實時監(jiān)測溶酶體光損傷誘導細胞凋亡過程中Bax定位的時空變化＊

劉 鐳，張真真

(華南師范大學生物光子學研究院激光生命科學研究所、暨激光生命科學教育部重點實驗室，廣東廣州 510631)

光動力療法(Photodynamic therapy，PDT)已成為治療腫瘤的一項常規(guī)手段，具有創(chuàng)傷小、毒性低、選擇性和適用性好、可重復治療、可協(xié)同手術提高療效等多個優(yōu)點［1-4］。PDT的作用基礎是光動力效應，這是一種由氧分子參與的光敏化反應［5-6］。N-aspartyl chlorin e6(NPe6)是一種定位于溶酶體的新一代光敏劑，其光敏化效應能特異性損傷溶酶體，進而引發(fā)細胞凋亡［7-11］。

細胞凋亡(apoptosis)是一種普遍的生理現象，它是指在一定的生理或病理條件下，為了維持機體的完整性和自身穩(wěn)態(tài)，各種細胞自發(fā)的程序性死亡過程［12］。眾多研究表明，Bax是關鍵的促凋亡因子，能夠觸發(fā)線粒體凋亡途徑誘導細胞凋亡。在靜息狀態(tài)下，Bax以單體非激活形式分布在胞漿中，在有凋亡刺激因子誘導的情況下，它會被刺激活化轉運到線粒體發(fā)揮促凋亡的功能［13-15］。

本研究工作中，為了在活細胞內進一步探討溶酶體光損傷誘導細胞凋亡的分子機制，我們應用熒光探針GFP-Bax檢測Bax在細胞內的動態(tài)變化。利用熒光成像在亞細胞水平對Bax轉位線粒體的動力學特征進行了實時分析。因而，我們在無損傷、活細胞生理條件下實時、直觀、可視地研究了溶酶體光損傷誘導的細胞凋亡過程，獲得了Bax在該凋亡信號通路中的動態(tài)行為特性。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 細胞系及試劑 人類肺腺癌細胞系(ASTC-a-1)由暨南大學醫(yī)學院藥學系提供。小牛血清和培養(yǎng)基 DMEM(Dulbecco’s modified Eagle medium)購于英國GIBCO公司;轉染試劑LipofectamineTM熒光染料Mito Tracker Red及 Acridine Orange(AO)均購自美國Invitrogen公司。

1.1.2 主要儀器 激光共聚焦掃描顯微鏡(LSM510/ConfoCor2，Zeiss，Germany)，微型 CO2細胞培養(yǎng)箱(Tempcontrol 37-2 digital，Zeiss，Germany)。

1.2 方法

1.2.1 質粒及其構建 質粒 GFP-Bax是在全長Bax的 N端融合了 GFP，由 R.J.Youle博士惠贈(National Institute of Heath，Bethesda，MD，USA)。

1.2.2 細胞培養(yǎng)及轉染 細胞培養(yǎng)液為 DMEM，添加10%小牛血清(FCS)，100 units/mL青霉素和100μg/mL的鏈霉素。人肺癌細胞用胰蛋白酶消化，轉至細胞培養(yǎng)皿，培養(yǎng)24 h左右，使細胞匯合30%-50%，使用Lipofectin試劑轉染，步驟如下:首先取兩只 Eppendorf管:一只加入 0.2 ～0.4μg 質粒和100μL無血清DMEM培養(yǎng)基;另一只加入2～2.5μL Lipofectin試劑和100μL無血清DMEM培養(yǎng)基，室溫靜置30～45 min，然后將上述兩管輕輕混勻，室溫靜置10～15 min，用無血清DMEM培養(yǎng)基清洗細胞一次，加0.8mL無血清DMEM培養(yǎng)基于上述的Lipofectin-DNA混合物中，輕輕混勻，加到細胞表面，培養(yǎng)5～24 h后用含小牛血清的DMEM培養(yǎng)基換掉上述轉染液，培養(yǎng)24～48 h后即可用于檢測。

1.2.3 激光共聚焦掃描顯微鏡成像檢測 實驗樣品的熒光成像均在Zeiss公司LSM 510型激光共聚焦掃描顯微鏡上完成，采用Plan-Neofluar 40×/1.3 NA油鏡對細胞進行激光共聚焦成像。GFP選用488 nm的氬離子激光作為激發(fā)光源，GFP的吸收濾色鏡選用BP500-550。

1.2.4 光動力誘導細胞凋亡 細胞在正常條件下避光孵育光敏劑NPe610 h，濃度33μmol/L.然后用PBS清洗光敏劑，更換正常的培養(yǎng)基。激光輻照參數為:半導體激光器(635 nm，NL-FBA-2.0-635)，輻照劑量為4 J/cm2，輻照功率為10 mW/cm2。

1.2.5 數據分析 記錄的圖像和數據均用Zeiss Rel3.2圖象處理軟件(Zeiss，Germany)對圖象上所選定的區(qū)域進行熒光強度定量分析。所有實驗均進行了n≥3次重復，同時重復對多個細胞的實驗數據進行了分析。

2 結果

2.1 光敏劑NPe6在ASTC-a-1細胞中的定位

圖1 光敏劑NPe6的亞細胞定位Fig.1 Localization of NPe6 in ASTC-a-1 cells.ASTC-a-1 cellswere loaded with 33μmol/L NPe6 and 0.5μmol/LAO.NPe6(left panel)and AO fluorescence(middle panel)were visualized by confocal microcopy.The overlay fluorescence image(right panel)of NPe6 and AO indicates that NPe6 is primarily localized in the lysosomes in ASTC-a-1 cells.Scale bar=10μm

我們應用激光共聚焦掃描顯微鏡來檢測光敏劑NPe6的亞細胞定位。AO用來特異性標記溶酶體。結果顯示:光敏劑與AO的熒光成像有很好的重合(圖1)。證明光敏劑特異性定位于溶酶體。

2.2 溶酶體光損傷誘導Bax轉位線粒體

圖2 NPe 6-PDT誘導細胞凋亡過程中Bax轉位到線粒體的動態(tài)變化Fig.2 Dynamics of Bax translocation to mitochondria during NPe 6-PDT-induced apoptosis

為了檢測Bax活化后的動態(tài)行為，實驗中將質粒GFP-Bax轉染進ASTC-a-1細胞，通過對GFP的熒光成像追蹤Bax在細胞內的運動。同時用Mit Tracket Red標記線粒體形態(tài)，根據GFP和 Mit Tracket Red的熒光重疊情況來判別Bax是否轉位到線粒體。結果顯示，在對照組，凋亡未發(fā)生，Bax主要分布在胞漿內，線粒體呈細長的線狀或樹枝狀，散布在細胞質內，可以明顯看出Bax沒有聚集在線粒體上(圖2A)。而凋亡發(fā)生后，可以明顯看到線粒體分布在細胞核周圍，Bax明顯定位，GFP和 Mit Tracket Red熒光成像的重疊顯示Bax定位在線粒體上，證明溶酶體光損傷誘導了Bax從胞漿內轉位到了線粒體(圖2B)。通過定量分析線粒體富集區(qū)域GFP的熒光強度隨時間變化的關系(圖 3)，也證實在此過程中，Bax逐步轉位到了線粒體。動力學特征顯示，一旦凋亡發(fā)生，Bax迅速轉位線粒體，在30 min內便能完成。

圖3 NPe 6-PDT誘導細胞凋亡過程中Bax轉位到線粒體量化分析Fig.3 Quantification of Bax translocation to mitochondria after NPe 6-PDT treatment.Each curve represents an average of 12-15 cells obtained from 3 independent experiments.Bax-GFP fluorescence intensity in each curve at the first time point is normalized to 100 and the time of the onset of Bax-GFP redistribution is set to zero.Data represent the mean±SEM

3 結論

近年來，我們實驗室致力于發(fā)展單分子實時檢測手段在活細胞內研究蛋白分子的動態(tài)變化［16-17］。本研究中，我們在活細胞內實時監(jiān)控溶酶體光損傷誘導細胞凋亡過程中Bax亞細胞定位的動態(tài)變化。結果表明，光敏劑NPe6特異性定位于溶酶體(圖1)。溶酶體光損傷后約170 min，Bax開始轉位到線粒體，其過程非常迅速，在30 min之內便大量聚集在線粒體上(圖2，圖3)。該研究結果實時動態(tài)地展示了細胞凋亡過程中Bax的時空變化過程，為研究靶向溶酶體的光動力治療提供理論參考。

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