廖章萍, 章志玲, 李 娟, 鄒逢琳, 尹淑華, 何 明△
(1南昌大學(xué)藥學(xué)院藥理學(xué)與分子治療學(xué)教研室,2江西省人民醫(yī)院心內(nèi)科,江西南昌330006)
缺血缺氧是心肌病變中極常見的一個(gè)病理過程,盡早恢復(fù)血流是防治的基本措施。然而部分患者或動(dòng)物缺血后再灌注,不僅沒使其功能恢復(fù),反而導(dǎo)致功能和代謝障礙及結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)一步加重,即為缺血 -再灌注損傷(ischemia/reperfusion injury,IRI)[1]。近來研究發(fā)現(xiàn),線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔道(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)與心肌缺血-再灌注損傷密切相關(guān)[2]。心肌細(xì)胞缺血再灌注時(shí),細(xì)胞內(nèi)Ca2+的聚集可誘導(dǎo)mPTP開放,引起線粒體膜電位下降甚至崩潰,導(dǎo)致心肌細(xì)胞的不可逆損傷。大量研究表明缺血再灌注中,如能抑制mPTP 的開放則可有效減輕 IRI[3,4]。因此如何調(diào)節(jié)mPTP的開放與關(guān)閉已成對(duì)抗IRI的主要策略。
mPTP是一個(gè)跨膜多蛋白復(fù)合體孔道,主要由外膜的電壓依賴性陰離子通道(voltage-dependent anion channel,VDAC)、內(nèi)膜的腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)酶(adenine nucleotide translocase,ANT)、基質(zhì)的親環(huán)素 D(cyclophilin D,CyP-D),及其它的蛋白如環(huán)孢菌素A(cyclosporin A,CsA)、己糖激酶(hexokinase ,HK)等組成[5]。
其中VDAC是一分子量大約30 kD、在線粒體外膜上含量豐富的蛋白質(zhì)。VDAC能在脂質(zhì)雙分子層中形成一個(gè)大的電壓門控通道,通道開放和關(guān)閉狀態(tài)與線粒體膜電位水平密切相關(guān)。且文獻(xiàn)報(bào)道,過度表達(dá)VDAC能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[6]。VDAC有3個(gè)亞型,分別是VDAC1、VDAC2和VDAC3,其中VDAC1在哺乳動(dòng)物的線粒體膜上表達(dá)最為廣泛[7]。本研究以VDAC1為研究對(duì)象,探討其與mPTP的關(guān)系及在心肌細(xì)胞缺氧復(fù)氧(anoxia/reoxygenation,A/R)中的作用,為研究探索心肌細(xì)胞急性損傷時(shí)的分子生物學(xué)機(jī)制,尋找新的藥物作用靶點(diǎn)拓展新的思路。
大鼠H9c2心肌細(xì)胞株(中國(guó)科學(xué)院細(xì)胞庫),DMEM培養(yǎng)基(Gibco),胎牛血清(杭州四季青生物工程材料有限公司);RNA干擾質(zhì)粒pSUPER由美國(guó)波士頓大學(xué)羅志軍教授惠贈(zèng);限制性內(nèi)切酶Bgl II、Xho I、Bam HI(NEB);T4DNA連接酶、凝膠回收試劑盒及無內(nèi)毒素質(zhì)粒提取試劑盒購自Promega;Lipofectamine 2000TM脂質(zhì)體購自Invitrogen;VDAC1抗體、β-actin抗體及相應(yīng)Ⅱ抗均購自Santa Cruz;JC-1購自Molecular Probes;總蛋白提取試劑盒購自普利來公司。其余化學(xué)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
H9c2細(xì)胞培養(yǎng)于含10%FBS的高糖DMEM培養(yǎng)基中,于5%CO2、飽和濕度及37℃條件下培養(yǎng)。
3.1 VDAC1 shRNA干擾質(zhì)粒的構(gòu)建 根據(jù) Gen-Bank找出大鼠 VDAC1 mRNA核苷酸序列 NM_031353,運(yùn)用Oligoengine公司siRNA靶序列設(shè)計(jì)軟件找到3條靶序列,如下:(1)AATGTGAATGATGGGACGG(546);(2)GAAGTGGAACACAGACAAC(218);(3)AGTACAGATGGACCGAGTA(181)。以pSUPER質(zhì)粒為載體,Bgl II、Xho I雙切后,插入帶有黏性末端的VDAC1 shRNA核苷酸序列。
3.2 VDAC1 shRNA干擾質(zhì)粒的轉(zhuǎn)染 在轉(zhuǎn)染前1 d,去除培養(yǎng)基中的抗生素和血清,將質(zhì)粒用Lipofectamine 2000TM脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染至心肌細(xì)胞H9c2中。
3.3 重組質(zhì)粒干擾效率的檢測(cè) 為了更好地提高干擾效率,將重組成功的3個(gè)含VDAC1基因序列特異性堿基的shRNA質(zhì)粒同時(shí)轉(zhuǎn)染到心肌細(xì)胞H9c2中,檢測(cè)H9c2的蛋白表達(dá)。
實(shí)驗(yàn)分3組,每組重復(fù)8次。(1)正常對(duì)照(control)組:不做任何處理的H9c2細(xì)胞;(2)pSUPER組:將空載質(zhì)粒pSUPER轉(zhuǎn)染入心肌細(xì)胞;(3)pSUPER-VDAC1組:將干擾質(zhì)粒pSUPER-VDAC1轉(zhuǎn)染入心肌細(xì)胞。
心肌細(xì)胞生長(zhǎng)接近融合狀態(tài)時(shí),對(duì)培養(yǎng)心肌細(xì)胞換用預(yù)先經(jīng)95%N2和5%CO2混和氣體飽和過的模擬缺氧缺糖溶液(NaH2PO40.9 mmol/L,NaHCO36.0 mmol/L, CaCl21.8 mmol/L, MgSO41.2 mmol/L,HEPES 20 mmol/L,NaCl 98.5 mmol/L,KCl 10.0 mmol/L,pH 6.8,37 ℃),置于持續(xù) 95%N2-5%CO2平衡的A/R裝置(37℃)中缺氧孵育3 h后,再換用模擬再灌注溶液(NaCl 129.5 mmol/L,KCl 5.0 mmol/L,NaH2PO40.9 mmol/L,NaHCO320 mmol/L,CaCl21.8 mmol/L ,MgSO41.2 mmol/L,glucose 55 mmol/L,HEPES 20 mmol/L,pH 7.4,37 ℃)于95%O2、5%CO2復(fù)氧孵育2 h。
細(xì)胞更換培養(yǎng)基后置于培養(yǎng)箱內(nèi)孵育24 h,然后換預(yù)先經(jīng)95%N2和5%CO2混和氣體飽和過的模擬缺氧液,將細(xì)胞置于95%N2-5%CO2持續(xù)通氣的缺氧密閉容器中(37℃)30 min,再換模擬再灌注液,以95%O2和5%CO2混合氣體進(jìn)行復(fù)氧孵育30 min(37℃),重復(fù)3次。
共分5組,每組重復(fù)8次。(1)control組:棄培養(yǎng)液,換用正常Tyrode溶液置于培養(yǎng)箱(5%CO2、95%空氣、37℃)孵育3 h后,再換上模擬再灌注溶液置于培養(yǎng)箱(5%CO2、95%空氣,37℃)孵育2 h;(2)A/R組:棄培養(yǎng)液,換用模擬缺氧缺糖溶液將培養(yǎng)板置于持續(xù)95%N2、5%CO2平衡的缺氧密閉容器中(37℃)3 h,再換上模擬再灌注液,以95%O2、5%CO2混合氣體進(jìn)行復(fù)氧孵育2 h(37℃);(3)APC組:棄培養(yǎng)液,換用模擬缺氧缺糖液置于培養(yǎng)箱(5%CO2、95%空氣,37℃)孵育30 min,再換模擬再灌注液,以95%O2和5%CO2混合氣體進(jìn)行復(fù)氧孵育30 min(37℃),重復(fù)3次;然后進(jìn)行A/R處理;(4)pSUPER-VDAC1-A/R組:3個(gè)VDAC1 shRNA干擾質(zhì)粒用脂質(zhì)體共同轉(zhuǎn)染至心肌細(xì)胞H9c2中,48 h后處理同A/R組;(5)pSUPER-A/R組:pSUPER空載質(zhì)粒轉(zhuǎn)染至心肌細(xì)胞H9c2中,48 h后處理同A/R組。
按蛋白提取試劑盒的方法提取H9c2細(xì)胞總蛋白,Bradford法蛋白定量后分裝,-20℃保存。取上述細(xì)胞蛋白提取液上清進(jìn)行聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE,15%分離膠),將電泳分離后的蛋白質(zhì)電轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素膜上,經(jīng)封閉、洗脫后加入VDAC1抗體(1∶200)或 β -actin抗體(1∶200),放置4℃過夜,洗膜后以相應(yīng)的Ⅱ抗孵育1 h,再洗膜,加ECL化學(xué)發(fā)光試劑,置暗室中曝光、顯影、定影膠片。將X光膠片掃描后,在Image Tool醫(yī)學(xué)圖形分析軟件上進(jìn)行分析。將所得VDAC1蛋白帶的綜合密度分別除以β-actin相對(duì)應(yīng)樣本的綜合密度。
采取MTT比色法檢測(cè),培養(yǎng)于96孔培養(yǎng)板的H9c2細(xì)胞,接種密度為 104cells/well,每孔液體200 μL。實(shí)驗(yàn)處理后各組每孔加入MTT溶液(5 g/L)20 μL,孵育4 h;去培養(yǎng)液,然后各組每孔加入150 μL DMSO振蕩10 min,選擇490 nm 波長(zhǎng),在酶聯(lián)免疫檢測(cè)儀上測(cè)定各孔吸光度值。設(shè)不加細(xì)胞只加孵育液的空白對(duì)照,記錄結(jié)果。細(xì)胞存活率=(實(shí)驗(yàn)組吸光度值/對(duì)照組吸光度值)×100%。
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后各組分別取孵育液200 μL,Beckman生化自動(dòng)分析儀測(cè)定乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)和肌酸磷酸酶(creatine phosphokinase,CPK)活性。
JC-1是一種廣泛用于檢測(cè)線粒體膜電位的熒光探針。在線粒體膜電位較高時(shí),JC-1聚集在線粒體的基質(zhì)中,形成聚合物,可以產(chǎn)生紅色熒光;在線粒體膜電位較低時(shí),JC-1不能聚集在線粒體的基質(zhì)中,此時(shí)JC-1為單體,可以產(chǎn)生綠色熒光。通過熒光顏色的轉(zhuǎn)變可以反映線粒體膜電位的變化。先用0.25%胰酶消化心肌細(xì)胞,細(xì)胞(1×106)以1 000×g離心 5 min,1 mL PBS 重懸細(xì)胞,加入 10 μL 200 μmol/L JC -1(終濃度 2 μmol/L),37 ℃ 孵育30 min,PBS洗滌 2 次后,500 μL PBS重懸細(xì)胞,立即進(jìn)行流式分析,以加羰基氰氯苯腙(CCCP,終濃度50 μmol/L,37℃孵育 5 min)組為陽性對(duì)照。
Western blotting結(jié)果(圖1)顯示,轉(zhuǎn)染了空載質(zhì)粒pSUPER組VDAC1蛋白表達(dá)與正常組相比無明顯改變,而轉(zhuǎn)染了含VDAC1基因序列特異性堿基的shRNA質(zhì)粒的pSUPER-VDAC1組VDAC1蛋白表達(dá)則顯著下降,較正常組降低了66%。此結(jié)果說明重組RNA干擾質(zhì)粒能有效下降VDAC1的表達(dá)
Figure 1.Western blotting analysis of VDAC1 in H9c2 cells transfect with RNA interference recombinant vector.±s.n=8.**P <0.01 vs control group;△△P <0.01 vs pSUPER group.圖1 Western blotting檢測(cè)轉(zhuǎn)染RNA干擾重組質(zhì)粒后H9c2細(xì)胞VDAC1蛋白表達(dá)的結(jié)果
以各組β-actin條帶的掃描值標(biāo)化其相應(yīng)組的H9c2細(xì)胞 VDAC1的蛋白表達(dá)量,control組、A/R組、APC 組分別為 0.52 ±0.05、1.11 ±0.10、0.60 ±0.06。說明經(jīng)A/R處理后,VDAC表達(dá)明顯增加,而APC則能抑制其上調(diào),見圖2。
如圖3所示,與control組比,A/R組細(xì)胞懸液中LDH和CPK活性分別增加至1.9倍和2倍;APC組細(xì)胞懸液LDH及CPK活性則顯著降低;與APC組相似,pSUPER-VDAC1-A/R組,VDAC1表達(dá)下調(diào)后再經(jīng)A/R處理,LDH及CPK活性亦明顯下降,但pSUPER-A/R組則與A/R組無顯著差異。說明下調(diào)VDAC1表達(dá)能有效對(duì)抗A/R損傷所致的LDH及CPK活性增加。
Figure 2.Effect of various treatments on expression of VDAC1 protein in H9c2 cells.±s.n=8.**P<0.01 vs control group;△△P <0.01 vs A/R group.圖2 不同處理組對(duì)H9c2細(xì)胞VDAC1蛋白表達(dá)的影響
Figure 3.Effect of down-regulation of VDAC1 on LDH and CPK activity in H9c2 cells subjected to A/R injury.±s.n=8.**P <0.01 vs control group;△△P <0.01 vs pSUPER -A/R group;##P <0.01 vs A/R group.圖3VDAC1低表達(dá)對(duì)心肌細(xì)胞A/R損傷后LDH和CPK活性的影響
MTT結(jié)果(圖4)顯示,經(jīng)A/R處理后,H9c2細(xì)胞嚴(yán)重受損,細(xì)胞存活率較control組降低48.5%;但APC則能防止細(xì)胞損傷,細(xì)胞存活率較A/R增高;相似地,VDAC1低表達(dá)的pSUPER-VDAC1-A/R組細(xì)胞存活率也較A/R組顯著提高;而pSUPERA/R組與A/R組無顯著差異。說明下調(diào)VDAC1能有效保護(hù)H9c2細(xì)胞,對(duì)抗A/R損傷,提高細(xì)胞存活率。
Figure 4.Effect of down-regulation of VDAC1 on cell viability in H9c2 cells subjected to A/R injury.±s.n=8.**P <0.01 vs control group;△△P <0.01 vs pSUPER -A/R group;##P <0.01 vs A/R group.圖4 VDAC1低表達(dá)對(duì)心肌細(xì)胞A/R損傷后細(xì)胞存活率的影響
本實(shí)驗(yàn)以紅、綠熒光的比值衡量線粒體去極化的比例。如圖5,A/R組紅、綠熒光比值明顯下降,說明H9c2細(xì)胞線粒體膜電位顯著降低,與control組比有顯著差異,但VDAC1低表達(dá)的pSUPER-VDAC1-A/R組細(xì)胞與APC組細(xì)胞的線粒體膜電位則得到了保護(hù),防止了膜電位的崩潰;pSUPER-A/R組則與A/R組無顯著差異。這說明下調(diào)VDAC1表達(dá)能有效抑制細(xì)胞線粒體損傷,穩(wěn)定線粒體膜電位。
心肌缺血再灌注損傷是指缺血期處于可逆損傷的心肌細(xì)胞恢復(fù)血液供應(yīng)后產(chǎn)生更為嚴(yán)重的損傷[8]。在缺血缺氧或缺血再灌注時(shí),細(xì)胞內(nèi)低氧、缺氧發(fā)生酸中毒,激動(dòng)H+-Na+交換,此時(shí)由于細(xì)胞內(nèi)能量缺失、耗竭導(dǎo)致Na+-K+-ATP酶被抑制,使得心肌細(xì)胞內(nèi)Na+迅速升高,誘發(fā)Na+-Ca2+交換增加,細(xì)胞外Ca2+大量進(jìn)入,通過胞外Ca2+內(nèi)流亦可引起胞內(nèi)Ca2+釋放即Ca2+誘導(dǎo)的Ca2+釋放(calcium -induced calcium release,CICR)機(jī)制,肌漿網(wǎng)中的Ca2+釋放,使得細(xì)胞內(nèi)Ca2+含量急劇增加,導(dǎo)致Ca2+超載[9]。Ca2+超載是造成缺血再灌注損傷的主要原因之一。
近來研究發(fā)現(xiàn),線粒體不僅控制機(jī)體的能量代謝,而且在維持細(xì)胞Ca2+穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡或壞死等過程中起著決定性作用[10]。其功能障礙與mPTP密切相關(guān)。有學(xué)者認(rèn)為[11]mPTP在誘發(fā)肌漿網(wǎng)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的Ca2+大量釋放導(dǎo)致Ca2+超載方面起了重要的作用,或是具有CICR通道之特征[12]。研究表明[13]:線粒體胞漿中Ca2+的聚集,可使得線粒體膜電位振蕩,誘發(fā)Ca2+外流,后者迅速的被鄰近正常之線粒體攝取并觸發(fā)其mPTP開放,即mCICR;由此誘發(fā)的、被稱為mCICR波的大量線粒體膜電位振蕩,導(dǎo)致線粒體膜內(nèi)外電荷平衡分布被破壞,線粒體膜去極化,膜電位降低或喪失,往往可直接誘發(fā)致死性心率失常。目前認(rèn)為,防止mPTP的開放即為防止缺血再灌注損傷的有效策略。
VDAC是一位于mPTP外膜上的陰離子通道,其控制著離子和代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn),影響一些生理及病理過程[14]。本研究發(fā)現(xiàn),H9c2心肌細(xì)胞經(jīng)過A/R處理后,與正常組細(xì)胞相比,VDAC蛋白表達(dá)上調(diào),細(xì)胞存活率顯著降低,線粒體膜電位的明顯下降說明mPTP過度開放;而APC處理則能抑制VDAC表達(dá)的上調(diào),對(duì)抗A/R。進(jìn)一步結(jié)果顯示,通過RNA干擾下調(diào)VDAC蛋白表達(dá)可有效保護(hù)心肌細(xì)胞,維持線粒體膜電位,防止mPTP開放,減輕A/R損傷。以上結(jié)果強(qiáng)烈提示心肌A/R損傷,VDAC對(duì)mPTP的開放和關(guān)閉起重要作用。有資料表明[15]:缺血的心肌組織在再灌注階段,某些離子可以通過VDAC進(jìn)入線粒體,引起mPTP的開放,因?yàn)橥饽さ拿娣e遠(yuǎn)小于內(nèi)膜,顯著的基質(zhì)膨脹和mPTP長(zhǎng)時(shí)間開放能引起嵴伸展,導(dǎo)致外膜破裂和線粒體不可逆損傷;此外,外膜破裂會(huì)導(dǎo)致分布在膜間的前凋亡分子釋放,包括細(xì)胞色素C、Smac/DIABLO、凋亡誘導(dǎo)因子(AIF)等,通過caspases依賴機(jī)制或是AIF依賴機(jī)制導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或死亡。新近研究發(fā)現(xiàn)[16],VDAC通過分子伴侶glucose-regulated protein 75(GRP75)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3受體偶聯(lián),在維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)及其介導(dǎo)的CICR中發(fā)揮重要作用。
Figure 5.Effect of down-regulation of VDAC1 on mitochondria membrane potential in H9c2 cells subjected to A/R injury.JC-1-exhibited red/green fluorescence was used to analyze mitochondrial potential in H9c2 cells by flow cytometry.The ratio of red-to-green JC-1 fluorescence is dependent only on the membrane potential.JC-1 changes color from red to green as the membrane potential decreases or collapses.±s.n=8.**P<0.01 vs control group;##P<0.01 vs pSUPER-A/R group;△△P <0.01 vs A/R group.圖5 VDAC1低表達(dá)對(duì)心肌細(xì)胞A/R損傷后線粒體膜電位的影響
綜上所述,VDAC1與mPTP的開放關(guān)系密切,下調(diào)VDAC1可有效對(duì)抗A/R損傷引起的mPTP的開放,維持線粒體膜電位,保護(hù)細(xì)胞。
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