霍芳芳,史 明,屈杜潔,郭生龍,郭向陽,劉士福,郝敏鋒,吳中亮*
(1第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,西安 710032;2榆林市榆陽區(qū)中醫(yī)院內(nèi)科;3西安市中心醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科;*通訊作者,E-mail:wuzhongl@fmmu.edu.cn)
睡眠不足或者睡眠質(zhì)量下降不但可以引起學(xué)習(xí)記憶受損和認(rèn)知功能下降[1,2],還可以對機體的血液循環(huán)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)等造成損傷[3]。大量研究證實,人體在沒有明顯感染或損傷表現(xiàn)時,急性或慢性睡眠剝奪可導(dǎo)致外周血白細(xì)胞計數(shù),C-反應(yīng)蛋白以及炎癥因子水平(IL-1β,IL-6,TNF-α)顯著升高[4,5]。此外,在動物實驗研究中發(fā)現(xiàn),睡眠缺乏可引起小鼠海馬和大腦皮層小膠質(zhì)細(xì)胞的激活,同時引起局部神經(jīng)炎癥反應(yīng),進(jìn)而加重神經(jīng)功能損傷[6]。下丘腦是睡眠調(diào)節(jié)的中樞,但睡眠剝奪對下丘腦小膠質(zhì)細(xì)胞和局部神經(jīng)炎癥的影響及其作用機制尚不明確。
組蛋白修飾是組蛋白在相關(guān)酶的作用下發(fā)生甲基化、乙?;⒘姿峄?、泛素化等修飾。常見的組蛋白乙?;揎椩贖3K9(H3N一端第9位賴氨酸)K14、K23等位點[7]。本實驗以組蛋白乙?;疕3N一端第9位賴氨酸位點(H3K9AC)為研究對象,組蛋白乙?;街饕山M蛋白去乙酰化酶(HDAC)和組蛋白乙?;D(zhuǎn)移酶(HAT)進(jìn)行調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn),組蛋白乙酰化修飾在免疫炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要的作用,SAHA是作用于HDAC的廣譜性抑制劑。通過抑制HDAC,提高組蛋白去乙酰化修飾水平,提高組蛋白乙?;揎椝娇梢詼p少神經(jīng)系統(tǒng)的炎性反應(yīng);抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的活化同時促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞向具有組織修復(fù)功能的M2表型轉(zhuǎn)變[8]。但睡眠剝奪后組蛋白乙?;揎椩谛∧z質(zhì)細(xì)胞功能調(diào)節(jié)中的作用尚未見報道。本實驗主要探討睡眠剝奪對大鼠下丘腦區(qū)小膠質(zhì)細(xì)胞的影響和組蛋白乙?;揎椀母淖?觀察提高組蛋白乙酰化修飾水平對小膠質(zhì)細(xì)胞活化和相關(guān)炎癥因子的影響。
雄性大鼠,二級清潔級(SPF)8-9周齡,生產(chǎn)許可證號:scxk(軍)2012-0007)45只,體質(zhì)量200-250 g,兔抗H3K9AC單克隆抗體和山羊抗Iba-1多克隆抗體購自英國Abcam公司,兔抗β-action多克隆抗體和HRP(辣根過氧化物酶)標(biāo)記山羊抗兔IgG購自北京康為世紀(jì)公司,Cy3標(biāo)記驢抗山羊購自美國Abbkine公司,異羥肟酸(SAHA)購自美國Selleck公司。
按照隨機數(shù)字表法將45只雄性Sprague Dawley大鼠隨機分為5組:對照組(control組,n=9)、睡眠剝奪3 d組(SD3組)、睡眠剝奪3 d+SAHA(SD3+SAHA組)、睡眠剝奪6 d組(SD6組)、睡眠剝奪6 d+SAHA(SD6+SAHA組),每組9只大鼠。對照組大鼠正?;\養(yǎng),SD3組大鼠睡眠剝奪3 d,SD6組大鼠睡眠剝奪6 d。異羥戊酸(SAHA)是一種組蛋白去乙?;敢种苿?通過抑制組蛋白去乙?;?提高組蛋白去乙?;揎椝?。將SAHA粉劑溶于二甲基亞砜(DMSO)中,對SD3+SAHA組與SD6+SAHA組分別以50 mg/(kg·d)從睡眠剝奪前一天開始連續(xù)腹腔注射,直至睡眠剝奪結(jié)束。對照組給予等體積DMSO。
采用國際公認(rèn)的改良多平臺睡眠剝奪法(modified multiple platform method,MMPM)建立睡眠剝奪模型[9]。制備大小為75.0 cm×40.0 cm×40.0 cm水箱,內(nèi)設(shè)8個高8.0 cm、直徑6.5 cm圓形平臺,平臺間距離為15.0 cm,水面低于平臺約1-2 cm,水溫保持20-24 ℃。大鼠可在各平臺間自由活動和采食飲水,當(dāng)大鼠睡眠進(jìn)入REM期時,大鼠由于肌肉松弛,張力消失,掉入水中,再次清醒,因此達(dá)到REM期睡眠剝奪。在造模前2 d大鼠置于盛水的平臺上適應(yīng)2 d,每天2 h,第3天開始對SD3組、SD6組大鼠進(jìn)行睡眠剝奪,造模時間每天光照從早9:00到晚9:00,以保證晝夜節(jié)律正常。SD3+SAHA組與SD6+SAHA組先籠養(yǎng)給藥(如SD3+SAHA組,睡眠剝奪前一天開始給藥,直至睡眠剝奪結(jié)束)。對照組大鼠籠養(yǎng)。
分別從各組中隨機取3只大鼠,用10%水合氯醛(3-5 mg/kg)腹腔注射麻醉大鼠,暴露心臟,用止血鉗夾起心臟,從心尖處將針頭插入主動脈,打開灌注器,剪開右心耳,以30 r/min灌注生理鹽水。當(dāng)右心耳流出的血液變清澈時,改用4%多聚甲醛溶液灌注300-400 ml,快速取出大鼠腦組織,多聚甲醛溶液4 ℃固定過夜。30%蔗糖溶液脫水,腦組織下沉。根據(jù)西北大學(xué)出版社出版的第1版《大鼠腦讀片提要及圖譜》(文獻(xiàn)號:ISBN 7-5604-0892-3/R 15)的圖譜,用德國(Leica)切片機切片,以厚度30 μm切下丘腦區(qū)域,放入凍存液中,-20 ℃冰箱儲存。
Iba-1是小膠質(zhì)細(xì)胞特異性的標(biāo)記分子,實驗通過Iba-1作為免疫熒光染色標(biāo)記小膠質(zhì)細(xì)胞,觀察小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)的變化,從而表明其是否活化。小膠質(zhì)細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時呈分枝狀,胞體小,分支較細(xì)長,而活化的小膠質(zhì)細(xì)胞胞體增大,分支變粗而短,呈現(xiàn)出典型的阿米巴樣狀態(tài)或還未達(dá)到典型阿米巴樣狀態(tài)的中間活化狀態(tài)[10]。
從-20 ℃的冰箱里分別取出各組大鼠下丘腦位置腦片,1×PBS(pH=7.4)洗3次,每次10 min,5%BSA封閉40-60 min,5%BSA稀釋一抗,山羊抗Iba-1(1 ∶500),4 ℃過夜。1 ∶5 000稀釋的Hochest稀釋二抗,Cy3標(biāo)記的驢抗山羊(1 ∶500)封閉,常溫避光孵育2 h,腦片鋪在載玻片上,甘油封片,德國(Leica)熒光顯微鏡觀察,每張片取3個不同視野,計數(shù)Iba-1的活化數(shù)目。
分別從各組中隨機取3只大鼠,用10%水合氯醛(3-5 mg/kg)腹腔注射麻醉,斷頭取腦組織,取下丘腦,加入700 μl裂解液,用勻漿研磨器研磨、離心,取上清液,測量蛋白濃度,-80 ℃保存?zhèn)溆谩H〕龅鞍捉M織,溶解后分別取60 μg,目的分子H3K9AC大小約17 kDa,內(nèi)參β-actin 42 kDa,用SDS-PAGE凝膠試劑盒配制10%的分離膠電泳,NC膜轉(zhuǎn)膜,5%脫脂牛奶封閉約1 h,分別孵育兔抗H3K9AC(1 ∶1 000)和兔抗β-actin(1 ∶2 000),4 ℃過夜,加山羊抗兔IgG(1 ∶1 000),室溫孵育約2 h,用化學(xué)發(fā)光試劑盒配置的發(fā)光液成像,并應(yīng)用Gel-Pro Application軟件檢測結(jié)果灰度值并記錄。
提取下丘腦組織總的RNA,紫外分光光度計測出RNA濃度和純度,純度檢測A260/280在1.8-2.0,按照逆轉(zhuǎn)錄試劑盒PrimeScript RT Master Mix的說明書合成cDNA。RT-PCR擴增反應(yīng)采用25 μl體系:分別向每個8聯(lián)管加入Taq(2×)酶Ⅱ 12.5 μl、上下引物各1 μl、dH2O 8.5 μl、cDNA模板2 μl,每個樣品設(shè)3個復(fù)孔。反應(yīng)條件是95 ℃ 30 s變性,95 ℃ 5 s、60 ℃ 30 s、72 ℃ 15 s 40個循環(huán)。β-actin作為內(nèi)參檢測實驗各組大鼠下丘腦的炎癥因子TNF-α、IL-6、NOS2、IL-10的mRNA的表達(dá)。引物由TaKara公司設(shè)計和合成,所用引物序列見表1。
表1RT-PCR的目的基因引物序列
Table1TargetgeneprimersequencesofrealtimePCR
目的基因 引物序列TNF-αF:5'-TCAGTTCCATGGCCCAGAC-3'R:5'-GTTGTCTTTGAGATCCATGCCATT-3'IL-6F:5'-ATTGTATGAACAGCGATGATGCAC-3'R:5'-CCAGGTAGAAACGGAACTCCAGA-3'NOS2F:5'-GTAGCGGGGCTTCAAGATAGGGAG-3'R:5'-CGGACGAGACGGATAGGCAGAGAT-3'IL-10F:5'-CCCTTTGCTATGGTGTCCTT-3'R:5'-TGGTTTCTCTTCCCAAGACC-3'β-actinF:5'-GGAGATTACTGCCCTGGCTCCTA-3'R:5'-GACTCATCGTACTCCTGCTTGCTG-3'
采用Graph Pad Prism 6.00軟件作圖,數(shù)據(jù)使用SPSS17.0統(tǒng)計分析,以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,組間差異分析采用單因素方差分析和LSD檢驗,當(dāng)P<0.05時,組間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
免疫熒光染色檢測小膠質(zhì)細(xì)胞活性細(xì)胞數(shù)(Iba-1),結(jié)果顯示大鼠下丘腦區(qū)小膠質(zhì)細(xì)胞廣泛表達(dá),應(yīng)用紅色熒光標(biāo)記。與control組相比,SD3組、SD6組大鼠下丘腦小膠質(zhì)細(xì)胞活性細(xì)胞數(shù)目明顯增多,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),而大鼠下丘腦小膠質(zhì)細(xì)胞活性細(xì)胞數(shù)目在SD3組與SD6組組間相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05);SD3+SAHA組與SD3組相比、SD6+SAHA組與SD6組相比,大鼠下丘腦中的小膠質(zhì)細(xì)胞活性數(shù)目降低,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),而SD3+SAHA組與SD6+SAHA組組間相比,小膠質(zhì)細(xì)胞活性數(shù)目差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,見圖1,2)。
Western blot檢測各實驗組大鼠下丘腦組織中組蛋白乙?;疕3N一端第9位賴氨酸位點(H3K9AC)水平表達(dá),結(jié)果顯示,與control組相比,SD3組、SD6組大鼠下丘腦中的H3K9AC明顯減少,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01),而大鼠下丘腦中的H3K9AC的表達(dá)在SD3組與SD6組間相比,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。SD3+SAHA組與SD3組相比、SD6+SAHA組與SD6組相比,大鼠下丘腦中的H3K9AC水平明顯提高,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。而大鼠下丘腦中的H3K9AC的表達(dá)在SD3+SAHA組與SD6+SAHA組進(jìn)行組間相比,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,見圖3)。
圖1 各實驗組大鼠下丘腦中小膠質(zhì)細(xì)胞Iba-1免疫熒光染色結(jié)果Figure 1 The activity of microglia in the rat hypothalamus by immunofluorescence
與control組比較,*P<0.05;與SD3組比較,△P<0.05;與SD6組比較,#P<0.05圖2 各實驗組大鼠下丘腦中小膠質(zhì)細(xì)胞的活性對比Figure 2 Comparison of activity of microglia in the rat hypothalamus among five groups
與control組相比,SD3組、SD6組大鼠下丘腦組織中炎癥因子TNF-α、IL-6、NOS2、IL-10的mRNA表達(dá)水平增加,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);SD3+SAHA組與SD3組相比,大鼠下丘腦組織中炎癥因子IL-6、NOS2表達(dá)減少,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);SD6+SAHA組與SD6組相比,大鼠下丘腦組織中炎癥因子TNF-α減少,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),IL-6、NOS2明顯減少,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01),IL-10作為抗炎因子增多,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05,見表2)。
與control組相比,**P<0.01;與SD3組比較,△P<0.05;與SD6組比較,#P<0.05圖3 大鼠下丘腦組蛋白H3K9乙?;降母淖僃igure 3 The changes of histone H3K9 acetylation levels in the hypothalamus of rats
表2各組炎癥因子mRNA水平在下丘腦的表達(dá)
Table2ExpressionofthelevelofinflammatoryfactormRNAinthehypothalamus
分組 TNF-α IL-6 NOS2 IL-10 Control組1 1 1 1 SD3組2.50±0.70#3.19±0.21#6.35±0.95#2.24±0.24#SD3+SAHA組1.43±0.421.49±0.51**2.39±0.48**2.40±0.59SD6組3.30±0.73#6.27±0.27#8.91±0.52#2.50±0.46#SD6+SAHA組1.77±0.41Δ2.89±0.39ΔΔ3.09±0.26ΔΔ4.90±0.80Δ
與對照組相比,#P<0.05,##P<0.01;與SD3組相比,*P<0.05,**P<0.01;與SD6組相比,ΔP<0.05,ΔΔP<0.01
睡眠不足或睡眠質(zhì)量下降是炎癥相關(guān)疾病的危險因素之一[11],如心血管疾病、免疫功能失調(diào)、代謝紊亂等[12-15]。盡管針對神經(jīng)元細(xì)胞在睡眠剝奪后腦部功能異常中的作用已有大量研究,作用機制仍不清楚,而非神經(jīng)元細(xì)胞在睡眠中的作用日益引起人們的重視。小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的固有吞噬細(xì)胞,它們在突觸發(fā)育及神經(jīng)損傷修復(fù)過程中均發(fā)揮著重要的作用[16,17]。研究顯示,在沒有明顯的感染及損傷情況下,急性和慢性睡眠剝奪可以引起小膠質(zhì)細(xì)胞的激活[18]。此外,下丘腦是調(diào)節(jié)睡眠-覺醒的中樞[19],同時與神經(jīng)垂體和腺垂體的內(nèi)分泌調(diào)節(jié)密切相關(guān)[20]?;蚺c環(huán)境相互作用的表觀遺傳學(xué)機制可能對睡眠和睡眠障礙的調(diào)控發(fā)揮重要作用[21]。目前側(cè)重于組蛋白乙?;揎棇ι镧姷幕虮磉_(dá)調(diào)控。組蛋白乙?;谀[瘤、炎性反應(yīng)、脂肪代謝等方面已取得廣泛研究,體內(nèi)組蛋白乙?;降淖兓山M蛋白乙酰化酶(HATs)和組蛋白去乙?;?HDACs)調(diào)節(jié),而后者在染色體結(jié)構(gòu)重塑及基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮著重要的作用[22]。那么睡眠剝奪對下丘腦部位的小膠質(zhì)細(xì)胞、組蛋白乙酰化水平有什么樣的作用?本實驗結(jié)果證實,大鼠睡眠剝奪后下丘腦部位的小膠質(zhì)細(xì)胞呈活化狀態(tài),主要表現(xiàn)為小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量的增多、細(xì)胞胞體增大以及分支變粗。同時,該部位促炎因子IL-6、TNF-α、NOS2的mRNA表達(dá)水平亦顯著提高。
研究發(fā)現(xiàn),HDAC抑制劑可以通過抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反應(yīng)進(jìn)而在神經(jīng)變性疾病,如Alzheimer’s,Huntington’s等疾病中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[23-25]。Patnala等[26]在小鼠腦缺血模型中發(fā)現(xiàn),HDAC抑制劑SB(sodium butyrate,SB)可以抑制缺血后的神經(jīng)炎癥反應(yīng),包括抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的激活、下調(diào)促炎因子IL-6、TNF-α、NOS2的表達(dá)并促進(jìn)抑炎因子IL-10/STAT3通路的激活。本研究結(jié)果顯示,睡眠剝奪后小膠質(zhì)細(xì)胞組蛋白乙?;疕3K9水平顯著降低,而注射HDAC抑制劑后(SAHA)乙?;教岣?同時活化的小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量顯著減少,細(xì)胞體積減小,通過應(yīng)用SAHA改變組蛋白乙?;瘯r,發(fā)現(xiàn)促炎性因子TNF-α、NOS2、IL-6表達(dá)減少,而抗炎因子IL-10表達(dá)增高,說明睡眠剝奪可能誘導(dǎo)IL-10/STAT3抗炎途徑下游的基因表達(dá),從而影響小膠質(zhì)細(xì)胞的表達(dá)。
小膠質(zhì)細(xì)胞活化至關(guān)重要的表觀遺傳學(xué)機制,可用于將小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞表型從神經(jīng)毒性轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)保護(hù)性,幫助神經(jīng)再生和在缺血性腦中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[27]。所以可認(rèn)為組蛋白乙酰化對小膠質(zhì)細(xì)胞起保護(hù)作用。也有實驗表明神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間相互影響[28],前期實驗證明,睡眠剝奪引起神經(jīng)元細(xì)胞顯著減少,而注射HDAC抑制劑(SAHA)可改善睡眠剝奪誘導(dǎo)減少的神經(jīng)元表達(dá)[29],而小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞的吞噬細(xì)胞,它們在突觸發(fā)育及神經(jīng)損傷修復(fù)過程中均發(fā)揮著重要的作用,所以進(jìn)一步證明組蛋白乙酰化對神經(jīng)有保護(hù)作用。
綜上所述,本研究顯示,睡眠剝奪可影響大鼠下丘腦區(qū)小膠質(zhì)細(xì)胞的活化和組蛋白乙?;揎?通過使用HDAC抑制劑SAHA提高組蛋白乙?;?可以明顯抑制大鼠睡眠剝奪后下丘腦小膠質(zhì)細(xì)胞的炎性反應(yīng),同時發(fā)揮重要的神經(jīng)保護(hù)作用。因此需要進(jìn)一步開展SAHA的臨床研究,可望使其成為保護(hù)神經(jīng)治療措施的一種新選擇,然而本研究的具體信號機制仍需進(jìn)一步深入探討。
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