劉瑞霞, 郭 兵, 肖 瑛, 石明雋, 王圓圓, 桂華珍, 張國(guó)忠
(貴陽(yáng)醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室,貴州 貴陽(yáng) 550004)
近年來(lái),轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)/Smad信號(hào)在組織纖維化調(diào)控機(jī)制中的重要作用逐漸被認(rèn)識(shí)[1]。在腫瘤研究中發(fā)現(xiàn),核轉(zhuǎn)錄共抑制因子SnoN(Ski-related novel protein N)是該信號(hào)通路的重要負(fù)性調(diào)控因子,可嚴(yán)格調(diào)控TGF-β1/Smad信號(hào)的活性。我們前期的研究發(fā)現(xiàn)在糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN)發(fā)病的前8周SnoN蛋白表達(dá)減少[2],但有關(guān)SnoN蛋白和mRNA隨DN病程延長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)表達(dá)情況及SnoN蛋白表達(dá)的調(diào)控機(jī)制目前尚不清楚。Smad泛素化調(diào)節(jié)因子2(Smad ubiquitin regulatory factor 2,Smurf 2)是一種E3泛素連接酶,它通過(guò)介導(dǎo)Smad信號(hào)通路的負(fù)調(diào)節(jié)因子SnoN和Smad7蛋白的降解,在TGF-β1/Smad信號(hào)的調(diào)節(jié)中起著重要作用。已有研究發(fā)現(xiàn),在梗阻性(unilateral ureteral obstruction,UUO)腎纖維化模型中Smurf 2的表達(dá)與SnoN蛋白降解之間存在著密切的相關(guān)性[3]。但有關(guān)DN腎纖維化發(fā)生發(fā)展中Smurf 2的表達(dá)情況及其是否參與了SnoN蛋白的泛素化降解過(guò)程,尚未見(jiàn)報(bào)道。因此,本研究動(dòng)態(tài)觀察了DN發(fā)生發(fā)展過(guò)程中Smurf 2蛋白和mRNA的表達(dá)情況,并初步探討其與SnoN蛋白降解的關(guān)系。
鏈脲佐菌素(streptozotocin,STZ)(Sigma);SnoN和Smurf 2兔多克隆抗體(Santa Cruz Biotechnology);磷酸化Smad2(p-Smad2)Ⅰ抗(Cell Signaling Technology);TGF-β1兔多克隆抗體和β-actin小鼠單克隆抗體,SABC-FITC試劑盒及生物素標(biāo)記的鼠抗IgG、兔抗IgG(博士德公司);胰島素兔多克隆抗體(博奧森生物技術(shù)有限公司);ECL顯色劑(Pierce Biotechnology);總RNA提取試劑盒(Trizol法)、2×Taq PCR MasterMix及DNA MarkerⅠ(天根生化科技有限公司);RevertAidTMFirst Strand cDNA Synthesis Kit(MBI Fermentas);Smurf 2、SnoN及 β-actin引物(上海生工合成)。
2.1 動(dòng)物模型及分組 健康清潔級(jí)雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠[上海西普爾-比凱實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司提供,許可證號(hào)為 SCXY(滬)2003-0002],體重(180±20)g。按55 mg/kg STZ尾靜脈注射復(fù)制DM大鼠模型,48 h后測(cè)空腹血糖,血糖值≥16.7 mmol/L且尿糖陽(yáng)性者作為糖尿病(diabetes mellitus,DM)大鼠,隨機(jī)分成 DM 2、4、8、12、16 和 24 周組,每一時(shí)點(diǎn)均設(shè)鼠齡匹配的正常對(duì)照組(n=6)。各組大鼠均予自來(lái)水、標(biāo)準(zhǔn)飼料喂養(yǎng),并在每個(gè)時(shí)點(diǎn)處死動(dòng)物。于處死前1 d稱體重,代謝籠收集24 h尿液,記錄尿量。股動(dòng)脈取血收集血清,-20℃保存;處死大鼠,取胰腺和腎組織,稱腎重,于4%多聚甲醛固定和-80℃保存。以腎重(mg)與體重(g)比值作為腎臟指數(shù)。
2.2 生化指標(biāo)測(cè)定 考馬斯亮藍(lán)法測(cè)尿蛋白,氧化酶(glucose oxidase-peroxidase,GOD -PAP)法測(cè)血清葡萄糖,苦味酸法測(cè)血清肌酐,均按試劑說(shuō)明書(shū)操作。
2.3 組織病理觀察 將多聚甲醛固定的胰腺和腎組織制成3 μL厚石蠟切片,行HE染色和免疫熒光SABC法觀察各組胰腺組織胰島素(Ⅰ抗?jié)舛葹?∶200)的表達(dá),光鏡下觀察胰腺和腎組織形態(tài)結(jié)構(gòu)變化。
2.4 免疫熒光檢測(cè)SnoN和Smurf 2蛋白的表達(dá)部位 石蠟切片行免疫熒光SABC法檢測(cè),SnoN和Smurf 2蛋白Ⅰ抗?jié)舛染鶠?∶100,陰性對(duì)照用PBS代替Ⅰ抗。用LEICA DMLS型熒光顯微鏡觀察并采集圖像。
2.5 免疫印跡檢測(cè) SnoN、Smurf 2、TGF-β1及 p-Smad2蛋白表達(dá)量 以組織裂解液提取腎皮質(zhì)總蛋白,考馬斯亮藍(lán)法測(cè)提取蛋白濃度。每泳道40 μg蛋白上樣,行SDS-PAGE垂直電泳,電轉(zhuǎn)移至PVDF膜。TBST沖洗,脫脂奶粉封閉。然后將膜放入稀釋的Ⅰ抗(SnoN、Smurf 2、TGF -β1、p-Smad2、β -actin稀釋倍數(shù)分別為 1∶400、1∶200、1∶100、1∶800、1∶400),4℃過(guò)夜。第2 d,TBST沖洗后,將膜放入相應(yīng)的辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的Ⅱ抗(稀釋倍數(shù)均為1∶9000),室溫孵育2 h,TBST沖洗后 ECL顯影曝光。Bio-Rad凝膠成像系統(tǒng)掃描,Quantity One軟件分析各陽(yáng)性條帶的積分灰度值,設(shè)內(nèi)參照β-actin,計(jì)算各目標(biāo)蛋白的相對(duì)含量。
2.6 RT-PCR檢測(cè)Smurf 2和SnoN mRNA的表達(dá)取約50 mg腎皮質(zhì),Trizol法提取總RNA,核酸蛋白儀測(cè)RNA濃度和純度(260 nm/280 nm比值均在1.8-2.0之間)。引物序列如下:Smurf 2正義鏈5'-GGGAACGCCCAACAAGAC-3',反義鏈 5'-ATT-GCGGATCTCCCACCC -3',產(chǎn)物306 bp,相應(yīng) β -actin正義鏈 5'-GAAATCGTGCGTGACATTAAG-3',反義鏈5'-CTAGAAGCATTTGCGGTGGA -3',產(chǎn)物490 bp;SnoN正義鏈5'-GAAAACCTCCAGTCTAAGTTCTCCTTAGTT-3',反義鏈 5'-ATGAAGCTGGTCTGAAGTACACCTTGAACA - 3',產(chǎn)物 500 bp;相應(yīng)β-actin正義鏈5'-TGGCATTGTGATGGACTC-3',反義鏈 5'- CCGATAGTGATGACCTGAC -3',產(chǎn)物306 bp。取5 μg腎組織總RNA配制逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)體系,逆轉(zhuǎn)錄條件70℃ 5 min、37℃ 5 min,置冰上加入M -MULV 1 μL,42 ℃ 60 min,合成 cDNA,放 -20 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。PCR擴(kuò)增條件:94℃預(yù)變性5 min,94℃變性45 s,Smurf 2和490 bp β-actin引物54.5℃退 火 45 s,SnoN 和 306 bp β -actin引 物58.3℃退火45s,72℃延伸1min,40個(gè)循環(huán),最后72℃延伸10 min。PCR產(chǎn)物經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳,Bio-Rad凝膠成像系統(tǒng)掃描,Quantity One軟件分析各條帶積分吸光度值,Smurf 2和SnoN mRNA的相對(duì)量分別用 Smurf 2/β -actin、SnoN/β -actin的積分吸光度值表示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用SPSS 11.5統(tǒng)計(jì)軟件分析,數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()表示。單因素方差分析對(duì)多組均數(shù)做顯著性檢驗(yàn),組間比較用q檢驗(yàn)。Bivariate Correlations進(jìn)行相關(guān)性分析。
DM組各時(shí)點(diǎn)的血糖、血肌酐(Scr)、24 h尿蛋白、腎臟指數(shù)均顯著高于對(duì)照組,見(jiàn)表1。
表1 正常和糖尿病各組血糖、血肌酐、24 h尿蛋白量及腎臟指數(shù)的變化Table 1.Changes of blood glucose,Scr,24 h urine protein and kidney index in normal control(C)and diabetes(DM)groups(.n=6)
表1 正常和糖尿病各組血糖、血肌酐、24 h尿蛋白量及腎臟指數(shù)的變化Table 1.Changes of blood glucose,Scr,24 h urine protein and kidney index in normal control(C)and diabetes(DM)groups(.n=6)
*P <0.05,**P <0.01 vs Control group.
Group Blood glucose(mmol/L) Scr(μmol/L) 24 h urine protein(mg) Kidney index(mg/g)2 weeks C 6.72 ±2.42 58.86 ±7.40 2.01 ±1.21 7.11±0.48 DM 20.42 ±5.11** 71.37 ±7.62* 22.36 ±8.91** 11.27 ±0.58*4 weeks C 7.61 ±0.55 53.21 ±3.21 5.28 ±2.31 7.23 ±0.58 DM 24.07 ±3.52** 72.55 ±5.36* 32.30 ±8.35** 12.02 ±0.83**8 weeks C 7.89 ±1.34 54.93 ±7.59 7.73 ±1.22 5.91 ±0.41 DM 26.36 ±2.02** 99.23 ±12.11** 27.26 ±8.51** 13.21 ±1.59**12 weeks C 7.00 ±0.71 51.14 ±10.43 3.41 ±1.71 5.69 ±0.52 DM 23.43 ±2.56** 97.80 ±21.87** 22.10 ±7.31** 12.59 ±2.46**16 weeks C 8.04 ±0.32 73.46 ±12.68 6.65 ±1.24 5.64 ±0.26 DM 27.15 ±1.20** 118.07 ±11.88** 26.38 ±18.34** 10.39 ±0.79**24 weeks C 7.95 ±1.09 89.72 ±8.13 3.76 ±1.19 5.63 ±0.38 DM 23.33 ±2.63** 116.37 ±38.28** 49.35 ±31.86** 10.27 ±0.93**
HE染色顯微鏡下觀察正常大鼠胰島呈圓形或橢圓形的細(xì)胞團(tuán),各DM組胰島數(shù)量明顯減少,殘存的胰島成萎縮狀,胰島細(xì)胞數(shù)量減少,見(jiàn)圖1。免疫熒光染色可見(jiàn)正常大鼠胰腺組織胰島素表達(dá)較強(qiáng),DM組胰島素表達(dá)明顯減弱,見(jiàn)圖2。
Figure 1.Histological changes of pancreas in control and diabetic rats(hematoxylin and eosin staining(×400).A:control group;B:diabetic group.圖1 正常對(duì)照組和糖尿病組大鼠胰腺組織形態(tài)學(xué)
Figure 2.Expression of insulin in the pancreas in control and diabetic rats(SABC -FITC,×400).A:control group;B:diabetic group.圖2 正常對(duì)照組和糖尿病組大鼠胰腺胰島素的表達(dá)
HE染色可見(jiàn)正常大鼠腎小管結(jié)構(gòu)清晰,腎小管上皮細(xì)胞排列整齊,基底膜完整,間質(zhì)中未見(jiàn)炎細(xì)胞浸潤(rùn)。DM 4周組即可見(jiàn)腎小管上皮細(xì)胞變性,部分腎小管管腔擴(kuò)張,間質(zhì)有炎細(xì)胞浸潤(rùn),且隨病程進(jìn)展病變逐漸加重,見(jiàn)圖3。
圖4可見(jiàn),SnoN和Smurf 2蛋白在大鼠腎組織中主要表達(dá)于腎小管上皮細(xì)胞和腎間質(zhì)細(xì)胞。
Figure 3.Histological changes of kidney in control and diabetic rats(hematoxylin and eosin staining,×400).A:control group;B:diabetic group.圖3 正常對(duì)照組和糖尿病組大鼠腎組織形態(tài)學(xué)
Figure 4.Expression of SnoN and Smurf 2 protein in the kidney of rats(SABC-FITC,×400).A:negative control;B:SnoN;C:Smurf 2.圖4 SnoN和Smurf 2蛋白在大鼠腎組織的表達(dá)
正常組及DM組每個(gè)時(shí)點(diǎn)各取6只大鼠的Western blotting結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,以內(nèi)參β-actin校正后,DM 2周SnoN蛋白的表達(dá)與正常組相比無(wú)差異,DM 4周起表達(dá)明顯減少,DM 12周組表達(dá)最少,為正常組的50.70%,之后持續(xù)在較低水平,見(jiàn)圖5。
Smurf 2和p-Smad2蛋白在正常組有少量表達(dá),DM 2周組表達(dá)即明顯增多,并隨病程進(jìn)展逐漸增多,DM 12周表達(dá)最多,之后持續(xù)在較高水平,見(jiàn)圖5。
對(duì)42只大鼠腎皮質(zhì)中SnoN和Smurf 2蛋白的表達(dá)量進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示:r=-0.88,P<0.01,可見(jiàn),SnoN和Smurf 2蛋白的表達(dá)量高度負(fù)相關(guān)。
Figure 5.The levels of SnoN,Smurf 2,TGF-β1and p-Smad2 protein in kidney of control and DM rats.A:Western blotting analysis of renal SnoN,Smurf 2,TGF - β1and p-Smad2.Representative Western blotting show one animal per time point.B:graphical presentations show the relative abundance of SnoN,Smurf 2,TGF - β1and p-Smad2 at different time points after normalization with β-actin..n=6.*P<0.05,#P<0.01 vs control group.圖5 蛋白印跡顯示正常組及糖尿病各組SnoN、TGF-β1及Smad2/3的表達(dá)
與正常組相比,DM 2周組TGF-β1蛋白表達(dá)即明顯增多,并隨病程進(jìn)展表達(dá)逐漸增多,見(jiàn)圖5。
圖6所示,對(duì)照組大鼠腎皮質(zhì)可檢測(cè)到Smurf 2 mRNA表達(dá),DM 4周組起表達(dá)較對(duì)照組顯著增多(P<0.01),且隨病程延長(zhǎng)而遞增。各DM組與正常對(duì)照組相比,SnoN mRNA的表達(dá)量無(wú)顯著差異(P>0.05)。
本研究用STZ成功復(fù)制了大鼠DM模型。胰島病理觀察可見(jiàn)DM大鼠胰島縮小,β細(xì)胞數(shù)量減少,胰島素分泌減少,整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間大鼠血糖持續(xù)在高水平。從DM 2周起大鼠血肌酐和24 h尿蛋白增高并出現(xiàn)了腎臟病理改變,表明并發(fā)了DN。
Figure 6.SnoN and Smurf 2 mRNA levels in kidney from rats in different groups.A:RT-PCR analysis displays little change in SnoN mRNA levels in the DM kidneys after streptozotocin injectin.B:RT - PCR analysis shows the induction of Smurf 2 mRNA expression in the DM kidneys after streptozotocin injectin in a time-dependent manner.Representative RT - PCR bands show one animal per time point.C:graphical presentations show the relative abundance of SnoN and Smurf 2 mRNA abundance after normalization with β - actin..n=6.*P<0.05,**P<0.01 vs control group.圖6 各組大鼠腎組織中SnoN和Smurf 2 mRNA的水平
TGF-β1作為DN多種致病因素的交匯點(diǎn),可通過(guò)其下游Smads信號(hào)蛋白調(diào)控腎小管-間質(zhì)纖維化發(fā)病過(guò)程,在DN進(jìn)行性發(fā)展中發(fā)揮重要作用。核轉(zhuǎn)錄共抑制因子SnoN是TGF-β1/Smad信號(hào)通路中重要的負(fù)性調(diào)節(jié)因子,在細(xì)胞核和細(xì)胞漿中它可以通過(guò)不同的機(jī)制阻斷TGF-β1/Smad信號(hào)通路的信息傳遞[4-6]。我們之前的研究發(fā)現(xiàn),DM發(fā)病的前8周,隨病程進(jìn)展腎組織SnoN蛋白表達(dá)減少[2]。本研究持續(xù)觀察至DM 24周,發(fā)現(xiàn)DM 8周后,DM各組SnoN蛋白的表達(dá)仍明顯少于正常對(duì)照組;而DM各組SnoN mRNA的表達(dá)量與正常對(duì)照組相比均無(wú)差異;提示SnoN蛋白的表達(dá)減少可能參與了DN的發(fā)病過(guò)程,但它的表達(dá)減少并不是由其基因轉(zhuǎn)錄改變引起的。近期有研究發(fā)現(xiàn)SnoN蛋白的表達(dá)減少在UUO所致腎纖維化的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用,且Smurf 2介導(dǎo)的泛素化降解與SnoN蛋白的表達(dá)減少密切相關(guān),提示泛素化降解SnoN增加可能是導(dǎo)致腎纖維化的重要原因[7]。
泛素-蛋白酶體依賴性途徑介導(dǎo)的蛋白水解系統(tǒng)是由一系列高度組織的酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)組成,主要包括泛素活化酶(E1)、泛素結(jié)合酶(E2)和泛素連接酶(E3)三類酶[8,9]。其中,由于 E3 連接酶決定了降解底物蛋白的特異性和選擇性,因此在泛素-蛋白酶體途徑中起著決定性作用[9]。Smurf 2是一種HECT(與E6-AP羧基端同源)型E3連接酶,由1個(gè)氨基末端可與磷脂/鈣結(jié)合的C2結(jié)構(gòu)域、3個(gè)WW結(jié)構(gòu)域和1個(gè)羧基末端的HECT連接酶結(jié)構(gòu)域組成,它與 TGF-β1/Smad信號(hào)通路中的 SnoN、Smad7和Smad2等蛋白的降解均有關(guān)[10]。目前有關(guān)泛素-蛋白酶體在DM并發(fā)癥發(fā)病中的研究尚少,偶有報(bào)道其與DM神經(jīng)病變和視網(wǎng)膜病變的發(fā)病有關(guān)[11]。
本研究顯示,在正常大鼠腎組織中有少量Smurf 2蛋白的表達(dá),DM 2周時(shí)表達(dá)已明顯增多,并隨病程進(jìn)展逐漸增加,DM 12周達(dá)最高,之后持續(xù)在較高水平。Tan等[6]研究亦發(fā)現(xiàn),在糖尿病伴局灶節(jié)段性腎小球硬化病人腎組織中Smurf 2蛋白表達(dá)增加,但其作用及原因未明,提示Smurf 2蛋白的表達(dá)變化可能參與了DN的發(fā)病過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn),磷酸化的Smad2通過(guò)其氨基端和連接區(qū)的PPXY結(jié)構(gòu)與Smurf 2的WW結(jié)構(gòu)域相互作用,可介導(dǎo)SnoN蛋白的泛素化降解[12]。本研究還觀察到,DN發(fā)病過(guò)程中TGF-β1表達(dá)增多,被它磷酸化的Smad2也相應(yīng)增加,且磷酸化Smad2和Smurf 2蛋白的增多均早于SnoN蛋白的減少,并且Smurf 2和SnoN蛋白的表達(dá)量呈高度負(fù)相關(guān),且二者表達(dá)部位一致,主要表達(dá)于腎小管上皮及腎小管間質(zhì)細(xì)胞。以上結(jié)果提示,在DN發(fā)病過(guò)程中SnoN蛋白表達(dá)減少可能與Smurf 2介導(dǎo)其泛素化降解有關(guān),表達(dá)增多的Smurf 2可能通過(guò)降解TGF-β1/Smad信號(hào)通路的重要負(fù)調(diào)控因子SnoN,在DN腎纖維化的發(fā)生和發(fā)展中起著重要的作用。
雖然泛素-蛋白酶體依賴型降解途徑在許多生理學(xué)功能中均發(fā)揮作用,E3連接酶Smurf 2的生物學(xué)功能除了可降解TGF-β1/Smad信號(hào)通路中的SnoN蛋白,還與Smad 7、Smad 2和β-catenin等蛋白的降解有關(guān)。但近期的研究表明,在UUO所致腎纖維化疾病的發(fā)生發(fā)展中,Smurf 2的最終作用是增強(qiáng)TGF-β1/Smad信號(hào)通路的活性,且TGF-β1可通過(guò)PI3K/AKT信號(hào)通路刺激 Smurf 2的表達(dá)[13]。我們的研究發(fā)現(xiàn),隨著DN病程進(jìn)展Smurf 2 mRNA表達(dá)增多,這是否與PI3K/AKT通路激活有關(guān),有待進(jìn)一步研究。
[1]戴 晴,李 欣,鄭 磊,等.丹參素對(duì)肝星狀細(xì)胞TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響[J].中國(guó)病理生理雜志,2009,25(10):1988-1994.
[2]劉瑞霞,郭 兵,崔 龍,等.SnoN蛋白在糖尿病大鼠腎組織中的表達(dá)及其意義[J].中國(guó)病理生理雜志,2008,24(6):1188-1192.
[3]Tan RL,Zhang JL,Tan XY,et al.Downregulation of SnoN expression in obstructive nephropathy is mediated by an enhanced ubiquitin - dependent degradation[J].Am Soc Nephrol,2006,17(10):2781 -2791.
[4]Liu X,Sun Y,Weinberg RA,et al.Ski/Sno and TGF -beta signaling[J].Cytokine Growth Factor Rev,2001,12(1):1-8.
[5]Reed JA,Lin Q,Chen D,et al.SKI pathways inducing progression of human melanoma[J].Cancer Metastasis Rev,2005,24(2):265-272.
[6]Tan RY,He WC,Lin X,et al.Smad ubiquitination regulatory factor-2 in the fibrotic kidney:regulation,target specificity,and functional implication[J].Am J Physiol Renal Physiol,2008,294(5):F1076 - F1083.
[7]Debigaré R,Price SR.Proteolysis,the ubiquitin-proteasome system,and renal diseases[J].Am J Physiol Renal Physiol,2003,285(1):F1 - F8.
[8]Mani A,Gelmann EP.The ubiquitin-proteasome pathway and its role in cancer[J].J Clin Oncol,2005,23(21):4776-4789.
[9]Inoue Y,Imamura T.Regulation of TGF-beta family signaling by E3 ubiquitin ligases[J].Cancer Sci,2008,99(11):2107-2112.
[10]Akarsu E,Pifim I,Capogh I,et a1.Relationship between electroneurographic changes and serum ubiquitin levels in patients with type 2 diabetes[J].Diabetes Care,2001,24(1):1-3.
[11]Adachi-Uehara N,Kato M,Nimura Y,et a1.Up-regulation of genes for oxidative phosphorylation and protein turnover in diabetic mouse retina[J].Exp Eye Res,2006,83(4):849-857.
[12]Bonni S,Wang HR,Causing CG,et al.TGF-beta induces assembly of a Smad2-Smurf 2 ubiquitin ligase complex that targets SnoN for degradation[J].Nat Cell Biol,2001,3(6):587-595.
[13]Ohashi N,Yamamoto T,Uchida C,et al.Transcriptional induction of Smurf 2 ubiquitin ligase by TGF - beta[J].FEBS Lett,2005,579(12):2557 -2563.