王 蕾 孫智峰 彭成璐 丁紅研 王 志 李思婷 王承智 李 玉 王希春 吳金節(jié)
(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院,合肥230061)
大豆貯藏蛋白主要由球蛋白組成,球蛋白按沉淀系數(shù)分為2S、7S、11S和15S 4種主要類型。11S球蛋白是大豆球蛋白的主要成分之一,其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)占大豆籽實總蛋白的19.5%~23.1%和總球蛋白的40.0%,易引起幼齡動物免疫球蛋白E(IgE)型過敏反應(yīng)[1]。11S球蛋白含有5個亞基,約20 ku的堿性多肽和約40 ku的酸性多肽(由二硫鍵相連)組成每個亞基的結(jié)構(gòu)。根據(jù)蛋白質(zhì)在動物腸道中的吸收規(guī)律,大豆球蛋白主要吸收部位在小腸,小部分見于胃和大腸中[2-3]。11S球蛋白經(jīng)幼齡動物采食進(jìn)入腸道后,腸道出現(xiàn)明顯炎癥浸潤,誘導(dǎo)腸黏膜細(xì)胞凋亡,使小腸通透性升高,損壞腸黏膜屏障[4]。腸上皮對環(huán)境起著動態(tài)屏障的作用,整合了多種信號,包括來自代謝物、共生微生物區(qū)系、免疫反應(yīng)和衰老應(yīng)激源的信號。腸上皮細(xì)胞通過不斷地增殖更新來替換受損的細(xì)胞,以維持腸道上皮的正常屏障功能。
仔豬小腸上皮細(xì)胞(IPEC-J2細(xì)胞)處于小腸第1層,保存了大部分細(xì)胞的原有上皮特性,在構(gòu)成完整的管腔環(huán)境過程中發(fā)揮重要作用。體外研究表明,11S球蛋白降低IPEC-J2細(xì)胞的跨膜電阻值,提高細(xì)胞通透性,抑制細(xì)胞增殖,誘導(dǎo)腸細(xì)胞損傷凋亡[5]。本課題組前期研究證實,11S球蛋白分別通過核因子-κB(NF-κB)、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)、c-Jun N端激酶(JNK)和p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)信號通路引起IPEC-J2細(xì)胞損傷和凋亡[6-7]。p38 MAPK抑制劑SB202190與腺嘌呤核苷三磷酸競爭抑制p38 MAPK活性,降低腫瘤壞死因子-α(TNF-α)含量[8]。JNK抑制劑SP600125可以抑制JNKmRNA的表達(dá)[9]。二硫氨基甲酸肽吡咯烷(PDTC)是NF-κB的一種強(qiáng)效抑制劑,它既能抵抗自由基的毒性作用,也能抑制促炎性細(xì)胞因子的生成[10]。Nω-硝基-L-精氨酸甲酯(L-NAME)是一種非特異性的一氧化氮合酶(NOS)抑制劑,能同時抑制神經(jīng)元型一氧化氮合酶(nNOS)、內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)和iNOS的表達(dá)[11]。本試驗在前期研究的基礎(chǔ)上,構(gòu)建IPEC-J2細(xì)胞體外模型,測定NF-κB、iNOS、JNK和p38 MAPK分別在各自抑制劑作用下,IPEC-J2細(xì)胞活性以及相關(guān)炎性因子含量和蛋白表達(dá)水平,并在透射電鏡下觀察IPEC-J2細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)的完整性,分析11S球蛋白通過JNK、p38 MAPK、NF-κB和iNOS信號通路誘導(dǎo)IPEC-J2細(xì)胞損傷的差異,為11S球蛋白引起IPEC-J2細(xì)胞損傷的分子機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。
11S球蛋白購自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,并進(jìn)一步提純至91.8%。IPEC-J2細(xì)胞購自武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院細(xì)胞庫,RPMI 1640培養(yǎng)基由美國Thermo公司提供,BCA蛋白濃度測定試劑盒購自Biosharp公司,β-肌動蛋白(β-actin)由愛必信(上海)生物科技有限公司提供,HPR辣根酶標(biāo)記山羊抗兔免疫球蛋白G(IgG)二抗和山羊抗鼠二抗購自Biosharp公司,PDTC、L-NAME、SP600125和SB202190購自碧云天生物技術(shù)公司。一氧化氮(NO)、TNF-α、干擾素-γ(INF-γ)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)和白細(xì)胞介素-10(IL-10)酶聯(lián)免疫吸附測定(ELISA)試劑盒購自南京建成生物工程研究所。
將對數(shù)生長期中的IPEC-J2細(xì)胞,按照1×105個/mL的密度接種在6孔細(xì)胞板后,置于37 ℃、5% CO2恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h貼壁后,隨機(jī)分為6組:A組(對照組)無添加,B組添加5 mg/mL的11S球蛋白,C組添加5 mg/mL的11S球蛋白+1 μmol/L的PDTC,D組添加5 mg/mL的11S球蛋白+1 μmol/L的L-NAME,E組添加5 mg/mL的11S球蛋白+1 μmol/L的SP600125,F(xiàn)組添加5 mg/mL的11S球蛋白+1 μmol/L的SB202190,每組設(shè)置3個重復(fù)。
按照5 000個/孔的密度將對數(shù)生長期中的IPEC-J2細(xì)胞懸液(100 μL/孔)接種在96孔板中,細(xì)胞貼壁后,按照試驗設(shè)計分別添加11S球蛋白和抑制劑,培養(yǎng)24 h后,每孔加入10 μL的CCK-8溶液,在細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)繼續(xù)孵育至出現(xiàn)明顯的顏色反應(yīng)。用酶標(biāo)儀測定450 nm處的光密度(optical density,OD)值,檢測細(xì)胞活性。
按照試驗設(shè)計,將各組細(xì)胞培養(yǎng)24 h后,收集細(xì)胞,1 000 r/min離心5 min,磷酸鹽緩沖液(PBS)洗滌3次。隨后在每組樣品中加入500 μL含0.1%聚乙二醇辛基苯基醚(TritonX-100)的0.1 mol/L Tris-HCl(pH=7.4),超聲裂解各組樣品(冰水中)。收集細(xì)胞裂解液,1 000 r/min離心10 min后,吸取上清液,依據(jù)ELISA試劑盒說明進(jìn)行試驗,檢測NO、TNF-α、INF-γ和IL-10含量。
按照試驗分組與設(shè)計,培養(yǎng)24 h后,收集細(xì)胞,制作切片。依次將切片放入二甲苯Ⅰ 10 min,二甲苯Ⅱ 10 min,無水乙醇Ⅰ3 min,無水乙醇Ⅱ 3 min,乙醇Ⅰ(95%) 3 min,乙醇Ⅱ(95%) 3 min,乙醇(80%)3 min,蒸餾水1 min。切片放入蘇木素染液中染色細(xì)胞核1~3 min,切片放入伊紅染液中染色細(xì)胞質(zhì)1~3 min,流水清洗后脫水封片,顯微鏡鏡檢,分析圖像。
按照試驗設(shè)計,將各組細(xì)胞培養(yǎng)24 h后,收集細(xì)胞,1 000 r/min離心5 min,棄上清液,每管加入1 mL的4%多聚甲醛4 ℃下固定12 h后,PBS洗滌3次(4 ℃、5 000 r/min、15 min)之后用2%鋨酸滲透酸固定4 h。PBS緩沖液沖洗后,用30%~100%酒精梯度脫水,滲透包埋,切割超薄切片染色,在JEM-1230透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)下拍攝圖片。
表1 基因引物參數(shù)
按照試驗設(shè)計,將各組細(xì)胞培養(yǎng)24 h后,收集細(xì)胞,將IPEC-J2細(xì)胞進(jìn)行Western Blot印跡處理。每個十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)(12%)泳道加入20 μg的總蛋白電泳并轉(zhuǎn)移至聚偏二氟乙烯(PVDF)膜上。PVDF膜4 ℃下與一抗孵育過夜后用TBST緩沖液清洗3次,進(jìn)行二抗孵育。洗膜3次,放入凝膠成像系統(tǒng)顯影拍攝。
試驗數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用SPSS 17.0軟件的ANOVA程序進(jìn)行方差分析,LSD法進(jìn)行顯著性比較,P<0.05表示差異顯著,P<0.01表示差異極顯著。使用Graph Pad Prism 7.0軟件繪制柱狀圖,使用Quantity One軟件分析Western blot結(jié)果。
如圖1所示,與A組相比,B組細(xì)胞活性極顯著下降(P<0.01)。與B組相比,分別添加1 μmol/L的PDTC、L-NAME、SP600125和SB202190后,C、D、E和F組細(xì)胞活性極顯著上升(P<0.01)。C組細(xì)胞活性顯著高于D、E和F組(P<0.05)。
不同組別之間,數(shù)據(jù)點標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01),相同或無字母表示差異不顯著(P>0.05)。
如圖2所示,與A組相比,B組NO、TNF-α和INF-γ含量均極顯著升高(P<0.01)。與B組相比,C、D、E和F組NO、TNF-α和INF-γ含量均極顯著降低(P<0.01)。與A組相比,B組IL-10含量極顯著降低(P<0.01)。與B組相比,C、D、E和F組IL-10含量極顯著升高(P<0.01)。
HE染色圖像如圖3所示,A組的細(xì)胞膜完整,核仁飽滿;B組的細(xì)胞腫脹或破裂,細(xì)胞外形結(jié)構(gòu)異形,核仁皺縮。與B組相比,C、D、E和F組的細(xì)胞損傷情況明顯減輕,細(xì)胞外形及細(xì)胞膜相對完整;與D、E和F組相比,C組的細(xì)胞形態(tài)及細(xì)胞膜更加規(guī)則完整,核仁皺縮現(xiàn)象明顯改善。
如圖4所示,A組的細(xì)胞外形結(jié)構(gòu)及細(xì)胞器形態(tài)完整,胞漿致密,核染色質(zhì)分布均勻;B組的細(xì)胞核周圍出現(xiàn)空泡,細(xì)胞漿減少,細(xì)胞核增大異形、邊界不整齊,核層退化,染色質(zhì)皺縮,細(xì)胞質(zhì)凝結(jié)。分別添加1 μmol/L的PDTC、L-NAME、SP600125和SB202190后,C、D、E和F組的細(xì)胞結(jié)構(gòu)趨于完整且細(xì)胞質(zhì)空泡化減少;與D、E和F組相比,C組細(xì)胞膜形態(tài)更加規(guī)則完整,細(xì)胞漿增多,細(xì)胞核大小正常、形態(tài)規(guī)則,染色質(zhì)分布更加致密均勻。
如圖5所示,與A組相比,B組的NF-κB、iNOS、JNK和p38MAPKmRNA相對表達(dá)量極顯著升高(P<0.01)。與B組相比,分別添加1 μmol/L的PDTC、L-NAME、SP600125和SB202190后,C和F組的NF-κB、iNOS、JNK和p38MAPKmRNA相對表達(dá)量顯著或極顯著下降(P<0.05或P<0.01),D組的NF-κB、iNOS和JNKmRNA相對表達(dá)量極顯著下降(P<0.01),E組的NF-κB、JNK和p38MAPKmRNA相對表達(dá)量顯著或極顯著下降(P<0.05或P<0.01)。
如圖6所示,與A組相比,B組的NF-κB、iNOS、JNK和p38 MAPK蛋白表達(dá)水平極顯著升高(P<0.01)。與B組相比,分別添加1 μmol/L的PDTC、L-NAME、SP600125和SB202190后,C、E和F組的NF-κB、iNOS、JNK和p38 MAPK蛋白表達(dá)水平極顯著下降(P<0.01),D組的NF-κB、iNOS和JNK蛋白表達(dá)水平極顯著下降(P<0.01)。
Stokes等[12]研究發(fā)現(xiàn),大豆抗原蛋白介導(dǎo)T淋巴細(xì)胞免疫應(yīng)答產(chǎn)生過量細(xì)胞因子引起豬腸上皮結(jié)構(gòu)損傷。細(xì)胞因子IL-10主要由輔助性T細(xì)胞2(Th2)產(chǎn)生,在過敏性炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。敲除IL-10的小鼠結(jié)腸黏膜增厚,腸道炎性細(xì)胞浸潤明顯,炎癥相關(guān)基因表達(dá)量上升,自發(fā)形成慢性小腸炎癥[13]。劉欣[14]用11S球蛋白灌胃小鼠建立體內(nèi)試驗?zāi)P?,qRT-PCR檢測小鼠小腸組織,發(fā)現(xiàn)IL-10 mRNA的相對表達(dá)量降低。本試驗中,添加5 mg/mL的11S球蛋白后,IL-10含量極顯著下降;添加1 μmol/L的PDTC、L-NAME、SP600125和SB202190后,IL-10含量極顯著上升。這提示在11S球蛋白誘導(dǎo)的腸道過敏炎癥反應(yīng)中,IL-10是重要的免疫調(diào)節(jié)劑。IL-10參與的免疫抑制反應(yīng)是由p38 MAPK途徑介導(dǎo)的[15],p38 MAPK、JNK和細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)是絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路下游的3個信號級聯(lián)通路,MAPK信號通路調(diào)控腸道細(xì)胞的增殖和免疫反應(yīng),在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用[16]。Peng等[17]采用11S球蛋白飼喂斷奶仔豬構(gòu)建體內(nèi)試驗?zāi)P桶l(fā)現(xiàn),11S球蛋白誘導(dǎo)腸道組織JNK和p38 MAPK蛋白過度表達(dá)。張瑜[18]通過體外培養(yǎng)IPEC-J2細(xì)胞發(fā)現(xiàn),隨11S球蛋白濃度增加,IPEC-J2細(xì)胞磷酸化c-Jun N端激酶(p-JNK)和磷酸化p38(p-p38)蛋白表達(dá)水平逐漸增加,細(xì)胞活性顯著下降,細(xì)胞損傷程度逐漸加重;添加SP600125和SB202190后,p-JNK和p-p38蛋白表達(dá)水平顯著下降,且能夠抑制細(xì)胞損傷。本試驗中,添加5 mg/mL的11S球蛋白后,IPEC-J2細(xì)胞活性極顯著下降,JNK和p38 MAPK蛋白表達(dá)水平及mRNA相對表達(dá)量極顯著升高;添加SP600125和SB202190后,細(xì)胞活性極顯著上升,JNK和p38 MAPK蛋白表達(dá)水平及mRNA相對表達(dá)量極顯著降低,說明11S球蛋白通過JNK和p38 MAPK信號通路介導(dǎo)IPEC-J2細(xì)胞損傷。
*表示與A組相比差異顯著(P<0.05),**表示與A組相比差異極顯著(P<0.01)。#表示與B組相比差異顯著(P<0.05),##表示與B組相比差異極顯著(P<0.01)。下圖同。
圖3 HE染色觀察IPEC-J2細(xì)胞的細(xì)胞形態(tài)和結(jié)構(gòu)
圖4 透射電鏡觀察IPEC-J2細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)
11S球蛋白誘導(dǎo)的仔豬過敏反應(yīng)主要是Th2型免疫反應(yīng)[1],TNF-α和INF-γ是Th2型免疫反應(yīng)的重要產(chǎn)物[19]。在卵蛋白致敏的小鼠模型中,TNF-α和INF-γ共同誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生炎性介質(zhì),促進(jìn)炎癥反應(yīng)[20]。這與本試驗11S球蛋白處理IPEC-2細(xì)胞后,ELISA檢測顯示TNF-α和INF-γ含量極顯著上升結(jié)果一致。TNF-α和INF-γ共同誘導(dǎo)細(xì)胞NF-κB抑制蛋白α的磷酸化和降解,導(dǎo)致NF-κB/p65的磷酸化及其核轉(zhuǎn)位[21],激活NF-κB信號通路。在細(xì)胞核中,NF-κB促進(jìn)炎癥反應(yīng)的基因表達(dá),引起細(xì)胞凋亡[22]。體內(nèi)和體外研究發(fā)現(xiàn),11S球蛋白激活NF-κB信號通路誘導(dǎo)IPEC-J2細(xì)胞凋亡,損傷斷奶仔豬腸道組織[17-18]。Yi等[23]研究發(fā)現(xiàn),斷奶導(dǎo)致的仔豬空腸炎癥與空腸IFN-γmRNA相對表達(dá)量升高與NF-κB信號通路激活有關(guān)。本試驗用5 mg/mL的11S球蛋白處理IPEC-J2細(xì)胞后,細(xì)胞活性極顯著下降,HE染色可見細(xì)胞膜破裂和細(xì)胞核皺縮,透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)胞質(zhì)空泡化、染色質(zhì)邊集,NF-κB蛋白表達(dá)水平和mRNA相對表達(dá)量顯著提高;添加1 μmol/L的PDTC預(yù)處理IPEC-J2細(xì)胞后,細(xì)胞活性極顯著升高,NF-κB蛋白表達(dá)水平和mRNA相對表達(dá)量顯著下降,這表明11S球蛋白通過NF-κB信號通路介導(dǎo)IPEC-J2細(xì)胞損傷。
圖5 qRT-PCR檢測細(xì)胞中NF-κB、iNOS、JNK和p38 MAPK mRNA相對表達(dá)量
大豆富含的L-精氨酸是NO的前體,NO在iNOS催化L-精氨酸的過程中產(chǎn)生,是一種細(xì)胞炎性介質(zhì)[24]。p38 MAPK通路增加細(xì)胞內(nèi)NO的產(chǎn)生[15],NO除激活細(xì)胞死亡受體途徑和線粒體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡外,還能調(diào)節(jié)其他炎癥因子(如TNF-α)的釋放進(jìn)而加強(qiáng)炎癥反應(yīng)[25]。本試驗中,添加5 mg/mL的11S球蛋白處理IPEC-J2細(xì)胞,結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞活性極顯著下降,NO和TNF-α含量極顯著升高,iNOS蛋白表達(dá)水平和mRNA相對表達(dá)量顯著或極顯著升高;添加L-NAME后,NO和TNF-α含量極顯著降低,細(xì)胞活性極顯著上升,iNOS蛋白表達(dá)水平和mRNA相對表達(dá)量顯著降低,表明L-NAME能夠通過調(diào)節(jié)iNOS的表達(dá)減少炎癥介質(zhì),抑制細(xì)胞損傷。Kaji等[26]研究發(fā)現(xiàn),腸道平滑肌細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中過量表達(dá)的iNOS引起細(xì)胞損傷,L-NAME預(yù)處理可以阻止細(xì)胞損傷。Leit?o等[27]在甲氨蝶呤(MTX)誘導(dǎo)的腸黏膜炎癥中發(fā)現(xiàn)iNOSmRNA相對表達(dá)量顯著增加,添加L-NAME后可減輕小腸絨毛和隱窩損傷、細(xì)胞凋亡現(xiàn)象。
細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是多通路、多環(huán)節(jié)、多層次高度復(fù)雜的可控反應(yīng),信號的啟動、放大和終止是相互作用的正負(fù)反饋機(jī)制。1種或幾種信號通路的異常表達(dá),即可能造成整個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的失調(diào),進(jìn)而引發(fā)病變。MAPK和NF-κB信號通路的異常激活促進(jìn)炎癥反應(yīng),是導(dǎo)致炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)的重要原因[28]。研究表明,IBD患者腸組織中的JNK、p38 MAPK和NF-κB蛋白表達(dá)水平顯著上升[29-30]。Berghe等[31]研究表明,p38 MAPK通路的激活有助于NF-κB調(diào)節(jié)其p65亞基的反式激活能力。NF-κB是典型的促炎性信號通路,炎性細(xì)胞因子激活NF-κB通路[21],持續(xù)激活的NF-κB編碼促炎細(xì)胞因子及iNOS[32],形成炎癥反應(yīng)的正反饋回路。Rogler等[33]在潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病患者的黏膜活檢標(biāo)本中,發(fā)現(xiàn)NF-κB蛋白表達(dá)水平與腸上皮細(xì)胞的活性和炎癥的嚴(yán)重程度顯著相關(guān)。體內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn),SP600125、SB202190和PDTC均能顯著緩解腸道炎癥[34-36],這與本試驗添加抑制劑后能夠顯著抑制IPEC-J2細(xì)胞損傷的結(jié)果相符。本試驗中,與分別添加1 μmol/L的L-NAME、SP600125和SB202190組相比,添加1 μmol/L PDTC組的細(xì)胞活性顯著高于上述3組,HE染色可見細(xì)胞折光性強(qiáng)、胞質(zhì)飽滿、核質(zhì)清晰,透射電鏡觀察細(xì)胞形態(tài)與對照組細(xì)胞形態(tài)相近,細(xì)胞核結(jié)構(gòu)完整、核染色質(zhì)分布更均勻且胞質(zhì)空泡化明顯減少。這說明PDTC能夠抑制11S球蛋白介導(dǎo)的IPEC-J2細(xì)胞損傷,且抑制細(xì)胞損傷效果優(yōu)于L-NAME、SP600125和SB202190。這表明NF-κB信號通路在11S球蛋白通過JNK/p38 MAPK/NF-κB/iNOS信號通路介導(dǎo)IPEC-J2細(xì)胞損傷的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用,這可能與持續(xù)上調(diào)的NF-κB信號通路激活其他促炎途徑,使炎癥反應(yīng)級聯(lián)放大有關(guān)。
圖6 Western blot檢測細(xì)胞中NF-κB、iNOS、JNK和p38 MAPK蛋白表達(dá)水平
①11S球蛋白通過JNK/p38 MAPK/NF-κB/iNOS信號通路誘導(dǎo)IPEC-J2細(xì)胞損傷,促進(jìn)NO、TNF-α和INF-γ分泌,抑制IL-10分泌,提高NF-κB、iNOS、JNK和p38MAPKmRNA相對表達(dá)量,增加NF-κB、iNOS、JNK和p38 MAPK蛋白表達(dá)水平,添加PDTC、L-NAME、SP600125和SB202190后,均能抑制IPEC-J2細(xì)胞損傷。
②添加PDTC組的IPEC-J2細(xì)胞的活性、細(xì)胞形狀和細(xì)胞器結(jié)構(gòu)的完整性均優(yōu)于添加L-NAME、SP600125和SB202190組。NF-κB信號通路在11S球蛋白通過JNK/p38 MAPK/NF-κB/iNOS信號通路介導(dǎo)IPEC-J2細(xì)胞損傷的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。