龐聰穎,喬 娜,陳漢明,馬欣艷,張 輝,潘家強,唐兆新,李 英
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院,廣州 510642)
肉雞肺動高壓綜合征(pulmonary hypertension syndrome,PHS)是由低溫、缺氧、生長過快、遺傳等多種因素單一或者共同作用下誘導(dǎo)的肉雞非傳染性營養(yǎng)代謝病,常見于生長較快的肉仔雞?,F(xiàn)代快速生長的肉禽品種對心力衰竭非常敏感,右心肥大衰竭是PHS肉雞死亡的重要原因[1]。研究發(fā)現(xiàn),PHS肉雞心肌細胞內(nèi)Ca2+增加,心肌細胞發(fā)生水腫和肥大,顆粒變性、空泡變性甚至壞死[2-4]。心肌細胞Ca2+濃度增加導(dǎo)致細胞鈣穩(wěn)態(tài)被破壞,線粒體作為細胞內(nèi)鈣緩沖器,能吸收細胞內(nèi)增加的Ca2+,調(diào)節(jié)細胞鈣穩(wěn)態(tài)[5]。線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運體(mitochondrial calcium uniporter,MCU)是位于線粒體內(nèi)膜上的跨膜蛋白,介導(dǎo)細胞內(nèi)Ca2+進入線粒體基質(zhì)。MCU過表達可使線粒體內(nèi)Ca2+濃度增加;MCU沉默使線粒體Ca2+濃度的增加被抑制[6]。其活性受到線粒體鈣攝取蛋白1(mitochondrial calcium uniporter 1,MICU1)的調(diào)節(jié)。MICU1作為MCU的門控蛋白,當細胞質(zhì)中Ca2 +濃度較低時,MICU1保持MCU處于關(guān)閉狀態(tài),可減少胞漿中的Ca2+進入線粒體[7]。當細胞質(zhì)中Ca2+濃度較高時,MICU1作為MCU通道的協(xié)同激活劑,通過增加MCU的打開概率,增加激動劑誘發(fā)的線粒體Ca2 +濃度增加。線粒體鈣單一轉(zhuǎn)運體調(diào)節(jié)劑1(mitochondrial cal-cium uniporter regulator 1,MCUR1)作為MCU的正調(diào)控因子,當其沉默時能抑制激動劑誘導(dǎo)的線粒體Ca2+攝取,并導(dǎo)致線粒體基質(zhì)中Ca2+濃度顯著減少[8]。
心臟的收縮受心肌細胞內(nèi)Ca2+儲存和釋放過程調(diào)節(jié)[6],細胞內(nèi)80%的Ca2+儲存于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。線粒體基質(zhì)中有大量Ca2+,線粒體產(chǎn)能的過程與線粒體Ca2+轉(zhuǎn)運的過程息息相關(guān)。線粒體內(nèi)Ca2+生理性的增加可激活線粒體脫氫酶,加速氧化代謝,促進ATP生成。但是,線粒體鈣超載導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)的開放,進而導(dǎo)致線粒體去極化,膜電位下降和線粒體碎片化[9-10]。當細胞受損或受到刺激時,常伴有細胞內(nèi)鈣離子濃度的升高[11]。過量游離Ca2+導(dǎo)致的鈣超載對細胞具有損傷作用,會引起細胞腫脹破裂,以及通過凋亡、自噬、壞死等路徑的細胞死亡[9]。線粒體作為細胞Ca2+超載的重要緩沖器,在細胞Ca2+超載中發(fā)揮著重要作用。RU360是一種細胞滲透性氧橋聯(lián)雙核釕胺絡(luò)合物,作用于MCU,特異性阻斷線粒體Ca2+攝取。線粒體通過MCU轉(zhuǎn)運細胞內(nèi)Ca2+進入線粒體基質(zhì),但MCU介導(dǎo)線粒體鈣轉(zhuǎn)運是否參與低氧誘導(dǎo)的肉雞心肌細胞線粒體損傷尚不明確。因此,本試驗旨在通過不同時間低氧處理肉雞心肌細胞,并使用RU360抑制MCU的表達,探究MCU是否參與低氧誘導(dǎo)的肉雞心肌細胞線粒體損傷。
817白羽肉雞雞胚購于山東德州忠言肉雞場,進行常規(guī)消毒和處理后,置于旋轉(zhuǎn)孵化箱中37.9 ℃和70%濕度條件下孵化至12胚齡。
活性氧試劑盒(S0033)購自南京建成生物工程有限公司;膜電位試劑盒(C2006)、Ripa裂解液、BCA蛋白濃度測定試劑盒、SDS-PAGE蛋白上樣緩沖液均購自碧云天生物技術(shù)研究所;ECL發(fā)光底物試劑盒購自上海天能技術(shù)有限公司;F12基礎(chǔ)培養(yǎng)液、血清購自Gibco有限公司,F(xiàn)luo-4,Rhod-2,MCU(#14997),MICU1(#12524),MCUR1(#13706)抗體(動物來源:兔)均購自CST公司;TRIzol RNA提取試劑,購自大連寶生物工程有限公司;β-actin 抗體,購自北京銳抗生物技術(shù)有限公司;Prime Script Master Mix、ChamQ SYBR Color qPCR Master Mix購自南京諾唯贊生物技術(shù)股份有限公司公司。α-橫紋肌動蛋白(alpha sarcomeric Actin)單克隆抗體,購自美國Abcam公司;RU360,購自美國Sigma公司。
微量核酸測定儀購自Thermo Fisher科技公司;TDZ5-DZ5型冷凍離心機購自湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司;My Cycler Thermal型 mRNA擴增儀、Light Cycler408型熒光定量PCR儀購自美國Bio-Rad公司;Unique-R10型超純水儀購自廈門銳思捷科學(xué)儀器有限公司;GelView 6000 Pro全自動化學(xué)發(fā)光成像儀購自廣州博鷺騰儀器儀表有限公司;流式細胞儀購自美國貝克曼爾特有限公司。
參照張曉輝[12]的方法進行,略作改動。試驗中所用器械、耗材等均經(jīng)過121 ℃、30 min高壓滅菌,操作過程中避免細菌污染。將孵化至12日齡的雞胚無菌操作取出心,浸泡于4 ℃預(yù)冷的PBS中。以相同操作取出其余雞胚的心。將心周圍多余脂肪和相連的血管去除,清除心組織內(nèi)的血液。將心組織剪碎,加入足量預(yù)熱的0.12%的Ⅱ型膠原酶,37 ℃水浴鍋中輕微震蕩消化8 min,加入等量含10% FBS培養(yǎng)液,輕輕吹打混勻,收集消化液。多次消化至心組織呈絮狀,用200目和400目細胞篩分別濾過消化液。消化液差速離心,重懸后心肌細胞接種于培養(yǎng)板中,37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中差速貼壁30 min左右(利用成纖維細胞最先貼壁的特性,將心肌組織中的成纖維細胞去除)。收集差異貼壁后的細胞懸液,臺盼藍染色,用細胞計數(shù)板對肉雞心肌細胞懸液計數(shù),調(diào)整密度至試驗需要。接種于細胞板,在37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,待心肌細胞生長穩(wěn)定后更換培養(yǎng)液,繼續(xù)培養(yǎng)。在細胞處于對數(shù)生長期時,分為對照組(C)和試驗組(T),對照組細胞培養(yǎng)條件37 ℃、21%O2;試驗組利用培養(yǎng)小室做低氧處理,培養(yǎng)條件為37 ℃、3%O2,處理時間分別為24、48和72 h,做心肌細胞損傷造模。在低氧培養(yǎng)72 h添加RU360預(yù)處理組,抑制MCU表達,進一步明確MCU是否參與低氧誘導(dǎo)的肉雞心肌細胞線粒體損傷。
將細胞爬片置于24孔板孔內(nèi),接種肉雞心肌細胞。生長穩(wěn)定后,先用PBS洗細胞,4%多聚甲醛固定細胞;0.2% Triton-100細胞打孔;3% H2O2處理15 min;10%馬血清,37 ℃,封閉1 h;加入α-SA抗體,4 ℃,過夜;1%BSA配制單抗鼠IgG,室溫反應(yīng)40 min;DAB染色2 min,用PBS終止反應(yīng)。蘇木精復(fù)染5 min,鹽酸分色3 s,氨水反藍5 min,干燥,中性樹脂封片,鏡檢。操作同任昊[13]和秦士貞[14]的方法。
收集不同低氧時間處理的細胞,細胞染色和孵育具體操作詳見ROS和膜電位檢測試劑盒說明書。染色結(jié)束后流式細胞儀檢測。
Fluo-4 AM探針是一種可以穿透細胞膜的熒光染料,用于檢測細胞內(nèi)的濃度。Fluo-4 AM在細胞外時幾乎不發(fā)光,當Fluo-4 AM進入細胞后被胞內(nèi)的酶剪切形成Fluo-4而滯留于細胞內(nèi)。Fluo-4可以和Ca2+結(jié)合,產(chǎn)生較強熒光,其信號強度與Ca2+濃度呈正相關(guān)。Rhod-2探針在結(jié)合Ca2+前基本不發(fā)熒光,熒光信號與Ca2+結(jié)合后明顯增強。其激發(fā)和發(fā)射光譜不會隨著細胞內(nèi)游離Ca2+變化發(fā)生明顯的遷移,其特異性適合檢測細胞和組織內(nèi)線粒體的Ca2+水平,其信號強度與Ca2+濃度呈正相關(guān)。將低氧處理24、48和72 h的細胞用預(yù)熱HBSS清洗3次后,依照試劑說明書進行染色操作,注意染液的配置和染色后細胞的洗滌均使用HBSS緩沖液。
qRT-PCR檢測MCU、MICU1和MCUR1的mRNA的相對表達水平。按照諾唯贊試劑盒說明書提取總RNA。使用Thermo Fisher科技公司的微量核酸測定儀檢測RNA的總濃度和純度。內(nèi)參 mRNA為β-actin。使用Primer 3.0軟件設(shè)計引物序列(表1)。引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。按說明書進行RNA反轉(zhuǎn)錄。將反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA作為模板進行qRT-PCR反應(yīng)。
表1 qRT-PCR使用的引物序列Table 1 Primer sequences used for qRT-PCR
將不同低氧時間處理的細胞用含苯甲基磺酰氟(phenylmethanesulfonyl fluoride,PMSF)的RIPA裂解液消化,提取總蛋白。BCA試劑盒測定總蛋白濃度,將每個樣品稀釋至同一濃度,依照說明書操作,制備蛋白檢測樣品,-80 ℃保存?zhèn)溆谩5攘康目偟鞍讟悠吩诖怪彪娪緝x上經(jīng)12.5%SDS-PAGE分離膠分離,再轉(zhuǎn)移至PVDF膜上。5%脫脂奶粉溶液常溫搖床封閉1 h,一抗4 ℃搖床孵育過夜。二抗孵育1 h,使用ECL發(fā)光液顯影,使用GelView6000 Pro全自動化學(xué)發(fā)光成像系統(tǒng)拍照,Image J軟件進行灰度分析。
數(shù)據(jù)運用SPSS 23.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行分組方差分析比較,采用GraphPad Prism 6.0軟件進行作圖,P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
α-SA能標記心肌肌動蛋白,心肌細胞與α-SA發(fā)生抗原抗體反應(yīng),表達呈陽性。免疫組化染色后,可見圖1A是用PBS代替一抗的陰性對照,細胞胞漿未見棕黃色;圖1B的心肌細胞呈明顯的陽性著色,胞漿為棕黃色,細胞核接近圓形,心肌細胞呈三角形、梭形和不規(guī)則星形。非心肌細胞α-SA抗原表達為陰性,不會出現(xiàn)上述反應(yīng),由此可以鑒定為心肌細胞。參照前人的方法[15],隨機選取10個視野進行計數(shù)(心肌細胞純度=心肌細胞數(shù)/該視野細胞總數(shù)*100%),心肌細胞純度約為93%。
A.對照處理;B.陽性結(jié)果A.Control treatment;B.Positive result圖1 免疫組化染色細胞爬片(400×)Fig.1 Immunohistochemical staining cell slide (400×)
由圖2可知,低氧處理24 h,試驗組線粒體膜電位上升,差異顯著(P<0.05);低氧處理72 h,試驗組與對照組相比ROS的產(chǎn)生增加,線粒體膜電位下降,差異極顯著(P<0.01),說明線粒體發(fā)生損傷;低氧處理72 h時,RU360預(yù)處理組與試驗組相比,在RU360抑制MCU活性后,ROS的產(chǎn)生減少,線粒體膜電位上升,差異極顯著(P<0.01)。
A.DCF探針熒光強度分析,反映ROS產(chǎn)生的變化;B.JC-1探針熒光強度分析,反映線粒體膜電位變化A.Fluorescence intensity analysis of DCF probe,reflecting the changes of ROS production;B.Fluorescence intensity analysis of JC-1 probe,reflecting the changes of mitochondrial membrane potential圖2 線粒體功能評價Fig.2 Evaluation of mitochondrial function
由圖3可知,低氧處理24和48 h,試驗組細胞內(nèi)游離Ca2+增多,差異顯著(P<0.05);低氧處理72 h,試驗組細胞內(nèi)游離Ca2+增多,差異極顯著(P<0.01),低氧處理72 h時,RU360預(yù)處理組與試驗組相比,細胞內(nèi)游離Ca2+減少,差異極顯著(P<0.01)。結(jié)果表明,低氧誘導(dǎo)心肌細胞內(nèi)Ca2+濃度增加,抑制MCU的活性能減輕低氧誘導(dǎo)的細胞內(nèi)Ca2+增多。
a、b、c.分別常氧培養(yǎng)24、48、72 h的心肌細胞內(nèi)游離Ca2+流式細胞儀分析圖;d、e、f.分別為低氧培養(yǎng)24、48、72 h心肌細胞內(nèi)游離Ca2+流式細胞儀分析圖;g.低氧培養(yǎng)72 h且RU360預(yù)處理的心肌細胞線粒內(nèi)游離Ca2+流式細胞儀分析圖;h.細胞內(nèi)Fluo-4探針熒光強度分析a,b and c.Flow cytometric analysis of free Ca2+ in myocardial cells at 24,48 and 72 h of normal oxygen culture,respectively;d,e,f.Flow cytometric analysis of free Ca2+ in myocardial cells at 24,48 and 72 h of hypoxia culture,respectively;g.Flow cytometric analysis of free Ca2+ in the linemere of myocardial cells pretreated with RU360 and incubated for 72 h under hypoxia;h.Fluorescence intensity analysis of intracellular Fluo-4 probe圖3 心肌細胞鈣離子濃度檢測結(jié)果Fig.3 Determination results of calcium ion concentration in cardiomyocytes
由圖4可知,低氧處理24和72 h,試驗組線粒體內(nèi)游離Ca2+增多,差異顯著(P<0.05),低氧處理72 h時,RU360預(yù)處理組與試驗組相比,線粒體內(nèi)游離Ca2+減少,差異極顯著(P<0.01)。說明低氧誘導(dǎo)了心肌細胞線粒體內(nèi)Ca2+濃度增加,抑制MCU活性能減輕低氧誘導(dǎo)的線粒體內(nèi)Ca2+增多。
a、b、c.分別為常氧培養(yǎng)24、48、72 h的心肌細胞線粒體內(nèi)游離Ca2+流式細胞儀分析圖;d、e、f.分別為低氧培養(yǎng)24、48、72 h心肌細胞線粒體內(nèi)游離Ca2+流式細胞儀分析圖;g.低氧培養(yǎng)72 h且RU360預(yù)處理的心肌細胞線粒體內(nèi)游離Ca2+流式細胞儀分析圖;h.線粒體內(nèi)Rhod-2探針熒光強度分析a,b,c.Flow cytometric analysis of free Ca2+ in mitochondria of myocardial cells at 24,48 and 72 h of normal oxygen culture,respectively;d,e,f.Flow cytometric analysis of free Ca2+ in mitochondria of myocardial cells at 24,48 and 72 h of hypoxia culture,respectively;g.Flow cytometric analysis of free Ca2+ in mitochondria of myocardial cells pretreated with RU360 and incubated for 72 h under hypoxia;h.Fluorescence intensity analysis of Rhod-2 probe in mitochondria圖4 線粒體鈣離子濃度檢測結(jié)果Fig.4 Calcium ion concentration detection result
由圖5可知,低氧處理24 h,試驗組MCU、MICU1 mRNA的表達量顯著增加(P<0.05);低氧處理48 h,試驗組MCUR1和MICU1 mRNA表達量顯著減少(P<0.05);低氧處理72 h,試驗組MCUmRNA的表達量極顯著增加(P<0.01)。低氧72 h且RU360預(yù)處理組與低氧72 h組相比,MCUmRNA表達量極顯著降低(P<0.01)。
圖5 低氧處理心肌細胞MCU、MICU1、MCUR1 mRNA表達量Fig.5 mRNA expression levels of MCU,MICU1 and MCUR1 in hypoxic cardiomyocytes
由圖6可知,低氧處理24 h,試驗組MCU和MICU1蛋白的表達呈上調(diào)趨勢,差異不顯著(P>0.05),MCUR1蛋白表達呈下調(diào)趨勢,差異不顯著(P>0.05);低氧處理48 h,試驗組MCU和MICU1蛋白表達呈下調(diào)趨勢,差異不顯著(P>0.05),MCUR1蛋白表達下調(diào),差異顯著(P<0.01);低氧處理72 h,試驗組MCU和MICU1蛋白表達呈上調(diào)趨勢,MCUR1蛋白表達呈下調(diào)趨勢,都差異不顯著(P>0.05)。
圖6 低氧處理心肌細胞鈣轉(zhuǎn)運蛋白MCU、MICU1、MCUR1相對表達Fig.6 Relative expression of calcium transporter MCU,MICU1 and MCUR1 in hypoxic cardiomyocytes
肉雞肺動脈高壓常見于生長迅速的肉雞,因其體型生長過快,導(dǎo)致臟器的生長發(fā)育無法滿足機體的消耗;機體代謝功能紊亂、Ca2+釋放增加、心肌細胞發(fā)生肥大及纖維化;心組織變形、腫大、質(zhì)地變?nèi)彳?;右心肥大擴張發(fā)生衰竭[3,16]。Ca2+刺激線粒體產(chǎn)生能量促進心收縮,也可觸發(fā)細胞死亡[17-18]。在正常生理狀態(tài)下,細胞內(nèi)Ca2+參與不同酶系和各種類型細胞活動調(diào)節(jié)。細胞外Ca2+的內(nèi)流和細胞內(nèi)儲存的Ca2+釋放是細胞內(nèi)游離Ca2+濃度增加的主要途徑。胞內(nèi)Ca2+濃度的升高會使受體對Ca2+的敏感性提高,增強鈣離子通道的開放,促進胞內(nèi)Ca2+的釋放,進而誘發(fā)細胞外的Ca2+內(nèi)流,而過量Ca2+進入心肌細胞是低血氧時心組織發(fā)生病理變化的機制。線粒體作為細胞內(nèi)Ca2+過載的重要緩沖器,對細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)起著重要作用。MCU是位于線粒體內(nèi)膜上介導(dǎo)胞質(zhì)Ca2+進入線粒體的重要蛋白,其活性受到MICU1和MCUR1的調(diào)控[6,19-20]。本研究通過適度低氧對原代肉雞心肌細胞進行肺動脈高壓的造模,探究MCU在心肌細胞損傷中的作用。細胞內(nèi)Ca2+來源于細胞外Ca2+的進入和細胞器Ca2+的釋放,當細胞內(nèi)Ca2+達到一定濃度時,細胞內(nèi)Ca2+反過來抑制細胞器Ca2+的釋放,從而保證細胞內(nèi)Ca2+的數(shù)量可以觸發(fā)生理功能,又不會損傷細胞[21]。本研究發(fā)現(xiàn),低氧誘導(dǎo)肉雞心肌細胞內(nèi)Ca2+濃度持續(xù)增加,與前人的研究結(jié)果一致[22]。細胞內(nèi)Ca2+濃度的升高會觸發(fā)細胞的鈣緩沖機制,包括促進細胞器對細胞內(nèi)Ca2+的稀釋,而線粒體對Ca2+吸收作用在其中扮演重要角色。本試驗發(fā)現(xiàn),低氧處理肉雞心肌細胞后,線粒體內(nèi)Ca2+濃度在24和72 h時,顯著升高。除此之外,心肌細胞內(nèi)MCU的轉(zhuǎn)錄水平與心肌細胞內(nèi)線粒體Ca2+濃度變化一致。因此,低氧導(dǎo)致的細胞線粒體Ca2+濃度變化可能與MCU的表達水平變化有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),MCU在低氧處理心肌細胞的過程中,表達先增加后降低再增加的趨勢符合線粒體內(nèi)Ca2+濃度變化趨勢,提示MCU介導(dǎo)低氧誘導(dǎo)細胞內(nèi)增加的Ca2+進入線粒體。線粒體內(nèi)適當?shù)腃a2+提升,促進線粒體的呼吸功能,但持續(xù)的線粒體鈣超載,會導(dǎo)致細胞內(nèi)活性氧生成增加,膜電位降低,引發(fā)線粒體發(fā)生損傷。有研究顯示,氧化應(yīng)激信號促進MCU氧化并增加其通道活性,在氯化鈷化學(xué)缺氧開始階段,MCU介導(dǎo)線粒體Ca2+攝取導(dǎo)致活性氧的產(chǎn)生,活性氧正反饋作用氧化修飾MCU復(fù)合物,線粒體持續(xù)性Ca2+超載和活性氧積累,過量的活性氧將對細胞組分造成嚴重損傷,甚至造成細胞死亡[23-25],并導(dǎo)致相關(guān)疾病的發(fā)生。隨著線粒體鈣離子濃度增加,可導(dǎo)致mPTP孔開放,線粒體會因為基質(zhì)的高滲透壓而迅速吸水膨脹導(dǎo)致線粒體外膜破裂,失去對離子流動的選擇性引起線粒體膜電位崩潰,ATP生成減少,最終導(dǎo)致細胞死亡[26]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),Ca2+通過一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)活化多種心肌肥厚相關(guān)基因,其中MCUmRNA過表達導(dǎo)致肌肉細胞肥大已有證明[27]。本研究發(fā)現(xiàn),在低氧處理早期,MCU介導(dǎo)游離Ca2+進入線粒體,激活線粒體脫氫酶,加快線粒體有氧代謝,膜電位升高;隨著低氧處理時間延長,低氧組線粒體膜電位降低,這與Giacomello等[28]的研究發(fā)現(xiàn)一致。本研究還發(fā)現(xiàn),與單獨低氧處理組相比,RU360與低氧聯(lián)合處理組中細胞和線粒體內(nèi)Ca2+濃度下降,ROS下降,線粒體膜電位上升。說明抑制低氧誘導(dǎo)的MCU過表達可以減輕線粒體鈣超載,保護線粒體功能。
本研究表明,低氧誘導(dǎo)心肌細胞MCU及其相關(guān)基因和蛋白異常表達,導(dǎo)致線粒體鈣穩(wěn)態(tài)失衡,線粒體功能下降;抑制MCU表達可以減輕低氧誘導(dǎo)的心肌細胞線粒體鈣超載,保護線粒體功能。