楊成迎,林海爛,黃子晴,王乃秀,汪 鍇,甘 玲,2*
(1.西南大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,重慶 402460;2.重慶市獸醫(yī)工程研究中心,重慶 402460)
在動(dòng)物生長(zhǎng)過程中,由于環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)及病原感染等因素引起的機(jī)體氧化與抗氧化系統(tǒng)的失衡,易導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)氧化應(yīng)激,從而損傷組織細(xì)胞[1],極大地增加了動(dòng)物疾病的發(fā)生率。哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的氧化代謝非?;钴S,是遭受氧化應(yīng)激損傷較嚴(yán)重的部位,而腦海馬作為腦部結(jié)構(gòu)重要的區(qū)域之一,不僅是應(yīng)激損傷的重要靶點(diǎn),同時(shí),也通過表達(dá)大量的神經(jīng)肽參與對(duì)應(yīng)激損傷的調(diào)控[2-3]。研究表明,當(dāng)仔豬發(fā)生氧化應(yīng)激時(shí),海馬組織中神經(jīng)肽可卡因-苯丙胺調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子(cocaine-and amphetamine-regulated transcript, CART)表達(dá)顯著下調(diào)[4]。
研究發(fā)現(xiàn),CART對(duì)中風(fēng)、腦缺血等神經(jīng)元損傷有保護(hù)作用[5-7]。CART可通過促進(jìn)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)的表達(dá)來增加神經(jīng)元的存活、增殖、遷移和分化[8-10]。同時(shí),CART通過上調(diào)BDNF基因的表達(dá),抑制了大鼠神經(jīng)元內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和神經(jīng)元的凋亡,但trkB免疫抗體可抑制該作用[11]。trkB是定位于線粒體內(nèi)膜上的BDNF受體[12]。由此推測(cè),氧化應(yīng)激引起仔豬腦海馬中CART的表達(dá)下調(diào),可能會(huì)抑制BDNF/trkB信號(hào)通路,從而引起神經(jīng)元的凋亡,而補(bǔ)充外源性的神經(jīng)肽CART則可能通過上調(diào)BDNF/trkB通路抵抗氧化應(yīng)激引起的海馬神經(jīng)元凋亡。為了驗(yàn)證該假設(shè),本研究擬采用過氧化氫誘導(dǎo)原代培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元,以構(gòu)建海馬神經(jīng)元氧化應(yīng)激模型,并添加不同濃度的外源性CART處理海馬神經(jīng)元,通過檢測(cè)神經(jīng)元活力和ATP含量,篩選抵抗海馬神經(jīng)元氧化損傷的最佳CART處理濃度。隨后采用JC-1染色法檢測(cè)神經(jīng)元線粒體的膜電位,熒光定量PCR和Western blot技術(shù)檢測(cè)神經(jīng)元凋亡相關(guān)因子和trkB基因的表達(dá)變化,并分析其相關(guān)性,以探索外源性神經(jīng)肽抵抗海馬神經(jīng)元氧化應(yīng)激的作用效果及分子機(jī)制,為神經(jīng)肽類動(dòng)物應(yīng)激調(diào)節(jié)劑的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。
出生24 h以內(nèi)的SD大鼠(SPF級(jí))購(gòu)自重慶醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心。
bcl-2一抗、bax一抗、caspase-3一抗均購(gòu)自Proteintech公司(中國(guó));trkB Antibody(一抗)購(gòu)自于美國(guó)R&D SYSTEMS 公司;Goat Anti-Rabbit IgG(H+L)(二抗)購(gòu)自Affinity公司;FITC Affinipure Goat Anti-mouse IgG(H+L)購(gòu)自美國(guó)Earthox 公司(中國(guó));DAPI染色液購(gòu)自北京四正柏公司;MTT試劑盒購(gòu)自上海生工公司(中國(guó));ATP試劑盒、JC-1試劑盒購(gòu)自碧云天公司(中國(guó));冰乙酸購(gòu)自重慶川東化工有限公司。CART肽由合肥博肽生物科技有限公司合成。
1.3.1 原代大鼠海馬神經(jīng)元的培養(yǎng) 剝?nèi)?4 h以內(nèi)的SD新生大鼠腦組織,分離其海馬并浸潤(rùn)在100 mL·L-1FBS-DMEM-F12 培養(yǎng)基中剪碎、反復(fù)多次吹打及消化后,采用篩網(wǎng)(200目孔徑)過濾后,用適量 DMEM/F12(含100 mL·L-1FBS 胎牛血清)將單細(xì)胞懸液稀釋后,均勻接種在細(xì)胞瓶或 6 孔板中,進(jìn)行海馬神經(jīng)元原代培養(yǎng),待大多數(shù)細(xì)胞開始貼壁后(2~4 h),采用含 20 g·L-1B27、10 g·L-1L-谷氨酰胺及 10 mL·L-1雙抗(100 U·mL-1青霉素、100 g·mL-1鏈霉素)的 neurobasal TM-a培養(yǎng)基進(jìn)行維持培養(yǎng),每天在倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞變化,根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)情況,每隔2 d更換1/3~1/2的培養(yǎng)液。神經(jīng)元培養(yǎng)2 d 后加入阿糖胞苷(終濃度: 2 μg·mL-1)抑制膠質(zhì)細(xì)胞增殖。采用 MAP2-GFAP 免疫熒光法鑒定神經(jīng)元的純度至少大于95%。
1.3.2 試驗(yàn)分組和處理 在海馬神經(jīng)元培養(yǎng)7 d后,將神經(jīng)元分為5組,即對(duì)照組(Control)、過氧化氫組(H2O2)、H2O2+10 nmol·L-1CART組、H2O2+100 nmol·L-1CART組、H2O2+1 000 nmol·L-1CART組。每組3個(gè)重復(fù)。對(duì)照組不做處理,過氧化氫組用200 μmol·mL-1H2O2處理神經(jīng)元,孵育24 h。各CART組在H2O2處理的基礎(chǔ)上分別添加終濃度為10、100、1 000 nmol·L-1CART的培養(yǎng)液,孵育4 h。
1.3.3 神經(jīng)元活率、ATP含量及線粒體膜電位(ΔΨm)的檢測(cè) 將成功培養(yǎng)并處理好的神經(jīng)元,分別嚴(yán)格按照試劑盒說明書進(jìn)行樣品收集并進(jìn)行下一步檢測(cè)。采用MTT法檢測(cè)神經(jīng)元活率:將神經(jīng)元置于96孔板上培養(yǎng),按試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理神經(jīng)元后,每孔加入10 μmol·L-1的MTT培養(yǎng)基,于37 ℃孵育24 h。移除培養(yǎng)基,每孔加入100 μL Farmazan solubilization solution 37 ℃孵育10 min,于紫外可見分光光度計(jì)570 nm處檢測(cè)吸光度并計(jì)算神經(jīng)元活率。
采用化學(xué)發(fā)光儀檢測(cè)ATP含量:將處理好的樣品用ATP裂解液裂解神經(jīng)元,充分裂解后進(jìn)行離心5 min(12 000 r·min-1,4 ℃),收集上清液。將200 μL ATP檢測(cè)工作液加入檢測(cè)孔中消耗孔內(nèi)ATP,3~5 min后每孔加入20 μL待測(cè)樣品或稀釋過的ATP標(biāo)準(zhǔn)液,充分混勻并常溫孵育2 min。
采用化學(xué)發(fā)光儀測(cè)量相對(duì)光單位(RLU)的亮度:用熒光顯微鏡觀察JC-1熒光變化以確定ΔΨm:處理好的神經(jīng)元中加入JC-1染色工作,培養(yǎng)箱37 ℃ 孵育20 min。孵育結(jié)束后,用JC-1染色緩沖液洗滌2次,并加入2 mL細(xì)胞培養(yǎng)液,在熒光顯微鏡下觀察線粒體膜電位的變化。
1.3.4 熒光定量PCR技術(shù)檢測(cè)凋亡通路相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平 采用 TRIzol法提取海馬神經(jīng)元的總RNA,并反轉(zhuǎn)錄制備cDNA。以GAPDH作為內(nèi)參基因,采用實(shí)時(shí)熒光定量 PCR(RT-qPCR)技術(shù)檢測(cè)神經(jīng)元凋亡通路相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平,引物序列見表1。Real-Time PCR 的反應(yīng)體系(20 μL)如下:SYBR Premix Ex Taq 10 μL;ROX Reference Dye 0.4 μL;PCR Forward Primer 0.4 μL;PCR Reverse Primer 0.4 μL;DNA 模板2 μL;ddH2O 6.8 μL。反應(yīng)程序(兩步法)如下:95 ℃,30 s;95 ℃,5 s,60 ℃,30 s,40個(gè)循環(huán);95 ℃,15 s,60 ℃,1 min,95 ℃,15 s。采用 2-ΔΔCt相對(duì)定量法計(jì)算基因相對(duì)表達(dá)量。
表1 引物序列
1.3.5 Western blot技術(shù)檢測(cè)線粒體凋亡通路相關(guān)基因的翻譯表達(dá)水平 按照1 mL RIRP加入10 μL混合型蛋白抑制劑配制成裂解液,混勻后裂解神經(jīng)元,在冰上充分研磨并靜置30 min,吸取混合液進(jìn)行離心30 min(12 000 r·min-1,4 ℃),吸取上清置于1.5 mL EP管,-80 ℃凍存?zhèn)溆?;配制BCA工作液,在OD562 nm下檢測(cè)吸光度值,制作標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算各個(gè)樣品的濃度;加入Loading Buffer于每個(gè)待測(cè)蛋白樣品中,混合均勻后插在煮樣泡沫板上,于98 ℃熱處理10 min 使蛋白變性;后進(jìn)行SDS-PAGE電泳(80 V,20 min,120 V,1 h),然后轉(zhuǎn)膜至PVDF膜(200 mA,90 min)。采用5%脫脂奶粉室溫慢搖封閉1~2 h后,一抗室溫慢搖2 h或4 ℃孵育過夜,TBST漂洗3次,每次10 min。在二抗室溫慢搖孵育1 h后,TBST漂洗3次,每次10 min,最后采用ECL發(fā)光液顯影。
1.3.6 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0(IBM;New York City,NY,USA)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及顯著性及相關(guān)性分析,單因素方差分析檢驗(yàn)進(jìn)行組間差異比較分析。結(jié)果均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean ± SEM)”表示,P<0.05為差異顯著,P<0.01為差異極顯著。
如圖1,與對(duì)照組相比,H2O2組海馬神經(jīng)元活率和ATP含量均極顯著下降(P<0.01);與H2O2組相比,添加10 nmol·L-1CART可以顯著提高海馬神經(jīng)元活率和ATP含量(P<0.05),添加100和1 000 nmol·L-1CART組中神經(jīng)元活率和ATP含量均顯著高于H2O2組(P<0.05或P<0.01),且顯著高于10 nmol·L-1CART添加組(P<0.05)。該試驗(yàn)結(jié)果表明,與H2O2組比較,添加10 nmol·L-1CART能顯著抵抗氧化應(yīng)激造成的海馬神經(jīng)元損傷,因此后續(xù)試驗(yàn)添加10 nmol·L-1CART進(jìn)行處理。
與Control比較,*P<0.05,**P<0.01;與H2O2比較,# P<0.05,## P<0.01;與H2O2+10 nmol·L-1 CART組比較,& P<0.05,&& P<0.01。下同
與對(duì)照相比,H2O2組中線粒體膜電位顯著降低(P<0.05),在添加CART之后,線粒體膜電位顯著高于H2O2組(P<0.05,圖2),表明氧化應(yīng)激引發(fā)神經(jīng)元線粒體損傷,從而降低線粒體膜電位,而CART能穩(wěn)定線粒體膜電位,從而防止線粒體損傷引起神經(jīng)元凋亡。
A、B.對(duì)照組;C、D.H2O2組;E、F.H2O2+10nmol·L-1 CART組;G.線粒體膜電位柱形圖
為進(jìn)一步考察線粒體凋亡信號(hào)通路在CART抵抗氧化應(yīng)激損傷中的介導(dǎo)作用,本研究采用熒光定量PCR技術(shù)檢測(cè)海馬神經(jīng)元中線粒體凋亡基因mRNA水平的變化。結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,H2O2組中抑凋亡基因bcl-2的mRNA水平極顯著降低(P<0.01),促凋亡基因bax和caspase-3的mRNA 水平均極顯著增加(P<0.01);與H2O2組比較,添加CART組中bax基因的mRNA水平顯著降低(P<0.05),caspase-3基因的mRNA水平極顯著降低(P<0.01),bcl-2基因的mRNA水平極顯著高于H2O2組(P<0.01)(圖3A)。采用Western blot技術(shù)進(jìn)一步考察CART對(duì)氧化應(yīng)激海馬神經(jīng)元凋亡基因蛋白質(zhì)水平的影響。結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,H2O2組中caspase-3和bax的蛋白質(zhì)水平顯著升高(P<0.05),bcl-2的蛋白質(zhì)水平顯著降低(P<0.05);與H2O2組比較,CART添加組中caspase-3和bax的蛋白質(zhì)水平顯著降低(P<0.05),bcl-2的蛋白質(zhì)水平顯著升高(P<0.05)(圖3B、3C、3D、3E),與基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平一致,表明CART可以抑制H2O2誘發(fā)的神經(jīng)元凋亡。
A.熒光定量PCR技術(shù)檢測(cè)結(jié)果;B、C、D、E.Western blot技術(shù)檢測(cè)結(jié)果
為考察BDNF/trkB信號(hào)通路是否參與了CART抗海馬神經(jīng)元氧化應(yīng)激損傷的作用,本研究采用熒光定量PCR和Western blot技術(shù)檢測(cè)了海馬神經(jīng)元trkB的mRNA和蛋白質(zhì)水平。結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,H2O2組中trkB的mRNA水平顯著降低(P<0.05),H2O2+CART組中trkB的mRNA水平顯著高于H2O2組(P<0.05,圖4A)。對(duì)trkB的蛋白水平的檢測(cè)結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,H2O2組中trkB的蛋白表達(dá)量顯著降低(P<0.05);與H2O2組比較,H2O2+CART組中trkB蛋白水平顯著升高(P<0.05),與mRNA表達(dá)水平變化一致。由此表明,CART可能通過trkB基因的表達(dá)調(diào)控凋亡蛋白基因的表達(dá),從而抑制細(xì)胞凋亡,緩解氧化應(yīng)激。
A.熒光定量PCR技術(shù)檢測(cè)結(jié)果;B、C.Western blot技術(shù)檢測(cè)結(jié)果
為了更好地顯示BNDF/trkB信號(hào)通路與凋亡信號(hào)通路之間的關(guān)系,本研究考察了trkB與凋亡信號(hào)通路相關(guān)的蛋白和基因表達(dá)水平之間的相關(guān)性。結(jié)果如圖5所示,在過氧化氫組,trkB與bax的mRNA及蛋白質(zhì)水平呈顯著負(fù)相關(guān)(Pearson系數(shù)=-0.999 7;P=0.015 5),與bcl-2基因的mRNA 水平呈顯著正相關(guān)(Pearson系數(shù)=0.996 9;P=0.049 8),并與caspase-3的蛋白質(zhì)水平呈顯著負(fù)相關(guān)(Pearson系數(shù)=-0.999 1,P=0.026 3);在H2O2+CART組,trkB與bax的蛋白質(zhì)水平呈顯著負(fù)相關(guān)(Pearson系數(shù)=-0.998 1;P=0.039 5),與trkB與bcl-2的蛋白質(zhì)水平呈正相關(guān)的趨勢(shì)(Pearson系數(shù)=0.995 1;P=0.063 3)。以上結(jié)果表明,trkB與凋亡相關(guān)蛋白和基因的表達(dá)呈顯著相關(guān)性,進(jìn)一步提示BNDF/trkB信號(hào)通路在CART調(diào)節(jié)凋亡信號(hào)路徑抵抗氧化應(yīng)激損傷中的介導(dǎo)作用。
A~C.在H2O2組,trkB與caspase-3、bax及bcl-2在mRNA水平的相關(guān)性; D~F.在H2O2+CART組,trkB與caspase-3、bax及bcl-2在mRNA水平的相關(guān)性; G~I(xiàn).在H2O2組,trkB與caspase-3、bax及bcl-2在蛋白質(zhì)水平的相關(guān)性; J~L.在H2O2+CART組,trkB與caspase-3、bax及bcl-2在蛋白質(zhì)水平的相關(guān)性
氧化應(yīng)激是引起機(jī)體細(xì)胞凋亡的重要原因,而線粒體損傷是其中的關(guān)鍵因素。線粒體是細(xì)胞的能量加工廠,其主要作用是為細(xì)胞的各種生命活動(dòng)提供能量ATP[13]。線粒體膜是否完整對(duì)細(xì)胞正常發(fā)揮功能至關(guān)重要[14]。膜損傷后功能失調(diào)的線粒體產(chǎn)生ATP的效率較低,但產(chǎn)生ROS的效率較高[15-18]。由此可見,ATP是反映機(jī)體活細(xì)胞新陳代謝的一個(gè)重要指標(biāo),通過測(cè)定培養(yǎng)細(xì)胞ATP的含量可反映出細(xì)胞的活力和線粒體的完整性[19-20]。因此,本研究中過氧化氫誘導(dǎo)神經(jīng)元后降低的ATP含量及神經(jīng)元活率證實(shí)神經(jīng)元的線粒體受到了損傷。眾多研究表明,CART肽在抵抗腦組織的氧化損傷中發(fā)揮了重要的作用[21-23]。體外的研究也顯示,CART肽可降低缺氧和缺糖神經(jīng)元中的ROS水平,增加神經(jīng)元抗氧化性和線粒體活性[24]。與此相似,本研究添加不同劑量外源性神經(jīng)肽CART顯著提高了氧化應(yīng)激大鼠海馬神經(jīng)元的活力及ATP水平,暗示神經(jīng)肽CART可能通過抵抗氧化應(yīng)激對(duì)神經(jīng)元線粒體造成的氧化損傷來發(fā)揮作用。
線粒體膜電位由線粒體內(nèi)膜和外膜之間的不同離子電化學(xué)梯度產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)細(xì)胞出現(xiàn)凋亡的第一個(gè)信號(hào)便是線粒體膜電位值(MMP)顯著降低[25-26]。JC-1作為一種常用的檢測(cè)MMP(ΔΨm)的理想熒光探針,可以檢測(cè)組織或細(xì)胞的線粒體膜電位。當(dāng)線粒體膜電位較高時(shí),JC-1呈聚合物狀態(tài),聚集在線粒體基質(zhì)中,可以產(chǎn)生紅色熒光;而在線粒體膜電位較低時(shí),JC-1呈單體狀態(tài),便不在線粒體基質(zhì)中聚集,而發(fā)出綠色熒光。通過熒光顏色的轉(zhuǎn)變便可檢測(cè)線粒體膜電位的變化。因此,本研究中過氧化氫誘導(dǎo)的神經(jīng)元MMP顯著降低,表明線粒體膜的通透性變小,進(jìn)一步證實(shí)過氧化氫誘導(dǎo)使神經(jīng)元的線粒體遭到損傷。Wang等[27]的研究結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,氧化應(yīng)激狀態(tài)下的大鼠海馬神經(jīng)元MMP顯著下降,而他克莫司可以顯著抑制MMP的下降,從而保護(hù)神經(jīng)元免于凋亡。1-甲基-4-苯基吡啶(1-methyl-4-phenylpyridinium,MPP +)在誘導(dǎo)SH-SY5Y細(xì)胞凋亡的同時(shí),顯著降低了MMP,而經(jīng)過磷酸二酯酶4治療可阻礙MMP的下降,同時(shí)抑制細(xì)胞凋亡[28],由此表明,MMP與神經(jīng)元凋亡之間呈正相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),位于線粒體外膜的調(diào)節(jié)因子bcl-2家族蛋白、caspase系列蛋白、細(xì)胞色素C與細(xì)胞凋亡有密切的關(guān)系[29]。氧化應(yīng)激將伴隨線粒體凋亡途徑關(guān)鍵蛋白caspase-3、bax及抗凋亡蛋白bcl-2基因的表達(dá)變化[30-32]。番茄紅素(lycopene,LYC)能使細(xì)胞中bax和caspase-3基因的表達(dá)水平顯著降低,而bcl-2基因的表達(dá)水平顯著升高[33]。因此,為了進(jìn)一步考察神經(jīng)肽CART抵抗神經(jīng)元線粒體氧化損傷的分子機(jī)制,本研究考察了凋亡相關(guān)基因的表達(dá)變化。結(jié)果顯示,CART在顯著降低氧化應(yīng)激海馬神經(jīng)元bax和caspase-3基因表達(dá)水平的同時(shí),增加了bcl-2基因的表達(dá),表明CART能顯著抑制神經(jīng)元凋亡,從而緩解海馬神經(jīng)元的氧化應(yīng)激。
有文獻(xiàn)表明,trkB是腦源性營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)的受體,位于線粒體內(nèi)膜[12,34]。trkB能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞線粒體內(nèi)鈣離子的釋放,影響線粒體活性[35],并且介導(dǎo)apelin-13、N-乙?;?-羥色胺(NAS)及丙咪嗪等多種藥物或抗氧化物質(zhì)發(fā)揮抗凋亡的調(diào)節(jié)作用[36-38]。因此,為了考察trkB是否也介導(dǎo)了CART抵抗神經(jīng)元氧化損傷的作用過程,本研究檢測(cè)了trkB基因的表達(dá)變化,并與凋亡相關(guān)基因的表達(dá)變化做進(jìn)一步相關(guān)性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),trkB基因與凋亡蛋白基因的表達(dá)具有顯著相關(guān)性,這相似于前人的研究報(bào)道NAS通過調(diào)節(jié)BNDF/trkB信號(hào)通路,抑制了bax和caspase-3基因的表達(dá),并增強(qiáng)了bcl-2基因的表達(dá),從而防止谷氨酸誘導(dǎo)HT-22細(xì)胞凋亡[38],因此,進(jìn)一步提示了trkB在CART調(diào)節(jié)凋亡信號(hào)路徑抵抗氧化應(yīng)激損傷中的介導(dǎo)作用。
在本研究中,添加CART能顯著提高氧化應(yīng)激海馬神經(jīng)元trkB基因的mRNA和蛋白質(zhì)水平,且trkB與凋亡/抗凋亡相關(guān)基因的表達(dá)顯著相關(guān),提示CART可能通過激活BDNF/trkB信號(hào)通路來改變膜電位,防止海馬神經(jīng)元凋亡,從而緩減氧化應(yīng)激。
致謝:本研究感謝西南大學(xué)何寧佳和羅義維對(duì)qRT-PCR測(cè)定的平臺(tái)支持