夏 瑾,秦國(guó)華,2*,桑 楠
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抗氧化劑對(duì)二氧化硫誘導(dǎo)的大鼠心臟線粒體損傷的緩解作用
夏 瑾1,秦國(guó)華1,2*,桑 楠1
(1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006;2.暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廣州市環(huán)境暴露與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510632)
采用Wistar大鼠作為模型進(jìn)行整體動(dòng)物染毒, SO2組動(dòng)式吸入SO2(7mg/m3) 28d,每天4h; SO2+NALC (N-乙酰半胱氨酸)組吸入同樣條件的SO2,且自SO2染毒之日起隔天腹腔注射50mg/kg b.w. NALC,對(duì)照組吸入新鮮空氣并注射生理鹽水.采用熒光定量PCR技術(shù)檢測(cè)心臟組織中氧化磷酸化復(fù)合體亞基CO1和ATP6以及核轉(zhuǎn)錄因子PGC1-α、NRF1、TFAM的mRNA轉(zhuǎn)錄水平;并采用Western blot技術(shù)檢測(cè)3種線粒體調(diào)控基因的蛋白表達(dá).結(jié)果發(fā)現(xiàn),在吸入SO2后,核轉(zhuǎn)錄因子PGC1-α、NRF1、TFAM的mRNA轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)水平顯著降低,并且2種亞基CO1和ATP6的mRNA轉(zhuǎn)錄水平也顯著下降,而抗氧化劑NALC處理能夠明顯緩解3種核轉(zhuǎn)錄因子及2種復(fù)合體亞基表達(dá)水平的下降.提示SO2暴露通過(guò)下調(diào)PGC1-α、NRF1、TFAM表達(dá)來(lái)影響線粒體DNA的轉(zhuǎn)錄,干擾氧化磷酸化重要組分的合成,該過(guò)程發(fā)生機(jī)制可能與自由基的產(chǎn)生相關(guān),而抗氧化劑的使用可有效緩解SO2誘導(dǎo)的心臟線粒體損傷作用.
SO2;抗氧化劑;線粒體;氧化磷酸化
作為一種主要的氣態(tài)大氣污染物, SO2可通過(guò)含硫化石燃料的燃燒、汽車(chē)尾氣的排放等形式進(jìn)入到環(huán)境中[1].SO2能夠迅速有效地被生物體上呼吸道吸收,隨后轉(zhuǎn)變?yōu)閬喠蛩猁}和亞硫酸氫鹽的衍生物,隨體液循環(huán)運(yùn)輸至外周器官[2].流行病學(xué)研究表明,SO2與日益升高的心血管疾病住院率之間存在明確的相關(guān)性,在誘發(fā)缺血性心臟疾病的過(guò)程中具有重要作用[3].動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,吸入SO2以后,心臟組織中亞硫酸鹽的含量顯著升高[4].實(shí)驗(yàn)室前期研究表明,SO2可誘導(dǎo)小鼠心臟和肺部發(fā)生氧化損傷[5].線粒體是暴露于SO2的小鼠心肌細(xì)胞中最敏感的細(xì)胞器[6].線粒體是氧化磷酸化的主要場(chǎng)所,而亞硫酸鹽的毒性與線粒體氧化磷酸化功能受損有關(guān)[7].研究證實(shí),吸入SO2后可在小鼠心肌層觀察到線粒體腫脹、嵴的減少和消失、心肌肌原纖維的紊亂[6].維持心臟的收縮需要較高且穩(wěn)定的ATP水平,而線粒體功能障礙則會(huì)對(duì)心肌產(chǎn)生極端不利的影響,有研究證明線粒體功能損傷與心衰相關(guān)[8].越來(lái)越多的研究表明線粒體功能障礙與心血管疾病密切相關(guān).本課題組研究發(fā)現(xiàn), SO2吸入會(huì)導(dǎo)致大鼠心臟氧化磷酸化復(fù)合體——細(xì)胞色素C氧化酶(復(fù)合體IV)和ATP合酶(復(fù)合體V)亞基的mRNA轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生改變[9].氧化磷酸化負(fù)責(zé)產(chǎn)生行使正常的細(xì)胞功能時(shí)所需的大部分ATP,氧化磷酸化過(guò)程受多種因子和生物過(guò)程如激素水平、供氧、轉(zhuǎn)錄因子等的調(diào)控,一些轉(zhuǎn)錄因子如轉(zhuǎn)錄輔激活物過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-γ輔助活化因子-1α(PGC-1α)、核呼吸因子1 (NRF1)、線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(TFAM)在細(xì)胞核-線粒體信息通訊過(guò)程中發(fā)揮重要作用[10-11].而SO2吸入會(huì)通過(guò)降低這些與線粒體氧化磷酸化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)來(lái)影響線粒體DNA的復(fù)制及轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而導(dǎo)致線粒體功能受損[9].
本研究通過(guò)測(cè)定大鼠心臟線粒體氧化磷酸化調(diào)控基因PGC1-α、NRF1和TFAM的mRNA轉(zhuǎn)錄水平和蛋白表達(dá)水平以及氧化磷酸化復(fù)合體的2種亞基CO1和ATP6的mRNA轉(zhuǎn)錄水平,來(lái)檢測(cè)抗氧化劑對(duì)SO2誘導(dǎo)的大鼠心臟線粒體損傷的改善效應(yīng).
NALC(N-乙酰半胱氨酸)購(gòu)自Sigma公司;提取總RNA時(shí)所用Trizol、反轉(zhuǎn)試劑盒以及熒光定量PCR試劑均購(gòu)自于Takara公司;引物合成由上海英濰捷基生物有限公司完成; anti-GAPDH抗體購(gòu)自Cell Signaling Technology; anti-PGC1-α、anti- NRF1、anti-TFAM抗體均購(gòu)自于Bioss公司;其余試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純.
體重200g左右的SPF級(jí)Wistar成年雄性大鼠21只,購(gòu)自河北實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,隨機(jī)分為3組,每組7只,分別為對(duì)照組、SO2組、SO2+NALC組. 12h晝夜周期,外界溫度為(24±2)℃,濕度為50%±5%,其中SO2組和SO2+NALC組暴露于7mg/m3的SO2中進(jìn)行動(dòng)式吸入染毒,對(duì)照組接受過(guò)濾后的潔凈空氣.每天染毒4h,持續(xù)染毒28d. SO2自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱體內(nèi)SO2濃度,染毒期間禁水禁食,其余時(shí)間自由進(jìn)水進(jìn)食. SO2+NA LC組自染毒之日起以腹腔注射的方式隔天注射50mg/kg (b.w.) NALC,對(duì)照組和SO2組注射生理鹽水.染毒結(jié)束后處死大鼠,組織放入液氮中速凍隨后轉(zhuǎn)入-80℃儲(chǔ)存.
取50~100mg大鼠心臟組織,用Trizol提取總RNA,甲醛變性瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)RNA完整性,確保OD260/280值處于1.8~2.0范圍內(nèi),取1μg總RNA,使用反轉(zhuǎn)試劑盒合成cDNA,將產(chǎn)物放置于-80 ℃?zhèn)溆? IQ5Real-Time PCR系統(tǒng)(Bio-Rad,USA)進(jìn)行擴(kuò)增,熒光定量PCR所用的引物序列見(jiàn)表1. PCR反應(yīng)體積為20μL,其中含有1μL cDNA,10μL SYBR Premix Ex Taq,上下游引物各1μL, H2O 7μL.反應(yīng)條件為:95℃ 3min, 95℃ 20s, 55℃ 20s, 72℃ 20s,所有PCR擴(kuò)增片段的大小均已經(jīng)溴化乙啶染色的瓊脂糖凝膠電泳證實(shí).
表1 熒光定量PCR所用引物序列
取大鼠心臟組織50~80mg,加入1mL裂解緩沖液,成分為:1%乙基苯基聚乙二醇(Nonidet P40), 1mmol/L乙二胺四乙酸(EDTA), 125mmol/L氟化鈉(sodium fluoride), 0.5mmol/L釩酸鈉(sodium vanadate), 2.5μg/mL抑肽酶(aprotinin), 5μg/mL胃蛋白酶抑制劑(pepstatin), 50μg/mL亮抑酶酞(leupeptin), 25μmol/L苯甲基磺酰氟(PMSF), 25μg/mL胰蛋白酶抑制劑(trypsin inhibitor).勻漿至無(wú)組織塊后, 4℃, 13000r/min離心15min,取上清.以BSA作為標(biāo)準(zhǔn)蛋白,考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定蛋白質(zhì)濃度, -80℃?zhèn)溆?Western blot檢測(cè)目的蛋白表達(dá)水平: 50μg蛋白上樣量,加蛋白上樣緩沖液,聚丙烯酰胺凝膠電泳分離蛋白,將蛋白電轉(zhuǎn)至硝酸纖維素膜上,封閉,加對(duì)應(yīng)的一抗與目的蛋白特異性結(jié)合,4℃孵育過(guò)夜,清洗一抗,加熒光二抗與一抗結(jié)合,清洗二抗, LI-COR Odyssey紅外熒光系統(tǒng)掃描檢測(cè),結(jié)果表示為目的蛋白與GAPDH蛋白的灰度比值.
用SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SE)的形式表示,用two-way ANOVA及事后LSD檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)SO2組與對(duì)照組、SO2組與SO2+NALC組之間的差異顯著性.<0.05認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性差異.
圖1 SO2暴露對(duì)大鼠心臟組織中CO1和ATP6mRNA轉(zhuǎn)錄水平的影響
與對(duì)照組相比:*<0.05,**<0.01;與SO2組相比:#<0.01,##<0.001
由圖1可知, SO2吸入后,大鼠心臟組織中ATP6和CO1的mRNA轉(zhuǎn)錄水平分別為對(duì)照組的0.59倍和0.72倍,與對(duì)照組相比顯著下降,而SO2+NALC組ATP6和CO1的mRNA轉(zhuǎn)錄水平均恢復(fù)至對(duì)照組的1.19倍,表明NALC能夠顯著恢復(fù)ATP6和CO1的mRNA轉(zhuǎn)錄水平.
由圖2可知, SO2吸入后大鼠心臟組織中PGC1-α、NRF1和TFAM mRNA轉(zhuǎn)錄水平分別為對(duì)照組的0.68倍、0.71倍和0.74倍,顯著低于對(duì)照組水平,而SO2+NALC組PGC1-α、NRF1和TFAM的mRNA轉(zhuǎn)錄水平分別恢復(fù)至對(duì)照組的0.98倍、1.01倍和0.99倍,表明NALC能夠顯著且有效地恢復(fù)PGC1-α、NRF1和TFAM的mRNA轉(zhuǎn)錄至對(duì)照組水平.
圖2 SO2暴露對(duì)大鼠心臟組織中PGC1-α、NRF1和TFAM mRNA轉(zhuǎn)錄水平的影響
與對(duì)照組相比:*<0.05;與SO2組相比:#<0.05,##<0.01
與對(duì)照組相比:*<0.01,**<0.001;與SO2組相比:#<0.05,###<0.001
由圖3可知, SO2吸入后,大鼠心臟組織中PGC1-α、NRF1和TFAM蛋白表達(dá)水平分別為對(duì)照組的0.53倍、0.36倍和0.68倍,與對(duì)照組相比下降極其顯著,而SO2+NALC組PGC1-α、NRF1和TFAM的蛋白表達(dá)水平分別恢復(fù)至對(duì)照組的0.71倍、0.79倍和0.70倍,分別升高了34%、119%和2.9%,表明NALC能夠非常顯著地恢復(fù)PGC1-α和NRF1的蛋白表達(dá)水平,并一定程度上提高了TFAM的蛋白表達(dá)水平.
如表2所示,SO2處理顯著影響各目的基因的mRNA轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)水平,NALC處理除了對(duì)TFAM的蛋白表達(dá)水平的影響無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,對(duì)其他目的基因的mRNA轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)水平均影響顯著.
近年來(lái),流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn),空氣污染物如SO2、PM2.5等與心血管疾病發(fā)病率和死亡率的升高密切相關(guān)[12].其中SO2作為一種全身性毒物[13-15],其對(duì)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損傷已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注.實(shí)驗(yàn)室前期研究表明,SO2可引起小鼠幾種組織器官(包括心臟)超微結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的改變,在不同的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中,線粒體受損傷最為嚴(yán)重[6].線粒體是真核細(xì)胞產(chǎn)生能量的主要場(chǎng)所,其代謝產(chǎn)生的能量是機(jī)體內(nèi)能量的主要來(lái)源.心臟作為機(jī)體消耗能量最大的器官,心肌細(xì)胞活動(dòng)對(duì)線粒體高度依賴(lài),與其他肌細(xì)胞相比,心肌細(xì)胞所含線粒體更為豐富.線粒體大約構(gòu)成了心肌細(xì)胞總胞漿量的1/3,主要依靠線粒體氧化磷酸化來(lái)獲取能量.線粒體氧化磷酸化主要成分受核DNA (nDNA)和線粒體DNA (mtDNA)的雙重控制. TFAM是一個(gè)由核基因編碼的蛋白,可調(diào)節(jié)線粒體DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄[16-17],而NRF1能活化TFAM的表達(dá)[10,18]. PGC1-α作為一個(gè)重要的輔激活因子,能誘導(dǎo)NRF1表達(dá),與NRF1結(jié)合后共同作用于TFAM的啟動(dòng)子區(qū),調(diào)節(jié)線粒體基因組的轉(zhuǎn)錄與復(fù)制[19].細(xì)胞色素C氧化酶由13個(gè)亞基組成,其中最大的3個(gè)亞基CO1、CO2、CO3是由mtDNA編碼[20]. ATP合酶由12個(gè)多肽組成,其中ATP6和ATP8由mtDNA編碼[21].與細(xì)胞的nDNA相比,mtDNA是母系遺傳,沒(méi)有組蛋白保護(hù),呈裸露狀態(tài),又缺乏有效的修復(fù)系統(tǒng),而且為不對(duì)稱(chēng)復(fù)制,復(fù)制頻率和次數(shù)高,因此mtDNA更易受損傷.而CO1和ATP6作為mtDNA編碼的與線粒體能量代謝相關(guān)基因也更易受到SO2影響.
表2 雙因素?zé)o重復(fù)實(shí)驗(yàn)方差分析
注:雙因素方差分析F值如表所示,分子自由度均為1,熒光定量PCR結(jié)果的分母自由度為18,蛋白免疫印記結(jié)果的分母自由度為6;*<0.05,**<0.01, ***<0.01.
本研究選取7mg/m3作為SO2整體動(dòng)物染毒濃度,出于以下兩點(diǎn)考慮:首先,美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所推薦的職業(yè)工作環(huán)境中SO2濃度為0.5~ 20.0mg/m3[22].其次,在本研究中動(dòng)物每天暴露于SO2的時(shí)間為4h,但實(shí)際情況下人或動(dòng)物則是每天24h暴露于污染的大氣中.因此,本研究使用的7mg/m3高于人類(lèi)嗅覺(jué)閾值,與職業(yè)工作環(huán)境的濃度相一致[23].
在本研究中,吸入SO2后顯著降低了大鼠心臟組織中3種調(diào)控基因PGC1-α、NRF1和TFAM的轉(zhuǎn)錄和翻譯水平,并且由mtDNA編碼的CO1和ATP6的mRNA水平也發(fā)生了顯著下降,實(shí)驗(yàn)室前期研究表明吸入SO2可顯著降低大鼠心臟組織線粒體中的ATP含量[24].上述結(jié)果提示SO2可能通過(guò)下調(diào)PGC1-α、NRF1和TFAM 3種核轉(zhuǎn)錄因子,影響線粒體DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄,下調(diào)線粒體DNA編碼的呼吸鏈復(fù)合體亞基的表達(dá)水平,干擾線粒體的生物合成,影響氧化磷酸化.由于維持心臟收縮功能需要較高水平的ATP,因此一旦發(fā)生線粒體功能障礙將會(huì)對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)生極其不利的影響.研究表明發(fā)生充血性心力衰竭的心肌細(xì)胞中線粒體基因轉(zhuǎn)錄水平低,PGC1-α、NRF1和TFAM表達(dá)水平下調(diào)[10].因此推測(cè)SO2所引起的人群中缺血性心臟病、心力衰竭等心血管疾病的發(fā)生可能是通過(guò)線粒體電子傳遞鏈上重要組分來(lái)影響線粒體的呼吸作用及能量代謝,繼而對(duì)心臟功能產(chǎn)生不利影響.
已有研究表明, SO2急性暴露導(dǎo)致小鼠心臟組織中氧化應(yīng)激水平升高[5],并且在受到亞硫酸鹽刺激的人中性粒細(xì)胞中能夠檢測(cè)到?SO3–, ?SO4–, ?OOH, ?OH自由基的存在[25].最近有研究顯示,無(wú)論過(guò)氧化氫存在與否,線粒體亞血紅素蛋白細(xì)胞色素C均能夠?qū)喠蛩猁}氧化為亞硫酸鹽自由基[26].而亞硫酸鹽自由基是一種強(qiáng)效氧化劑,能夠氧化或破壞任何一種生物分子,所以亞硫酸鹽自由基可能與SO2導(dǎo)致的線粒體損傷有關(guān).因此,在本研究中加入了抗氧化劑NALC,同時(shí)也是一種自由基清除劑.有報(bào)道指出,腹腔注射50mg/kg b.w. NALC時(shí)能有效抑制四氯化碳及硫代乙酰胺誘導(dǎo)的大鼠肝臟纖維化及肝損傷[27],所以在本研究中采用了相同的NALC劑量.結(jié)果表明, NALC處理可顯著提高PGC1-α、NRF1和TFAM 3種調(diào)控基因的mRNA轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)水平,同時(shí)顯著增加了2種氧化磷酸化復(fù)合體亞基CO1和ATP6的mRNA轉(zhuǎn)錄水平.前期研究發(fā)現(xiàn), NALC處理可顯著降低SO2對(duì)心肌細(xì)胞內(nèi)ROS所產(chǎn)生的誘導(dǎo)作用[28].這一結(jié)果提示SO2對(duì)線粒體產(chǎn)生損傷可能是通過(guò)誘導(dǎo)自由基的產(chǎn)生,影響PGC1-α、NRF1和TFAM等的轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而抑制線粒體電子傳遞鏈重要組分的合成,而NALC能夠通過(guò)清除ROS來(lái)有效抑制這種現(xiàn)象.
線粒體是產(chǎn)生ROS的主要細(xì)胞器,低氧水平(比如缺血)會(huì)降低呼吸鏈的效率,導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生[29].研究表明,呼吸鏈產(chǎn)生的ROS參與了體細(xì)胞mtDNA損傷的過(guò)程[30].其他研究發(fā)現(xiàn), As2O3能夠誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生導(dǎo)致小鼠卵母細(xì)胞mtDNA損傷[31].在本研究中,吸入SO2導(dǎo)致mtDNA編碼的氧化磷酸化復(fù)合體亞基CO1和ATP6的mRNA轉(zhuǎn)錄水平明顯降低,而SO2+NALC處理組mtDNA編碼亞基的mRNA水平顯著升高,提示吸入SO2引起的mtDNA損傷可通過(guò)抑制ROS產(chǎn)生來(lái)得到有效緩解.研究發(fā)現(xiàn)一些細(xì)胞因子諸如TNF-α和TGF-β能夠降低PGC1-α及其下游靶基因的mRNA表達(dá)水平[32-33],但越來(lái)越多的證據(jù)表明MAPK、ERK1/2信號(hào)通路在PGC1-α調(diào)節(jié)線粒體功能過(guò)程中發(fā)揮重要作用[34,35],然而具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究證實(shí).
4.1 吸入SO2引起大鼠心臟組織PGC1-α、NRF1和TFAM 3種調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯水平顯著降低.
4.2 吸入SO2引起大鼠心臟組織氧化磷酸化復(fù)合體亞基CO1和ATP6的mRNA轉(zhuǎn)錄水平顯著降低.
4.3 抗氧化劑NALC能夠顯著緩解SO2引起的線粒體能量代謝相關(guān)基因表達(dá)水平的下降,提示該過(guò)程可能與自由基的產(chǎn)生相關(guān).
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Antioxidants alleviated sulfur dioxide-induced mitochondrial damage in rat hearts.
XIA Jin1, QIN Guo-hua1,2*, SANG Nan1
(1.College of Environmental Science and Resources, Shanxi University, Taiyuan 030006, China;2.Guangzhou Key Laboratory of Environmental Exposure and Health, School of Environment, Jinan University, Guangzhou 510632, China)., 2018,38(8):3129~3134
Male Wistar rats were exposed to SO2(7mg /m3) for 28 days, 4 hours per day in SO2group. Rats in SO2+NALC group were exposed to SO2and NALC (50mg/kg b.w., i.p.) every other day, which was dissolved in saline. Rats in control group were exposed to filtered air and saline. The mRNA levels of complexes IV and V subunits (CO1&ATP6) and three mitochondrial transcript factors (PGC1-α, NRF1, TFAM) were analyzed by real-time RT-PCR after exposure. And the protein levels of the above three mitochondrial transcript factors were detected by Western blot. The results showed thatthe mRNA and protein expression levels of PGC1-α, NRF1and TFAM were decreased significantly after SO2inhalation, combined with the down-regulations of CO1&ATP6 on mRNA levels. But NALC could alleviate the depressions of these genes. It indicated that SO2exposure could impact the transcription of mitochondria DNA through PGC1-α-NRF1-TFAM down-regulation, interfere the synthesis of important components of oxidative phosphorylation. The mechanism might be related to the production of free radicals. Antioxidants could be used to alleviate sulfur dioxide-induced mitochondrial damage in rat hearts.
SO2;antioxidants;mitochondria;oxidative phosphorylation
X503.22
A
1000-6923(2018)08-3129-06
夏 瑾(1993-),女,河南民權(quán)人,山西大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境毒理學(xué).
2018-01-06
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21777091);廣州市環(huán)境暴露與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(GZKLEEH201612);環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(KF2016-17)
* 責(zé)任作者, 教授, qinguojua@sxu.edu.cn