周 晗, 楊文欣, 王華東, 胡巢鳳△
(1暨南大學基礎(chǔ)醫(yī)學院病理生理學系,國家中醫(yī)藥管理局病理生理學實驗室,廣東廣州510632;2佛山市禪城區(qū)中心醫(yī)院,廣東佛山528031)
自噬是一種存在于真核細胞中的保守、常見的代謝過程。在營養(yǎng)缺乏、損傷、高溫、低氧和氧化應(yīng)激等外界刺激以及病原體感染等情況下可誘導(dǎo)自噬[1]。細胞中單層或雙層膜包繞待降解物,從而形成分隔膜,當分隔膜延伸并完全包繞待降解物(如細胞器和蛋白質(zhì))則形成自噬體[2-5]。越來越多的研究表明,自噬在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中具有重要作用,并且與凋亡存在密切的聯(lián)系;但是,自噬在腫瘤中所起的作用及其與凋亡的確切關(guān)系仍存在較多的爭議。
受體相互作用蛋白2(receptor-interacting protein 2,Rip2)屬于Rip 家族成員,廣泛表達于人體組織(如心臟、腦組織、胎盤、肺、脾臟、胰腺、淋巴結(jié)等),定位于胞漿[6]。NOD 樣受體家族是胞質(zhì)蛋白,其主要成員NOD1 可識別革蘭陰性桿菌肽聚糖,通過與Rip2 結(jié)合誘導(dǎo)自噬和炎癥反應(yīng)的發(fā)生,Rip2 對于NOD1 誘導(dǎo)白細胞介素8(interleukin-8,IL-8)的產(chǎn)生和自噬體的形成是必不可少的,但未對其作用機制進行研究[7]。研究發(fā)現(xiàn),在腸上皮細胞中,NOD2可通過Rip2 的酪氨酸激酶活性激活p38 MAPK 信號通路,同時抑制蛋白磷酸酶發(fā)生磷酸化,誘導(dǎo)自噬的發(fā)生[8]。然而,一項關(guān)于克羅恩病的研究表明,NOD1 和NOD2 在細菌入侵細胞的位點募集自噬相關(guān)蛋白ATG16L1至細胞膜,誘發(fā)自噬,抑制炎癥因子的釋放,該過程卻沒有NF-κB和Rip2的參與[9]。
本課題組前期研究證實,Rip2可通過激活內(nèi)、外源性凋亡途徑誘導(dǎo)人胰腺癌Panc-1 細胞凋亡[10];Rip2 還能引起Panc-1 細胞自噬,其機制可能與抑制磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶 B(protein kinase B,PKB/Akt)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號通路的活化有關(guān)[11]。Rip2誘導(dǎo)的自噬和凋亡是否具有交互作用,有待進一步研究。因此,本研究主要探討Rip2 導(dǎo)致的Panc-1 細胞自噬和凋亡是否具有交互作用及其作用機制。
Panc-1 細胞由中山大學中山醫(yī)學院贈予。pEGFP-Rip2 質(zhì)粒由本實驗室前期構(gòu)建;jetPRIME 轉(zhuǎn)染試劑購自 Polyplus;抗 Rip2 抗體購自 Santa Cruz;抗LC3、beclin-1、mTOR、p-mTOR、Akt、p-Akt、Bax、Bcl-2、Fas、細胞色素c(cytochrome c,Cyt-c)和GAPDH抗體均購自Cell Signaling Technology;caspase-3、-8、-9活性檢測試劑盒購自BioVision;自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine,3-MA)購自大連美侖生物技術(shù)有限公司;凋亡抑制劑Z-VAD-FMK 購自Med-Chem Express。
2.1 自噬抑制劑3-MA 對Rip2 誘導(dǎo)Panc-1 細胞凋亡的影響
2.1.1 質(zhì)粒轉(zhuǎn)染 用jetPRIME 分別轉(zhuǎn)染pEGFP-C2空質(zhì)粒和pEGFP-Rip2 重組質(zhì)粒至Panc-1 細胞,6 h后更換新鮮的DMEM培養(yǎng)基,繼續(xù)培養(yǎng)42 h。
2.1.2 實驗分組 (1)對照組:僅培養(yǎng)細胞,不做任何處理;(2)pEGFP-C2 組:轉(zhuǎn)染pEGFP-C2 質(zhì)粒入細胞;(3)3-MA組:細胞培養(yǎng)6 h,加入含自噬抑制劑3-MA的DMEM 培養(yǎng)基培養(yǎng)細胞42 h;(4)pEGFP-Rip2組:轉(zhuǎn)染pEGFP-Rip2 重組質(zhì)粒至細胞;(5)pEGFPRip2+3-MA 組:轉(zhuǎn)染pEGFP-Rip2 重組質(zhì)粒至細胞6h,更換新鮮DMEM 培養(yǎng)基,同時加入3-MA,繼續(xù)培養(yǎng)42 h。實驗中所用的3-MA 劑量要求對細胞活力沒有顯著影響,且能抑制Rip2誘導(dǎo)的細胞自噬。
2.1.3 MTT 法檢測細胞活力 將細胞以每孔0.5×104的密度接種于96 孔板內(nèi),培養(yǎng)6 h,再分別加入不同濃度(0.25、0.5、1、2、4 和8 mmol/L)自噬抑制劑3-MA處理42 h,每組6個復(fù)孔。吸棄孔內(nèi)培養(yǎng)液,每孔加入 180μL 不含血清的 DMEM 培養(yǎng)基和 MTT 溶液20 μL,震蕩混勻后在細胞培養(yǎng)箱內(nèi)孵育4 h。去上清后,每孔加入DMSO 150 μL,37℃低速震蕩5 min,多功能酶標儀于490 nm 檢測各孔吸光度(absorbance,A),計算細胞活力。
2.1.4 流式細胞術(shù)檢測細胞凋亡率 將細胞以每孔3×105的密度接種于6 孔板內(nèi),對細胞進行相應(yīng)處理后,收集細胞,加 1× binding buffer 及 Annexin VPE,混勻后避光孵育15 min,然后再加入7-氨基放線菌素D(7-aminoactinomycin D,7-AAD),混勻后立即上機檢測。
2.1.5 Western blot 檢測蛋白表達 用胰酶消化并收集細胞。加入RIPA 裂解液和PMSF 蛋白酶抑制劑,提取細胞胞漿蛋白并檢測蛋白的濃度。分離蛋白,將蛋白轉(zhuǎn)移至硝酸纖維薄膜上,放置于封閉液中封閉1 h。加入Ⅰ抗,4℃孵育12~16 h,再加入Ⅱ抗,用GAPDH作為內(nèi)參照[10]。
2.1.6 caspase-8、-9、-3活性的檢測 首先收集細胞置于離心管內(nèi),每管細胞數(shù)量最好為(2~5)×106。用相應(yīng)的試劑盒,按照所需的劑量將2×Reaction Buffer和 DTT 以 100∶1 的體積比混合均勻;每管加入 50 μL冰上預(yù)冷的Cell Lysis Buffer 重懸細胞沉淀,冰上孵育10 min;10 000×g離心1 min;吸取上清液轉(zhuǎn)移至另一離心管內(nèi),每管吸取5 μL 細胞裂解液進行BCA蛋白定量;取 100~200 μg 蛋白和 50 μL Cell Lysis Buffer,混合后加入96孔板內(nèi);再加入50 μL 2× Reaction Buffer(含DTT),并分別加入 5 μL IETD-pNA、LEHD-pNA 和 DEVD-pNA(分別為 caspase-8、-9、-3的底物)。震蕩混勻后,置于細胞培養(yǎng)箱避光孵育2 h;用多功能酶標儀在405 nm 處測定各孔A值。將各組A值的平均值與對照組A值的平均值相比,根據(jù)蛋白濃度計算各組細胞樣品caspase-8、-9、-3的活性。
2.2 凋亡抑制劑Z-VAD-FMK對Rip2誘導(dǎo)Panc-1細胞自噬的影響
2.2.1 實驗分組 (1)對照組:僅培養(yǎng)細胞,不做任何處理;(2)pEGFP-C2 組:轉(zhuǎn)染pEGFP-C2 質(zhì)粒入細胞;(3)Z-VAD-FMK 組:細胞培養(yǎng) 6 h,加入含 caspases 抑制劑 Z-VAD-FMK 的 DMEM 完全培養(yǎng)基培養(yǎng)細胞 42 h;(4)pEGFP-Rip2 組:轉(zhuǎn)染 pEGFP-Rip2 重組質(zhì)粒至細胞;(5)pEGFP-Rip2+Z-VAD-FMK 組:將pEGFP-Rip2 質(zhì)粒轉(zhuǎn)染至細胞,6 h 后更換培養(yǎng)基,再加入Z-VAD-FMK 繼續(xù)培養(yǎng)42 h。實驗中所用的ZVAD-FMK 劑量要求對細胞活力沒有顯著影響,且能抑制Rip2誘導(dǎo)的細胞凋亡。
2.2.2 蛋白表達檢測 參見2.1.5。
2.2.3 透射電鏡觀察細胞內(nèi)自噬體的數(shù)量及形態(tài) 將細胞以每孔3×105的密度接種于6 孔板,具體方法見參考文獻[11]。
用SPSS 20.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析,數(shù)據(jù)用均數(shù)±標準差(mean±SD)表示。多組間均數(shù)比較用單因素方差分析,組間兩兩比較則采用Bonferroni法。以P<0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。
1.1 轉(zhuǎn)染pEGFP-Rip2質(zhì)粒后細胞Rip2蛋白表達的變化 Western blot 結(jié)果顯示,與對照組和pEGFP-C2組比較,pEGFP-Rip2 組細胞Rip2 蛋白表達顯著增加(P<0.01),見圖1。以上結(jié)果說明pEGFP-Rip2 質(zhì)粒被成功轉(zhuǎn)入細胞。
Figure 1.The protein level of Rip2 in Panc-1 cells.Mean±SD.n=3.**P<0.01 vs control group or pEGFP-C2 group.圖1 Panc-1細胞Rip2蛋白水平
1.2 MTT 法檢測不同劑量3-MA 對Panc-1細胞活力的影響 用不同濃度(0.25、0.5、1、2、4 和8 mmol/L)的自噬抑制劑3-MA 處理Panc-1細胞,MTT 法檢測結(jié)果顯示,與對照組相比,0.25、0.5、1 和 2 mmol/L 3-MA對細胞活力沒有顯著影響,而4和8 mmol/L 3-MA可顯著降低細胞活力(P<0.05,P<0.01),見圖2。我們在預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn),2 mmol/L 3-MA 可抑制過表達Rip2 導(dǎo)致的細胞自噬,因此確定后續(xù)實驗中所用3-MA 劑量為2 mmol/L,該劑量既不影響細胞活力,又可以抑制Rip2誘導(dǎo)的細胞自噬。
1.3 3 -MA 促進Rip2誘導(dǎo)的細胞凋亡 流式細胞術(shù)結(jié)果分析的散點圖中,Q2 區(qū)表示早期凋亡細胞,Q4區(qū)表示晚期凋亡細胞。流式細胞術(shù)結(jié)果顯示,與對照組和pEGFP-C2 組相比,pEGFP-Rip2 組細胞凋亡率顯著升高(P<0.05);而與 pEGFP-Rip2 組比較,pEGFP-Rip2+3-MA 組細胞凋亡率進一步升高(P<0.05),見圖3。
1.4 3 -MA 對過表達Rip2細胞凋亡相關(guān)蛋白表達的影響 pEGFP-Rip2 組細胞 Fas、Bax 及胞漿 Cyt-c 蛋白水平顯著高于對照組和pEGFP-C2組(P<0.05),而pEGFP-Rip2+3-MA 組細胞 Fas、Bax 蛋白及胞漿 Cyt-c蛋白水平進一步升高(P<0.05);此外,pEGFP-Rip2組細胞Bcl-2 蛋白水平顯著低于對照組和pEGFP-C2組(P<0.05),而 pEGFP-Rip2+3-MA 組細胞 Bcl-2 蛋白水平進一步下降(P<0.05),見圖4。
Figure 2.The effect of different doses of 3-MA on the viability of Panc-1 cells.Mean±SD. n=6.*P<0.05,**P<0.01 vs control group.圖2 不同劑量3-MA對Panc-1細胞活力的影響
Figure 3.The effect of 3-MA on the apoptosis of Panc-1 cells induced by Rip2.Mean±SD. n=3.*P<0.05,**P<0.01 vs control group or pEGFP-C2 group;#P<0.05 vs pEGFP-Rip2 group.圖3 3-MA對Rip2誘導(dǎo)的Panc-1細胞凋亡的影響
1.5 3 -MA 增強過表達 Rip2 細胞 caspase-8、-9、-3 的活性 pEGFP-Rip2 組細胞 caspase-8、-9、-3 的活性顯著高于對照組和pEGFP-C2 組(P<0.05);與pEGFPRip2 組比較,pEGFP-Rip2+3-MA 組細胞 caspase-8、-9、-3的活性進一步升高(P<0.05),見圖5。
Figure 4.The effect of 3-MA on the protein levels of Fas,Bax,Bcl-2 and cytoplasmic Cyt-c in the Panc-1 cells with Rip2 overexpression.Mean±SD. n=3.*P<0.05 vs control group or pEGFP-C2 group;#P<0.05 vs pEGFP-Rip2 group.圖4 3-MA對過表達Rip2的Panc-1細胞Fas、Bax、Bcl-2及胞漿Cyt-c蛋白水平的影響
Figure 5.The effect of 3-MA on caspase-8,-9 and -3 activity in the Panc-1 cells with Rip2 overexpression.Mean±SD. n=3. *P<0.05 vs control group and pEGFP-C2 group;#P<0.05 vs pEGFP-Rip2 group.圖5 3-MA對過表達Rip2的Panc-1細胞caspase-8、-9、-3活性的影響
2.1 MTT 法檢測不同劑量 Z-VAD-FMK 對 Panc-1 細胞活力的影響 用不同濃度(5、10、20 和40 μmol/L)的 caspases 抑制劑 Z-VAD-FMK 處理 Panc-1 細胞,MTT 法檢測細胞活力結(jié)果顯示,與對照組比較,5、10 和 20 μmol/L Z-VAD-FMK 對細胞活力沒有顯著的影響,而40 μmol/L Z-VAD-FMK 可顯著降低細胞活力(P<0.05),見圖6。我們在預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn),10 μmol/L Z-VAD-FMK 可抑制過表達Rip2 導(dǎo)致的細胞凋亡,因此選擇10 μmol/L 為后續(xù)實驗中Z-VADFMK的劑量。
2.2 Z-VAD-FMK 對過表達Rip2 細胞自噬相關(guān)蛋白表達的影響 Western blot結(jié)果顯示,pEGFP-Rip2組細胞beclin-1 和LC3-Ⅱ蛋白表達顯著多于對照組和pEGFP-C2組(P<0.01);與pEGFP-Rip2組比較,pEGFP-Rip2+Z-VAD-FMK 組細胞 beclin-1 和 LC3-Ⅱ蛋白表達水平進一步升高(P<0.01),見圖7。
Figure 6.The effect of different doses of Z-VAD-FMK on the viability of Panc-1 cells.Mean±SD. n=6.*P<0.05 vs control group.圖6 不同劑量Z-VAD-FMK對Panc-1細胞活力的影響
2.3 Z-VAD-FMK 對過表達Rip2 細胞內(nèi)自噬體數(shù)量的影響 pEGFP-Rip2 組細胞內(nèi)自噬體的數(shù)量顯著多于對照組和pEGFP-C2 組;pEGFP-Rip2+Z-VAD-FMK 組細胞內(nèi)自噬體數(shù)量則顯著多于pEGFP-Rip2組,見圖8。
Figure 7.The effect of Z-VAD-FMK on the protein expression levels of beclin-1 and LC3-Ⅱin the Panc-1 cells of different groups.Mean±SD. n=3.**P<0.01 vs control group or pEGFP-C2 group;##P<0.01 vs pEGFP-Rip2 group.圖7 Z-VAD-FMK對各組Panc-1細胞beclin-1和LC3-Ⅱ蛋白表達水平的影響
Figure 8.Changes of the autophagosomes in Panc-1 cells observed under transmission electron microscope(scale bar=2 μm).A:control group;B:pEGFP-C2 group;C:Z-VAD-FMK group;D:pEGFP-Rip2 group;E:pEGFP-Rip2+Z-VAD-FMK group.M:mitochondrion;N:nucleus.Arrows indicate autophagosomes.圖8 透射電鏡下觀察細胞自噬體的變化
2.4 Z-VAD-FMK抑制過表達Rip2細胞Akt 和mTOR 蛋白磷酸化 Western blot 結(jié)果顯示,與對照組和pEGFP-C2組相比,pEGFP-Rip2組細胞p-Akt和p-mTOR 蛋白水平顯著降低(P<0.01),而總 Akt 和mTOR 蛋白表達變化不顯著;與pEGFP-Rip2 組比較 ,pEGFP-Rip2+Z-VAD-FMK 組 細 胞 p-Akt 和 pmTOR 蛋白水平進一步下降(P<0.01,P<0.05),總Akt 和mTOR 蛋白表達則無顯著變化,見圖9。上述結(jié)果說明Z-VAD-FMK 可抑制過表達Rip2 細胞Akt和mTOR蛋白磷酸化。
目前普遍認為,細胞自噬的保護性和抑制性作用與多種因素相關(guān),并且具有組織特異性。保護性自噬可幫助腫瘤細胞逃避各種刺激因素所誘導(dǎo)的凋亡,而抑制性自噬可促進腫瘤細胞凋亡。因此,我們應(yīng)用3-MA抑制細胞自噬,觀察過表達Rip2誘導(dǎo)的細胞凋亡的變化情況;應(yīng)用caspases 抑制劑Z-VADFMK 抑制細胞凋亡,觀察過表達Rip2 誘導(dǎo)的細胞自噬的變化情況,從而探究自噬與凋亡的相互作用及其機制。
外源性途徑和內(nèi)源性途徑是介導(dǎo)細胞凋亡信號的2 條主要通路。在外源性凋亡途徑中,胞外的死亡配體結(jié)合于細胞表面的死亡受體,并使其活化,從而誘導(dǎo)凋亡的發(fā)生。例如,三聚體FasL與其受體Fas結(jié)合后,使Fas的死亡結(jié)構(gòu)域活化,募集接頭蛋白Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域蛋白(Fas-associated death domain protein,F(xiàn)ADD),F(xiàn)ADD 可引起 procaspase-8 自我剪切活化,進而啟動凋亡。內(nèi)源性凋亡通路是由線粒體損傷導(dǎo)致Cyt-c 釋放及caspases 活化的信號通路。當線粒體受損時,線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔開放,水分進入,大量Cyt-c 釋放進入胞漿,Cyt-c 作用于凋亡酶激活因子,使caspase-9 活化,從而激活caspase-3,導(dǎo)致凋亡[12-13]。Bcl-2 家族可調(diào)節(jié)線粒體外膜的完整性和通透性,參與調(diào)節(jié)線粒體凋亡通路,按其功能特點,可分為抗凋亡蛋白亞家族(Bcl-2、Bcl-xL 等)和促凋亡蛋白亞家族(Bax、Bak等)[14]。
Figure 9.The ratios of p-Akt/Akt and p-mTOR/mTOR in the Panc-1 cells of different groups.Mean±SD. n=3.**P<0.01 vs control group or pEGFP-C2 group;#P<0.05,##P<0.01 vs pEGFP-Rip2 group.圖9 各組Panc-1細胞p-Akt/Akt和p-mTOR/mTOR比值
本研究發(fā)現(xiàn),pEGFP-Rip2 組細胞凋亡率顯著高于對照組和 pEGFP-C2 組,而 pEGFP-Rip2+3-MA 細胞凋亡率進一步升高,說明抑制細胞自噬可促進Rip2 誘導(dǎo)的細胞凋亡。為了探究其作用機制,我們檢測了凋亡相關(guān)蛋白的表達水平,結(jié)果顯示,pEGFPRip2組細胞Fas、Bax 和胞漿Cyt-c蛋白水平顯著高于對照組和pEGFP-C2 組,Bcl-2 蛋白表達則顯著減少,而pEGFP-Rip2+3-MA組細胞Fas、Bax和胞漿Cyt-c蛋白水平進一步升高,Bcl-2 蛋白表達水平進一步下降。同時,檢測各組細胞caspase-8、9、-3 的活性,結(jié)果顯示,pEGFP-Rip2 組細胞caspase-8、-9、-3 的活性顯著高于對照組和pEGFP-C2 組,而pEGFP-Rip2+3-MA 組細胞 caspase-8、-9、-3 的活性進一步升高。以上結(jié)果證實,抑制細胞自噬可促進Rip2 誘導(dǎo)的細胞凋亡,其機制可能與進一步激活內(nèi)、外源性凋亡途徑有關(guān)。
眾所周知,自噬發(fā)生時beclin-1 蛋白表達通常會增多,這種蛋白是誘發(fā)細胞自噬的關(guān)鍵蛋白之一[15]。此外,LC3有LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ兩種形式,LC3-Ⅰ分布于胞漿中,Atg7 激活LC3-Ⅰ,使LC3-Ⅰ與磷脂酰乙醇胺結(jié)合而成為LC3-Ⅱ,LC3-Ⅱ定位于自噬體膜上,LC3-Ⅱ的表達水平可以在一定程度上反映自噬體的數(shù)量[16]。目前透射電鏡被認為是檢測自噬的金標準。本研究結(jié)果顯示,pEGFP-Rip2組細胞beclin-1和LC3-Ⅱ蛋白水平顯著高于對照組和pEGFP-C2 組;而pEGFP-Rip2+Z-VAD-FMK 組細胞 beclin-1 和 LC3-Ⅱ蛋白水平進一步升高。同時,在透射電鏡下觀察到,pEGFP-Rip2 組細胞內(nèi)自噬體的數(shù)量顯著增多;而pEGFP-Rip2+Z-VAD-FMK 組細胞內(nèi)自噬體數(shù)量較pEGFP-Rip2 組進一步增多。以上結(jié)果說明,用ZVAD-FMK 抑制細胞凋亡可促進Rip2 誘導(dǎo)的細胞自噬。
PI3K/Akt/mTOR 通路是目前唯一已知的自噬抑制信號通路。PI3K是一種廣泛存在于多種細胞中的脂質(zhì)激酶。在受到來自酪氨酸激酶等信號刺激后,PI3K 將磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,PIP2)轉(zhuǎn)化為磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate,PIP3),PI3K 可以與 Akt 的 N 端 PH 結(jié)構(gòu)域結(jié)合,在 3-磷酸肌醇依賴性激酶1(3-phosphoinositide-dependent kinase-1,PDK-1)的輔助下使Akt 活化。mTOR 是活化后的Akt 底物,活化的 Akt 可以使 mTOR 磷酸化,激活mTOR,從而抑制自噬[17-18]。本研究結(jié)果顯示,pEGFPRip2 組細胞p-Akt 和p-mTOR 蛋白水平顯著低于對照組和pEGFP-C2 組,而總Akt 和mTOR 蛋白表達變化卻不顯著;pEGFP-Rip2+Z-VAD-FMK組細胞p-Akt和p-mTOR 蛋白水平則進一步下降,但總mTOR 和Akt 蛋白表達未見顯著變化。以上結(jié)果說明,Z-VAD-FMK抑制凋亡可促進Rip2誘導(dǎo)的自噬,其作用機制可能與進一步抑制PI3K/Akt/mTOR 通路的活性有關(guān)。
綜上所述,在人胰腺癌細胞中,抑制自噬可增強Rip2誘導(dǎo)的細胞凋亡,同時進一步激活內(nèi)、外源性凋亡途徑;而抑制凋亡可促進Rip2誘導(dǎo)的細胞自噬,并進一步下調(diào)PI3K/Akt/mTOR 通路的活性。因此,本研究證實了Rip2誘導(dǎo)的細胞自噬和凋亡具有交互拮抗作用。這些結(jié)果為尋找治療胰腺癌的新靶點提供了實驗依據(jù)。