliferation and apoptosis genes in OE-UCP3 and OE-NC groups
通過(guò)慢病毒轉(zhuǎn)染UCP3 干擾載體到C2C12 細(xì)胞中,然后分別通過(guò)EDU 染色和CCK-8 試驗(yàn)檢測(cè)細(xì)胞的增殖效果。EDU 染色試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),與Sh-NC 組 相 比,Sh-UCP3 組 中EDU 陽(yáng) 性 細(xì) 胞 的數(shù)量明顯增多(圖4A 和4B)。CCK-8 試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),細(xì) 胞 培 養(yǎng)12 h 時(shí),Sh-NC 和Sh-UCP3 組的細(xì)胞數(shù)目并沒(méi)有明顯的差異;當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)24 h、36 h和48 h 時(shí),Sh-UCP3 組的細(xì)胞數(shù)目明顯高于Sh-NC 組(圖4C)。EDU 染色和CCK-8 試驗(yàn)結(jié)果均說(shuō)明干擾UCP3 可以顯著促進(jìn)C2C12 細(xì)胞增殖。
通過(guò)慢病毒轉(zhuǎn)染UCP3 干擾載體到C2C12 細(xì)胞中,細(xì)胞培養(yǎng)36 h 后通過(guò)qRT-PCR 試驗(yàn)檢測(cè)增殖和凋亡基因的表達(dá)量變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與Sh-NC 組相比,Sh-UCP3 組細(xì)胞的增殖基因PCNA和Ki67 的表達(dá)量極顯著升高(P<0.01),而凋亡基因caspase3 和Bax的表達(dá)量顯著降低(P<0.05)(圖5A)。Western Blot 的試驗(yàn)結(jié)果也發(fā)現(xiàn),Sh-UCP3 組細(xì)胞中PCNA 蛋白的含量也顯著高于Sh-NC 組(P<0.05)(圖5B 和圖5C)。qRT-PCR和Western Blot 的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,干擾UCP3 可以促進(jìn)增殖基因PCNA和Ki67 的表達(dá),抑制凋亡基因caspase3 和Bax的表達(dá),從而促進(jìn)細(xì)胞增殖。
解偶聯(lián)蛋白(UCP)家族包含5 個(gè)成員,分別是UCP1、UCP2、UCP3、UCP4 和UCP5。UCP 家族成員調(diào)控細(xì)胞增殖的研究報(bào)道較少,而且在不同細(xì)胞中的結(jié)果并不一致。Elorza 等[13]研究發(fā)現(xiàn),UCP2 可以降低小鼠紅細(xì)胞線粒體中ROS 的含量,進(jìn)而激活MAPK/ERK 信號(hào)通路,促進(jìn)紅細(xì)胞的增殖。Pauline 等[14]研 究發(fā)現(xiàn),UCP2 可以通過(guò)降低己糖激酶2(HK2)的活性,抑制小鼠黑色素瘤細(xì)胞(B16F10)的糖酵解水平,抑制細(xì)胞的增殖。劉穎[15]等研究發(fā)現(xiàn),干擾UCP2 基因表達(dá)后,G1/S期的細(xì)胞數(shù)目明顯增加,下咽癌細(xì)胞系(FADU)的增殖能力顯著降低。安建多等[16,17]研究發(fā)現(xiàn),在大鼠肝臟再生過(guò)程中,UCP2 可以通過(guò)促進(jìn)星形細(xì)胞的增殖,加速肝臟組織的再生。然而,Zhang等[18]研究發(fā)現(xiàn),敲除UCP2 可以促進(jìn)人類(lèi)主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞系(HA-SMC)增殖,而過(guò)表達(dá)UCP2可以抑制HA-SMC 增殖。張敏等[19]研究發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)UCP4 后,處于S 期的3T3-L1 細(xì)胞數(shù)目明顯增多,促進(jìn)細(xì)胞增殖。Zhang 等[20]研究發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)UCP4 可以促進(jìn)大鼠網(wǎng)膜組織前體脂肪細(xì)胞的增殖,并抑制其凋亡。目前,關(guān)于UCP3 對(duì)細(xì)胞增殖的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本研究發(fā)現(xiàn),UCP3 可以通過(guò)抑制增殖基因PCNA和Ki67 的表達(dá),促進(jìn)凋亡基因Caspase3 與Bax的表達(dá),進(jìn)而抑制C2C12 細(xì)胞的增殖。
圖4 Sh-UCP3 和Sh-NC 組C2C12 細(xì)胞的增殖速率Fig.4 Proliferation rate of C2C12 cells in Sh-UCP3 and Sh-NC groups
圖5 Sh-UCP3 和Sh-NC 組細(xì)胞中增殖和凋亡基因的表達(dá)量Fig.5 The expression of proliferation and apoptosis genes in Sh-UCP3 and Sh-NC group
細(xì)胞的增殖過(guò)程非常復(fù)雜,有很多基因參與調(diào)控細(xì)胞的增殖和凋亡。增殖細(xì)胞核抗原(PCNA)在DNA 的復(fù)制過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用,可以促進(jìn)細(xì)胞增殖[21,22]。Kong 等[23]研究發(fā)現(xiàn),抑制lncLUCAT1 的表達(dá),可以降低PCNA的表達(dá)量,從而抑制人類(lèi)口腔鱗狀細(xì)胞癌(OSCC)的增殖。He 等[24]研 究 發(fā) 現(xiàn),lncAK027294 可 以 通 過(guò) 促 進(jìn)PCNA的表達(dá)而促進(jìn)人胃癌細(xì)胞(GC)的增殖。Lee 等[25]研究發(fā)現(xiàn),在大鼠肝臟再生過(guò)程中,松針提取物可以通過(guò)促進(jìn)PCNA和Ki67 的表達(dá),從而促進(jìn)肝臟細(xì)胞的增殖,加速肝臟再生。本研究也發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)UCP3 基因,可以通過(guò)降低PCNA的表達(dá)量抑制C2C12 細(xì)胞的增殖。Caspase3 與Bax是重要的凋亡基因,其表達(dá)量與細(xì)胞增殖具有明顯的負(fù)相關(guān)。抑制人類(lèi)泛素化因子E4B(UCE4B)的表達(dá),可以促進(jìn)caspase3 的表達(dá),進(jìn)而抑制人鼻咽癌細(xì)胞的增殖[26]。Wang 等[27]研究發(fā)現(xiàn),百合提取物通過(guò)上調(diào)caspase3 的表達(dá),明顯增加G2/M 期的細(xì)胞數(shù)量,抑制人胃癌細(xì)胞系SGC-7901 的增殖,并促進(jìn)其凋亡。熊去氧膽酸(UDCA)可以通過(guò)抑制P53/Bax 信號(hào)通路降低Bax 蛋白的含量,進(jìn)而抑制大鼠肝細(xì)胞凋亡[28]。Pan 等[29]研究發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)基中添加氟化物,可以促進(jìn)C2C12 細(xì)胞中Bax的表達(dá),抑制細(xì)胞增殖,加速細(xì)胞凋亡。韓宇等[30]研究發(fā)現(xiàn),miR-19b 可以通過(guò)抑制Bax的表達(dá),促進(jìn)P19CL6 細(xì)胞的增殖,抑制其凋亡。本研究也發(fā)現(xiàn),UCP3 可以促進(jìn)caspase3 與Bax基因的表達(dá),進(jìn)而抑制C2C12 細(xì)胞的增殖。
本研究發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)UCP3 基因可以顯著降低C2C12 細(xì)胞增殖速率并顯著減少EDU 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù),通過(guò)抑制細(xì)胞增殖基因PCNA和Ki67 的表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞凋亡基因Bax和caspase3 的表達(dá)進(jìn)而抑制C2C12 細(xì)胞的增殖。干擾UCP3 基因可以提高降低C2C12 細(xì)胞增殖速率并顯著增加EDU 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù),通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞增殖基因PCNA和Ki67的表達(dá),抑制細(xì)胞凋亡基因Bax和caspase3 的表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)C2C12 細(xì)胞的增殖。