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    小鼠胚胎干細(xì)胞鈣敏感受體的表達(dá)和其對細(xì)胞增殖的影響*

    2014-08-08 07:24:22于金鳳欒海榮許曉義何志鵬徐長慶
    中國病理生理雜志 2014年4期
    關(guān)鍵詞:內(nèi)鈣新霉素孵育

    孫 健, 于金鳳, 欒海榮, 李 爽, 許曉義, 何志鵬, 魏 韜, 李 麗, 徐長慶

    (1牡丹江醫(yī)學(xué)院,黑龍江,牡丹江 157011; 2哈爾濱醫(yī)科大學(xué)病理生理教研室,黑龍江 哈爾濱 150081)

    鈣是人體內(nèi)最重要的元素之一,在生理狀態(tài)下,Ca2+通過鈣通道、交換體和泵等引起細(xì)胞內(nèi)游離鈣濃度([Ca2+]i)的變化而發(fā)揮作用,因此將Ca2+稱為“第二信使”。 隨著鈣敏感受體(calcium-sensing receptor, CaSR)的克隆,人們逐漸發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外Ca2+可以通過 CaSR發(fā)揮第一信使的作用[1]。CaSR是G蛋白偶聯(lián)受體超家族中C家族的一名成員,由Brown 等[2]于1993年首先在牛甲狀旁腺主細(xì)胞中成功克隆,在調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮決定性的作用,并參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、分化、凋亡、基因表達(dá)、離子通道激活、激素分泌等。

    胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells, ESCs)是由著床前囊胚期內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(inner cell mass, ICM)早期胚胎分離出來的全能干細(xì)胞,在體外可長期保持未分化狀態(tài)并無限增殖,且保持分化為全身各種細(xì)胞和組織的潛能[3]。ESCs是1981年由Evans等[4]首次從延遲植入小鼠囊胚中分離出來的多能性細(xì)胞,從此以后便引起各國學(xué)者的關(guān)注,是研究ESCs功能和調(diào)控的常用工具。目前關(guān)于CaSR在ESCs中的表達(dá),對ESCs內(nèi)鈣和細(xì)胞的增殖是否有影響,國內(nèi)外尚未見報(bào)道。因此,本文以小鼠ESCs (mouse ESCs,mESCs)為觀察對象,對上述尚未解決的問題開展如下的研究。

    材 料 和 方 法

    1 材料

    129小鼠ES-D3細(xì)胞株(CRL-11632)購于美國菌種保藏中心;胎牛血清購自Gibco;小鼠白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor, LIF)購自Chemicon;CaSR購自Alomone Labs; NPS2390、NiCl2、CdCl2、U73122、U73343、毒胡蘿卜素(thapsigargin,TG)和caffeine購自Sigma;Cycle TEST試劑盒(BDIS);Fluo-3/AM購自Invitrogen;FITC熒光標(biāo)記Ⅱ抗購自Sigma-Aldrich。

    2 方法

    2.1小鼠胚胎干細(xì)胞的培養(yǎng) mESCs培養(yǎng)于DMEM培養(yǎng)液中,添加1%青-鏈霉素、1.7 mmol/L L-谷氨酰胺、0.1 mmol/L β-巰基乙醇、1%非必需氨基酸和LIF(1×106U/L)、15%胎牛血清。細(xì)胞滴入在直徑35 mm或60 mm的培養(yǎng)皿,放入37 ℃、5% CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),1~3 d換液,磷酸鹽緩沖液(PBS)洗2次后,繼續(xù)無血清培養(yǎng)液培養(yǎng)24 h后用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

    2.2免疫熒光分析 mESCs用預(yù)冷0.1 mol/L PBS沖洗,4%多聚甲醛固定30 min,1%山羊血清封閉30 min;分別用抗CaSR(1∶100)孵育,4 ℃過夜,陰性對照用0.1 mol/L PBS代替Ⅰ抗;0.1 mol/L PBS沖洗3次;FITC標(biāo)記的IgG (1∶50)37 ℃孵育1 h;PBS沖洗3次,核用DAPI復(fù)染。立即在熒光顯微鏡(Leica)下觀察并照相。

    2.3免疫印跡分析CaSR的表達(dá) mESCs隨機(jī)分為正常對照組,實(shí)驗(yàn)組分別用0.4 mmol/L 新霉素和10 μmol/L NPS2390作用24 h。RIPA緩沖液冰上裂解30 mim后,4 ℃離心(12 000 r/mim)15 mim,提取細(xì)胞總蛋白。取20 μg蛋白上樣,10%SDS-PAGE電泳,300 mA轉(zhuǎn)移2 h至硝酸纖維素膜,封閉液中封閉1 h。Ⅰ抗分別為anti-CaSR (1∶1 000)和anti-GAPDH (1∶500),4 ℃過夜。同時(shí),以CaSR抗原-抗體復(fù)合物代替Ⅰ抗,作為陰性對照。洗膜后,堿性磷酸酶標(biāo)記的抗 IgG抗體(1∶1 000)孵育1 h。顯色液(Promega) 顯色, 吸光度掃描半定量分析顯影條帶。

    2.4[Ca2+]i的測量 各組細(xì)胞棄培養(yǎng)液,用 [140 mmol/L NaCl,5 mmol/L KCl,1.8 mmol/L CaCl2,0.5 mmol/L MgCl2,10 mmol/L glucose,5.5 mmol/L HEPES(pH 7.4)[5]] 洗滌3次。Fluo-3/AM (5 μmol/L) 37 ℃恒溫箱中避光孵育40 min,去除負(fù)載液,含鈣Krebs溶液洗滌3次后,保存于含鈣Krebs溶液中備用。在鏡下選取細(xì)胞狀態(tài)好,質(zhì)膜完整,無顆粒的細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。激發(fā)波長為488 nm。

    2.5流式細(xì)胞術(shù)檢測細(xì)胞增殖周期 分別取各組培養(yǎng)的mESCs,經(jīng)0.25%胰蛋白酶-0.02 EDTA消化后,PBS洗滌2次,調(diào)整細(xì)胞密度為1×109/L,制成單細(xì)胞懸液,2 000 r/min離心 5 min,PBS洗滌1次,2 000 r/min離心 5 min,加3 mL預(yù)冷的乙醇固定,4 ℃過夜,200 r/min離心 5 min,加入緩沖液3 mL洗滌1次,2 000 r/min離心 5 min,加A液250 μL,室溫作用10 min,加B液200 μL,室溫作用10 min,加預(yù)冷的C液200 μL,室溫避光10 min,上機(jī)檢測。

    2.6MTT比色法分析細(xì)胞存活率的變化 96孔板中培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行相應(yīng)處理后(每組重復(fù)12孔),每孔加入MTT溶液20 μL(5 g/L), 37 ℃繼續(xù)孵育 4 h, 棄上清,每孔加入100 μL二甲基亞砜 (DMSO),振蕩10 min 使結(jié)晶物完全溶解。選擇490 nm波長,自動(dòng)酶聯(lián)儀檢測各孔吸光度A值 (A490),反復(fù)3次取平均值。每孔A值減去空白孔A值為測試孔A真值,活細(xì)胞數(shù)與A490成正比。

    3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

    數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示。用SPSS 13.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。各組間比較采用單因素方差分析和LSD-t檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

    根據(jù)礦體圍巖及鐵礦中的硫同位素δ34S值均介于-9.7~+2.2之間[11],具未分異的隕石流的特點(diǎn),說明這些物質(zhì)都來看自地幔。

    結(jié) 果

    1 mESCs的形態(tài)特征

    倒置顯微鏡下觀察,mESCs在條索狀小鼠胚胎成纖維細(xì)胞飼養(yǎng)層(feeder layer,F(xiàn)L)上的形態(tài)特征為細(xì)胞圓形或橢圓形,呈集落生長,邊緣清晰、光滑,其所形成的生長集落和飼養(yǎng)層有明顯的界限,見圖1A。在脫離飼養(yǎng)層,生長在明膠上時(shí),mESCs首先由集落樣生長逐漸過渡到單層生長,見圖1B。mESCs增殖旺盛,一般2~3 d傳代。

    Figure 1. Morphology of the mouse embryonic stem cells (×200). A: embryonic stem cells on feeder layer (↑); B: embryonic stem cells on gelatin (↑).

    2 CaSR在mESCs的表達(dá)

    2.1免疫熒光檢測CaSR在mESCs的表達(dá) 在mESCs的細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)中可見特異性綠色熒光,見圖2B,DAPI將核染為藍(lán)色;無CaSR 抗體組僅見核藍(lán)染,見圖2A。這說明CaSR在mESCs的胞膜與胞漿均有表達(dá)。

    Figure 2. Detection of CaSR expression in mESCs by immuno-fluorescence with FITC-conjugated IgG in the absence (A) or presence (B) of the primary antibody against CaSR (×200).

    2.2Western blotting檢測CaSR在mESCs的表達(dá) 結(jié)果顯示,在160 kD檢測出特異性蛋白條帶,陰性對照組未見任何條帶出現(xiàn);給予0.4 mmol/L neomycin(鈣敏感受體激動(dòng)劑)后CaSR蛋白表達(dá)明顯增多(與對照組相比,P<0.05);用0.01 mmol/L NPS2390(CaSR 抑制劑)處理后這種效應(yīng)被抑制(與激動(dòng)劑組比較,P<0.05),見圖3。

    3 不同處理因素對mESCs[Ca2+]i變化的影響

    3.1Neomycin、NPS2390、CdCl2和NiCl2對mESCs內(nèi)鈣濃度的影響 1.8~5.8 mmol/L的細(xì)胞外鈣可以引起細(xì)胞內(nèi)鈣的增加(我們選用5.8 mmol/L的CaCl2進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn))。0.1~0.4mmol/Lneomycin可呈濃度依賴性地引起細(xì)胞內(nèi)鈣的增加,0.4 mmol/L時(shí)達(dá)到平臺期,細(xì)胞內(nèi)鈣濃度不再增加(我們選用0.4 mmol/L的neomycin進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn))。NiCl2(0.5 mmol/L)和L-型鈣通道阻斷劑CdCl2(0.01 mmol/L)預(yù)先孵育0.5 h可以明顯抑制CaCl2引起的細(xì)胞內(nèi)鈣的增加,應(yīng)用0.5 mmol/L NiCl2、0.01 mmol/L CdCl2和0.01 mmol/L NPS2390預(yù)先孵育0.5 h可以完全消除CaCl2引起的細(xì)胞內(nèi)鈣增加,見圖4、5。同時(shí),0.01 mmol/L NPS2390預(yù)先孵育0.5 h可以完全消除neomycin引起的細(xì)胞內(nèi)鈣的增加。

    Figure 3. The effects of neomycin and NPS2390 on CaSR expression in mESCs.Mean±SD.n=4. *P< 0.05 vs control group; #P<0.05 vs neomycin group.

    Figure 4. Effects of different concentrations of CaCl2 (A) or neomycin (B) on [Ca2+]i in mESCs.Mean±SD.n=6.

    3.2細(xì)胞外鈣或neomycin誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈣增加的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 TG(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫的阻斷劑,10 μmol/L)、U73122(PLC的阻斷劑,10 μmol/L)、咖啡因(肌漿網(wǎng)鈣庫耗竭劑,10 μmol/L)或者2-APB(IP3的阻斷劑,10 μmol/L)預(yù)處理后都可以減弱甚至消除5.8 mmol/L CaCl2或0.4 mmol/L neomycin所引起的細(xì)胞內(nèi)鈣的增加 (與control比較,P>0.05),而U73343(U73122無活性的同型體,10 μmol/L)預(yù)處理后對這種細(xì)胞內(nèi)鈣的增加沒有影響,見圖5。這些結(jié)果提示,CaSR的活化引起細(xì)胞內(nèi)鈣增加是通過G蛋白-PLC-IP3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路實(shí)現(xiàn)的。

    Figure 5. The effects of different agents on the increase in [Ca2+]i induced by extracellular Ca2+ or neomycin in mESCs. A: the cells in the experimental groups were pretreated with NiCl2 and CdCl2 in the absence or presence of NPS2390, U73122, U73343, caffeine, 2-aminoethyldiphenyl broate (2-APB) or thapsigargin (TG) for 30 min, then exposed consecutively to CaCl2; B: the cells in experimental groups were exposed to neomycin with or without pre-treatment with NPS2390, U73122, U73343, coffeine, 2-APB or TG for 30 min.

    4 CaSR活化對胚胎干細(xì)胞增殖的影響

    4.1MTT分析胚胎干細(xì)胞的存活率 我們首先觀察了不同濃度新霉素對mESCs細(xì)胞增殖的影響,結(jié)果顯示,0.4 mmol/L 新霉素對細(xì)胞的增殖影響最為顯著,見圖6,因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用0.4 mmol/L 新霉素。以正常對照組細(xì)胞的存活率為 100% 計(jì)算,新霉素組存活率為149%±7%,明顯高于正常組(P<0.05);新霉素+NPS2390 組mESCs存活率為97%±9%,明顯低于新霉素組(P<0.05);ERK的特異性抑制劑PD98059的增殖率為109%±8%(和對照組比,P>0.05),見圖7。

    Figure 6. The effects of different concentrations of neomycin on proliferation of mESCs.Mean±SD.n=6. *P<0.05,**P<0.01 vs control group.

    Figure 7. Cell viability determined by MTT assay in mESCs.Mean±SD.n=6.*P<0.05 vs control group; ##P<0.01 vs neomycin group.

    4.2細(xì)胞周期分析檢測胚胎干細(xì)胞的增殖指數(shù) 流式細(xì)胞術(shù)測定結(jié)果顯示(圖8),新霉素組與正常對照組相比,G0/G1期細(xì)胞比例顯著降低,S和G2/M期細(xì)胞比例均顯著增加。細(xì)胞增殖指數(shù) (proliferation index,PI)=(S+G2/M)/ (S+G2/M+G0/G1) ,結(jié)果顯示,新霉素能顯著增加細(xì)胞S期比例和PI,約為正常對照組的1.16倍(P<0.05);而新霉素+NPS2390可抑制胚胎干細(xì)胞增殖,PI回落至約為1;PD98059的作用和NPS2390類似。

    Figure 8. Detection of proliferation index by analysis of cell cycle.Mean±SD.n=3.*P<0.05 vs control group;#P<0.05 vs neomycin group.

    4.3Western blotting檢測各組mESCs中CaSR和p-ERK2/t-ERK的蛋白水平 mESCs表達(dá)p-ERK2蛋白,其分子量為44 kD。與正常組相比,新霉素組細(xì)胞CaSR(圖9)和p-ERK2蛋白(圖10)表達(dá)增加(P<0.05);與激動(dòng)劑組相比,NPS2390(CaSR抑制劑)組CaSR和p-ERK2蛋白表達(dá)均減少(P<0.05);ERK 的特異性抑制劑PD98059對CaSR蛋白表達(dá)增加則沒有顯著影響(和對照組相比,P>0.05),p-ERK2蛋白表達(dá)與對照組相比有所減少,但不明顯(P>0.05)。

    Figure 9. Protein expression of CaSR in the mESCs with different treatments determined by Western blotting.Mean±SD.n=4. △P<0.05 vs control group;**P<0.01 vs neomycin group.

    Figure 10. The protein expression of p-ERK2 in the mESCs with different treatments determined by Western blotting. Mean±SD.n=4.*P<0.05 vs control group;△P<0.05 vs neomycin group.

    討 論

    最近研究表明CaSR在某些干細(xì)胞也有表達(dá),Lam等[6]發(fā)現(xiàn)在體外CaSR激活能增強(qiáng)原始造血干細(xì)胞的增殖、遷移,促進(jìn)歸巢。Xu等[7]發(fā)現(xiàn)CaSR活化促進(jìn)大鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的增殖作用是由于增加增殖指數(shù),減少細(xì)胞凋亡,且能夠增加p-ERK1/2的蛋白表達(dá)。CaSR與mESCs增殖的關(guān)系至今國內(nèi)外尚未見報(bào)道。

    我們在mESCs的蛋白免疫印記實(shí)驗(yàn)中, 用抗CaSR的特異性抗體檢測出分子量為160 kD的條帶, 而陰性對照組未出現(xiàn)任何條帶。這與Xu等[7]在大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)一致,實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)CaSR的激動(dòng)劑新霉素可以使CaSR蛋白的表達(dá)明顯增加,而且這種增加可以被CaSR抑制劑NPS2390所取消,并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

    免疫熒光結(jié)果顯示,CaSR蛋白存在于小鼠胚胎干細(xì)胞內(nèi),主要定位于細(xì)胞膜和細(xì)胞漿,該結(jié)果與在其它類型細(xì)胞中CaSR定位的報(bào)道一致[8-9]?;谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果,我們認(rèn)為在小鼠胚胎干細(xì)胞有CaSR蛋白的表達(dá)。

    CaSR如同應(yīng)答多種細(xì)胞刺激的整合器,對[Ca2+]o微小波動(dòng)及其它陽離子均可發(fā)生反應(yīng)[9]。Ca2+、Gd3+、Mg2+、新霉素和精胺等都是CaSR的激動(dòng)劑。為了證實(shí)[Ca2+]o增加引起[Ca2+]i的增加是否與CaSR的激活有關(guān),我們測定了mESCs中[Ca2+]i的變化,發(fā)現(xiàn)4 mmol/L CaCl2和0.4 mmol/L新霉素(CaSR激動(dòng)劑)都可以引起[Ca2+]i升高。NiCl2(Na+-Ca2+交換抑制劑)和CdCl2(L-型鈣通道阻滯劑)預(yù)處理后,[Ca2+]i的熒光強(qiáng)度降低,但仍比對照組高。而NiCl2+CdCl2+NPS2390(CaSR抑制劑)同時(shí)存在時(shí),[Ca2+]i的熒光強(qiáng)度明顯降低,與對照組無顯著差異。這些結(jié)果提示,CaSR和L型鈣通道及Na+-Ca2+交換蛋白一起,共同參與了[Ca2+]o增加導(dǎo)致mESCs [Ca2+]i增加這一過程。

    在ESCs存在2個(gè)功能不同的鈣離子釋放通道,即1,4,5 -三磷酸肌醇受體(IP3R)和ryanodine受體(RyR)已經(jīng)確定??Х纫?coffeine)是細(xì)胞內(nèi)鈣庫耗竭劑(可促進(jìn)RyR受體開放),而TG是肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATP酶的阻斷劑。本研究發(fā)現(xiàn),用TG和coffeine預(yù)處理30 mim,能顯著抑制4 mmol/L CaCl2和0.4 mmol/L新霉素誘導(dǎo)的[Ca2+]i的升高。這表明CaSR激活誘導(dǎo)的[Ca2+]i增加主要源于細(xì)胞內(nèi)鈣庫釋放Ca2+。

    Wang等[10]證實(shí),[Ca2+]o增加、Gd3+及精胺引起大鼠心肌細(xì)胞[Ca2+]i增加是通過G-PLC-IP3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。本實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):U73122(PLC抑制劑)和2-APB(IP3R抑制劑)均可以顯著地減弱Ca2+及新霉素誘導(dǎo)的[Ca2+]i增加,而U73122的失活類似物U73343則無顯著作用。這些結(jié)果提示,在mESCs由CaSR活化誘導(dǎo)的[Ca2+]i增加也可通過G蛋白-PLC-IP3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路實(shí)現(xiàn)的。

    CaSR可以調(diào)節(jié)很多細(xì)胞內(nèi)信號途徑,包括磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)、MAPK信號通路等,參與細(xì)胞增殖、凋亡和分化。MAPK途徑包括p38、JNK和ERK,調(diào)控多種細(xì)胞功能,特別是在細(xì)胞的增殖、分化和凋亡中起著關(guān)鍵的作用,其中ERK參與了MAPK超家族中對細(xì)胞生長和凋亡的調(diào)控[11]。本實(shí)驗(yàn)通過MTT法和流式細(xì)胞術(shù)2種方法觀察了CaSR的活化對細(xì)胞增殖的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),鈣敏感受體激動(dòng)劑新霉素使細(xì)胞存活率增加,而NPS2390減弱這種作用。ERK的特異性抑制劑PD98059對細(xì)胞的更新并沒有太大的影響。我們通過Western blotting檢測mESCs中CaSR和p-ERK2蛋白的表達(dá),新霉素處理后二者表達(dá)皆增加,NPS2390則可減弱這種作用,PD98059組和正常對照組相比,對p-ERK2蛋白的表達(dá)沒有明顯影響,這可能還與上游信號通路的調(diào)節(jié)有關(guān)。這些結(jié)果提示CaSR激活對mESCs的增殖具有一定的促進(jìn)作用,這與其它研究結(jié)果類似[7, 11-13],但具體信號通路有待進(jìn)一步的研究。

    總之,我們的研究首次證明了CaSR在mESCs存在表達(dá)。CaSR活化引起細(xì)胞內(nèi)鈣增加是通過G-PLC-IP3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路實(shí)現(xiàn)的;CaSR活化能夠促進(jìn)mESCs的增殖,具體作用機(jī)制和信號途徑有待于進(jìn)一步研究。

    [參 考 文 獻(xiàn)]

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