趙二義,賈延吉力,王帶媚,文國強,關文娟,景黎君,鄧益東△
(1.海南省人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,海口 570311;2.鄭州大學第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,河南 鄭州 450052)
骨髓間充質(zhì)干細胞(marrow mesenchymal stem cells,MSCs)可向多種細胞分化,在細胞轉(zhuǎn)向分化的過程中可能存在多條信號通路,如Notch、Sox、Wnt等通路通過信號聯(lián)系網(wǎng)絡,啟動信號重組、整合后,引領分化方向。核因子-κB(nuclear factor-kappa B)是細胞增殖與凋亡的重要調(diào)控因子,通過結(jié)合特異性序列調(diào)控多種基因的表達。p65蛋白是其重要的亞單位,由p65基因在細胞核內(nèi)表達后轉(zhuǎn)移至胞漿內(nèi),與另一個核因子-κB亞單位p50結(jié)合成p50/p65異源二聚體,胞漿內(nèi)的 NF-κB抑制蛋白(IκB)與p50/p65結(jié)合,而抑制NF-κB活性。研究表明,NF-κB信號參與調(diào)控神經(jīng)干細胞(neural stem Cell,NSCs)增殖、分化及凋亡等命運[1],在 MSCs向神經(jīng)元分化過程中,NF-κB 核移位受抑制[2],而 MSCs與NSCs具有許多相似性,因此,理論上NF-κB信號也可能參與MSCs增殖、分化及凋亡調(diào)控。然而,目前采用RNAi技術下調(diào)NF-κB信號通路中的p65亞單位來研究其對MSCs增殖、分化的影響尚無相關報道。本研究初步探討RNAi靶向抑制p65基因,對MSCs的增殖、分化及凋亡的影響,并研究MSCs向神經(jīng)元分化的機制。
由海南省中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院實驗動物中心提供2~3月齡健康的Wistar大鼠,雌雄不限,體重150~250g,飼養(yǎng)條件符合清潔級標準,實驗對動物的處理方法符合中華人民共和國科學技術部頒發(fā)的《關于善待實驗動物的指導性意見》標準。
DMEM培養(yǎng)基及胎牛血清(美國Gibco公司);兔抗大鼠p65、神經(jīng)元特異性烯醇化酶(NSE)、神經(jīng)元微管結(jié)合蛋白(MAP-2)和膠質(zhì)細胞原纖維酸性蛋白(GFAP)等多克隆抗體(美國Santa Cruz公司);FITC熒光標記的山羊抗兔IgG(H+L)(上海碧云天公司);自 Qiagen公司采購大鼠的 Rn-p65-siRNA、Cy3標記的陰性對照Negative Control siRNA、轉(zhuǎn)染試劑HiPerFect;RNeasy Mini試劑盒及QIAGEN OneStep RT-PCR試劑盒;四甲基偶氮唑鹽(MTT)(美國Sigma公司);法舒地爾(天津紅日藥業(yè)股份有限公司);胰蛋白酶等實驗試劑均為進口分裝或國產(chǎn)分析純。由上海生物工程公司根據(jù)設計合成大鼠的p65及β-actin引物,序列見表1。
Tab.1 Sequences for primer
取Wistar大鼠,頸椎脫臼處死后,75%乙醇浸泡5 min,在無菌條件環(huán)境中分離大鼠兩側(cè)股骨,剪開股骨兩端,以含10%胎牛血清的DMEM培養(yǎng)基反復沖洗骨髓腔,用1 ml無菌注射器反復吹打,制成細胞懸液,以2×106cells/ml的細胞密度直接種于25 cm2的塑料培養(yǎng)瓶中,放置在37°C、50ml/L的CO2恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),待貼壁細胞完全融合后,以含0.04%EDTA/0.25%胰蛋白酶消化傳代,按1×105cells/ml的密度接種。每隔72 h換液,連續(xù)傳代培養(yǎng)至少6代以上,隨后將MSCs細胞懸液凍存在液氮中備用。取培養(yǎng)第6代以上的MSCs復蘇后,用完全培養(yǎng)基(DMEM+15%胎牛血清+谷氨酰胺0.5 mol/L)充分沉淀混勻MSCs后,按每孔接種2×106個細胞至12孔培養(yǎng)板,放置在37°C、50ml/L的CO2恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)2~3 d,選擇細胞融合度達50%~70%時進行轉(zhuǎn)染,效果最佳。將培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細胞分為未轉(zhuǎn)染組、轉(zhuǎn)染組及陰性對照組3組,6孔/組。
參照本室的實驗方法[3],MSCs的融合度達50% ~70%,參照Qiagen公司的細胞轉(zhuǎn)染實驗操作步驟,轉(zhuǎn)染細胞。具體操作方法如下:吸取培養(yǎng)基1100μl(DMEM培養(yǎng)基+10%胎牛血清+雙抗)加入培養(yǎng)板中,置于37°C、50ml/L的CO2恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)孵育。同時,分別吸取 DMEM培養(yǎng)基100μl溶解300ng Rn-p65-siRNA 和 negative control siRNA,再吸取HiPerFect轉(zhuǎn)染試劑6μl,充分混勻;置于室溫孵育10min;再將轉(zhuǎn)染復合物均勻加入含MSCs孔中,每孔中的siRNA的濃度要達到20nmol/L,放置在37°C、50ml/L的CO2恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)孵育24~72 h。未轉(zhuǎn)染組不轉(zhuǎn)染siRNA,其培養(yǎng)條件與轉(zhuǎn)染組及陰性對照組相同。Cy3標記的陰性對照Negative Control siRNA轉(zhuǎn)染24h、48 h、72 h后在倒置熒光顯微鏡下觀察MSCs的熒光表達,評價細胞轉(zhuǎn)染效率。
1.5.1 四甲基偶氮唑鹽(MTT)比色法 采用MTT比色檢測法,將各組的MSCs根據(jù)轉(zhuǎn)染前、后各個相同時間點,均勻移入96孔板,每孔加入50μl MTT(5.0mg/ml),置于37°C、50ml/L 的 CO2恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)孵育 4h,每孔再加入 200μl二甲基亞砜(DSMO),繼續(xù)孵育至結(jié)晶崩解,取空白孔調(diào)零,利用酶標儀測定每個孔的吸光度值(波長490nm),細胞存活率=細胞組A均值/空白組 A均值 ×100%。
1.5.2 RT-PCR法 利用RNeasy Mini試劑盒提取各實驗組的MSCs的RNA,運用RT-PCR檢測實驗組MSCs內(nèi)p65 mRNA表達變化情況。按照QIAGEN?OneStep RT-PCR試劑盒的操作步驟行RTPCR,50μl反應體系,10μl 5 × Buffer,2μl dNTP Mix,2μl QIAGEN OneStep RT-PCR Enzyme Mix,10μl 5 × Q-Solution,10U RNase inhibitor,1.0μg RNA,0.6μmol/L引物。擴增參數(shù):50℃逆轉(zhuǎn)錄30min,95℃生成15 min,94℃變性1 min,58℃ 退火1 min,72℃ 延伸1 min,總共進行30~35個循環(huán),再72℃延伸10min。吸取10μl RT-PCR 產(chǎn)物 +2.0μl樣緩沖液,滴入2%瓊脂糖凝膠上行電泳,通過自動凝膠成像系統(tǒng),將電泳結(jié)果拍攝保存,分析各目的基因與β-actin基因條帶光度值。
1.5.3 Western blot印跡 取各組的MSCs,用100μl細胞裂解液裂解、變性、離心,留取上清蛋白質(zhì)標本,利用分光光度法對蛋白質(zhì)進行定量分析。取蛋白裂解液加凝膠緩沖液進行SDS-PAGE膠電泳,電泳之后,將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)至硝酸纖維素膜。取出膜后在室溫條件下用封閉液(山羊血清)封閉3 h,然后加入一抗p65蛋白兔抗多克隆抗體(工作濃度分別為1∶200~300),4℃孵育過夜,二抗(工作濃度為1∶10000),37℃孵育60~120min,DAB 顯色檢測棕黃色條帶。結(jié)果轉(zhuǎn)膜后麗春紅染色進行校正,照相記錄結(jié)果,Quantity One軟件分析圖片灰度值。
1.6.1 誘導方法 按照前期實驗的細胞誘導法[4],將各實驗組培養(yǎng)72 h后的MSCs行誘導實驗。用D-Hank’s液清洗 MSCs 3遍,加誘導液(由DMEM液體培養(yǎng)基+10%胎牛血清+200μmol/l法舒地爾混勻調(diào)制),置于37°C、50ml/L的CO2的條件下誘導6 h。將MSCs置于倒置顯微鏡下觀察誘導前后細胞形態(tài)學演變。采取細胞免疫組化法檢測誘導前后神經(jīng)元特異蛋白NSE、MAP-2、GFAP的變化。
1.6.2 細胞形態(tài)學觀察 倒置顯微鏡下動態(tài)觀察MSCs誘導分化前后形態(tài)學變化
1.6.3 細胞免疫組化染色法 用PBS清洗各組細胞,隨后取4%多聚甲醛的固定液在4℃環(huán)境中固定20min,0.2%Triton X-100處理 10min,封閉液(10%胎牛血清)封閉1 h。分別使用一抗兔抗p65多克隆抗體(2μg/ml)、兔抗 NSE多克隆抗體(1μg/ml)、兔抗 MAP-2多克隆抗體(1μg/ml)及兔抗GFAP 多克隆抗體(1μg/ml),4℃ 孵育 24h。取PBS清洗3次后,在室溫條件下用FITC標記的山羊抗兔IgG(1∶500)行染色標記、觀察。利用倒置熒光顯微鏡拍攝(×200)細胞圖像。各組均采集≥30個區(qū)域的細胞。盡量保證明視野下所采集的每張圖像都含相同的細胞數(shù)。采取雙人雙盲法隨機統(tǒng)計陽性細胞百分比例。
2.1.1 熒光觀察 Cy3標記的negative control siRNA對照組MSCs熒光表達,隨著轉(zhuǎn)染時間延長,熒光表達逐漸增強。轉(zhuǎn)染MSCs 24h開始出現(xiàn)部分紅色熒光,轉(zhuǎn)染率為28.2% ±4.3%;48 h后熒光表達明顯增多,轉(zhuǎn)染率為63.5% ±3.4%;72 h后熒光表達最強,轉(zhuǎn)染率可達83.3% ±3.8%(圖1A、B及C)。
2.1.2 各組MSCs存活率變化 MTT結(jié)果表明,轉(zhuǎn)染前各組細胞存活率無統(tǒng)計學意義,轉(zhuǎn)染后24h,Rn-p65-siRNA轉(zhuǎn)染組MSCs的存活率顯著下降,與未轉(zhuǎn)染組及陰性對照組MSCs比較有統(tǒng)計學差異(P<0.05)。轉(zhuǎn)染48 h和72 h后存活率雖然較24h有所上升(P<0.05),但仍明顯低于未轉(zhuǎn)染組及陰性對照組MSCs,與未轉(zhuǎn)染組及陰性對照組的MSCs的MTT比較仍有統(tǒng)計學意義(P<0.05,表2)。
2.1.3 各組MSCs的p65 mRNA的表達變化 RTPCR結(jié)果顯示,各組的MSCs轉(zhuǎn)染前均可見p65 mRNA表達;轉(zhuǎn)染24h后,Rn-p65-siRNA轉(zhuǎn)染組的MSCs表達p65 mRNA開始顯著減少,持續(xù)至72 h;與此同時,未轉(zhuǎn)染組及陰性對照組p65 mRNA表達無明顯變化(表3)。
2.1.4 各組MSCs的p65蛋白表達的變化 Western blot印跡檢測顯示,轉(zhuǎn)染前各組均可見p65蛋白表達,轉(zhuǎn)染24h p65蛋白下降,以轉(zhuǎn)染72 h最顯著;未轉(zhuǎn)染組和陰性對照組中無此現(xiàn)象(表4)。
2.2.1 細胞形態(tài)觀察 未轉(zhuǎn)染組及陰性對照組MSCs向神經(jīng)元分化速度較慢,誘導2~3 h細胞胞體開始收縮,呈錐形,折光性差,誘導4~5 h后部分細胞胞體收縮成圓形或多角形,部分胞體可觀察到光暈,突起細長,部分細胞的突起交織成網(wǎng)絡。Rnp65-siRNA轉(zhuǎn)染組MSCs向神經(jīng)元分化速度快,誘導1 h后胞體開始收縮,細胞間隙拉大,可見粗大突起,少部分交織成網(wǎng),誘導2~3 h后,絕大多數(shù)細胞胞體收縮成圓形或錐形,立體感強,可見細長的細胞突起,部分交織成網(wǎng)絡結(jié)構,可見少許細胞脫落、死亡。誘導6 h后,可見神經(jīng)元樣細胞明顯增多,形成典型神經(jīng)網(wǎng)絡(圖2A)。
2.2.2 各組神經(jīng)元蛋白表達的變化 細胞免疫組化染色法誘導6 h后各組神經(jīng)元蛋白表達結(jié)果顯示,與未轉(zhuǎn)染組及陰性對照組比較,轉(zhuǎn)染組蛋白表達顯著的增高(P<0.05);未轉(zhuǎn)染組、陰性對照組及轉(zhuǎn)染組的GFAP表達率均小于1%,無顯著性差異。與未轉(zhuǎn)染組及陰性對照組比較,轉(zhuǎn)染組P65的表達 顯著下降(P<0.01,表5,圖2B、C、D、E)。
Tab.2 Values of MTT in each set of MSCs(%,,n=10)
Tab.2 Values of MTT in each set of MSCs(%,,n=10)
*P<0.05 vs non-transfected group;#P<0.05 vs negative control group
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Tab.3 Values of p65 mRNA in each set of MSCs(,n=10)
Tab.3 Values of p65 mRNA in each set of MSCs(,n=10)
*P<0.05 vs non-transfected group;#P<0.05 vs negative control group
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Tab.4 The values of p65 protein in each set of MSCs(,n=10)
Tab.4 The values of p65 protein in each set of MSCs(,n=10)
*P<0.05 vs non-transfected group;#P<0.05 vs negative control group
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Tab.5 Results of immunocytochemistry staining in each group 6 h after induction(%,,n=10)
Tab.5 Results of immunocytochemistry staining in each group 6 h after induction(%,,n=10)
NSE:Neuron-specific enolase;MAP-2:Neuronal microtubule-associated protein-2;GFAP:Glial cells fibrillar acidic protein*P<0.05 vs non-transfected group;#P<0.05,##P<0.01 vs negative control group
Group NSE MAP-2 GFAP P65 Non-transfected 62.0±1.3 60.2±2.5 <1 61.2±2.3 Negative control 61.3±0.5 60.6±1.8 <1 60.5±1.8 Transfected 83.5±1.2*#81.2±2.2*# <1 32.8±4.2**##
Fig.1 Fluorescence expressed on MSCS tranfected by Cy3 labeled negative control siRNA(bar=100μm)
Fig.2 Induce MSCs of transfected group into neurons expression of NSE and MAP-2(6 h after induction,bar=100μm)
MSCs是一種具多種分化潛能的細胞,可向成骨細胞、脂肪細胞、胰島細胞及神經(jīng)元等細胞分化。研究發(fā)現(xiàn)骨髓間充質(zhì)干細胞在神經(jīng)損傷、修復過程具有保護作用,可能機制包括可向神經(jīng)元分化,分泌相關神經(jīng)營養(yǎng)因子,促進血管再生及抑制免疫反應[5]。Notch、Rho 和 mTOR 信號通路參與調(diào)節(jié)MSCs向神經(jīng)元分化進程,適度調(diào)節(jié)信號通路活性,可提高 MSCs向神經(jīng)元分化效率[4,6],在 MSCs向神經(jīng)元分化中可能牽涉多條信號重組、整合及引導分化方向,反映MSCs分化機制的復雜性。有研究發(fā)現(xiàn)MSCs向神經(jīng)細胞分化過程中,伴隨NF-κB核轉(zhuǎn)位受抑制[2],據(jù)此,推測 NF-κB 信號可能在 MSCs增殖、凋亡、分化等生命活動中起著重要作用。本研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)染Rn-p65-siRNA,MSCs的p65 mRNA表達逐漸減少,當轉(zhuǎn)染72 h,p65基因沉默率最高,p65蛋白表達最弱,與轉(zhuǎn)染Cy3標志negative control siRNA轉(zhuǎn)染72 h熒光表達最強基本一致,這提示轉(zhuǎn)染72 h后,NF-κB信號最弱,是MSCs誘導分化最理想時機。因此,本研究選擇在轉(zhuǎn)染72 h后,選取各組細胞進行誘導分化,研究NF-κB信號在調(diào)控細胞分化的作用。轉(zhuǎn)染Rn-p65-siRNA后,p65蛋白表達減弱,提示 NF-κB信號抑制,且 MTT檢測發(fā)現(xiàn) MSCs的凋亡率逐漸增加,72 h后凋亡率最高,與其它實驗組比較有顯著統(tǒng)計學意義,結(jié)果與NF-κB受抑制后神經(jīng)干細胞凋亡增加現(xiàn)象類似[7]。MSCs凋亡率增高的可能機制:(1)NF-kB信號受抑制后抗凋亡基因表達下調(diào),細胞抗凋亡作用減弱。(2)NF-κB信號受抑制導致細胞周期蛋白D1表達減少,引起細胞增殖能力下降。因此,推測 NF-κB信號在MSCs增殖、凋亡等命運其中重要作用。
神經(jīng)干細胞分化涉及到信號級聯(lián)反應,不同的轉(zhuǎn)錄因子的活化,決定細胞分化的方向,已有研究發(fā)現(xiàn)白介素-6(IL-6)及睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子介導激活NF-κB通路,可促進神經(jīng)干細胞向星形膠質(zhì)細胞分化[8]。相反,在成神經(jīng)瘤細胞誘導分化的研究中發(fā)現(xiàn),胞核內(nèi)的NF-κB信號傳導受抑制可抑制神經(jīng)分化[9]。在腦室下層神經(jīng)干細胞研究中發(fā)現(xiàn),骨形成蛋白可促進神經(jīng)干細胞向神經(jīng)元分化,骨形成蛋白信號介導的神經(jīng)干細胞分化具有劑量依賴性,而NF-κB可以正向調(diào)節(jié)骨形成蛋白[10],提示神經(jīng)干細胞向神經(jīng)元分化過程非常復雜,可能牽涉到多種細胞因子共同作用,但對NF-κB信號在MSCs向神經(jīng)元分化的機制了解較少。本研究采取小RNA干擾技術,轉(zhuǎn)染Rn-p65-siRNA,阻斷NF-κB信號通路,并采用法舒地爾誘導細胞分化,觀察細胞分化效率。本研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)染組MSCs誘導后細胞可高表達NSE、MAP-2,但表達 GFAP很少。結(jié)果表明阻斷NF-κB信號后,MSCs向神經(jīng)元分化效率顯著增高,而未轉(zhuǎn)染組及陰性對照組MSCs未觀察到此現(xiàn)象,因此,推測MSCs分化過程中也可能涉及多種轉(zhuǎn)錄因子作用,多個信號級聯(lián)反應,啟動MSCs分化方向,而其中抑制NF-κB信號可能更有利MSCs向神經(jīng)元方向分化,可能存在以下原因:(1)法舒地爾可能通過抑制Rho/ROCK通路,啟動間充質(zhì)干細胞分化進程,調(diào)節(jié)細胞骨架形成[11];阻斷NF-κB 信號,抑制細胞向膠質(zhì)細胞分化[8]。因此,聯(lián)合抑制 Rho/ROCK和NF-κB信號,可從不同信號級聯(lián)反應途徑促進MSCs向神經(jīng)元方向分化。(2)NF-κB信號與Rho/ROCK信號可能存在協(xié)同作用(cross-talk):1)本實驗中發(fā)現(xiàn)抑制NF-κB信號并沒有引起MSCs向神經(jīng)元樣細胞分化,但加入法舒地爾誘導后,MSCs可以向神經(jīng)元樣細胞高效分化;2)在小鼠單核巨噬細胞實驗中,顯示NF-κB與RhoA GTP酶存在協(xié)同作用[12];3)卵巢腫瘤細胞實驗中發(fā)現(xiàn)Rho激酶抑制劑可抑制NF-κB信號[13]。據(jù)此推測這兩條不同的信號途徑之間可能存在協(xié)同作用,通過抑制Rho/ROCK信號傳導,可能從旁側(cè)途徑調(diào)節(jié)NF-κB信號,從而更有利于MSCs向神經(jīng)元分化。
綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)NF-κB信號參與大鼠MSCs的增殖、凋亡及分化等生命活動,抑制p65基因轉(zhuǎn)錄,調(diào)節(jié)p65蛋白表達,阻斷NF-κB信號傳導,有利于提高MSCs向神經(jīng)元樣細胞分化效率。
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