細(xì)胞自噬促進(jìn)脂肪干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化

陳全剛,陳仁金,袁紅花

(1.徐州醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，江蘇 徐州 221000；2.徐州醫(yī)科大學(xué)神經(jīng)生物研究中心,江蘇 徐州 221000)

?

細(xì)胞自噬促進(jìn)脂肪干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化

陳全剛1,陳仁金1,袁紅花2

(1.徐州醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，江蘇 徐州 221000；2.徐州醫(yī)科大學(xué)神經(jīng)生物研究中心,江蘇 徐州 221000)

目的：探討細(xì)胞自噬對(duì)ADSCs分化的影響。方法：無菌條件下取大鼠大網(wǎng)膜，腎周脂肪囊，睪丸周圍等處取脂肪組織并分離ADSCs，用軟骨細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，并通過抑制劑或干擾分子改變細(xì)胞自噬水平，檢測(cè)ADSCs向軟骨細(xì)胞分化的變化情況。結(jié)果：抑制自噬，細(xì)胞表達(dá)軟骨細(xì)胞標(biāo)識(shí)蛋白，SOX-9的量顯著下調(diào)：誘導(dǎo)自噬，SOX-9的表達(dá)顯著升高，結(jié)論：細(xì)胞自噬促進(jìn)ADSCs向軟骨細(xì)胞分化。

脂肪干細(xì)胞；細(xì)胞自噬；細(xì)胞分化

軟骨缺損是臨床常見的一種骨科疾病，由于軟骨是一種無神經(jīng)及血管營(yíng)養(yǎng)的組織，其自身修復(fù)能力有限，導(dǎo)致臨床治療困難重重。構(gòu)建組織工程軟骨是一種有效的解決方式，然而，種子細(xì)胞的來源問題又一直制約著軟骨組織工程的發(fā)展。脂肪干細(xì)胞(adipose-derived-stem cells，ADSCs)的發(fā)現(xiàn)為解決這一問題提供了新的方法。細(xì)胞自噬是一種高度保守的溶酶體依賴性降解途徑。通過自噬，細(xì)胞可以清除受損或衰老的細(xì)胞器及過度聚集的蛋白，在維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。此外，越來越多的研究表明，細(xì)胞自噬還參與機(jī)體眾多機(jī)能的調(diào)控，如細(xì)胞凋亡、天然免疫、獲得性免疫、細(xì)胞分化等。迄今為止，細(xì)胞自噬對(duì)ADSCs的調(diào)控作用仍然未被證實(shí)。為此，本研究通過細(xì)胞自噬誘導(dǎo)劑雷帕霉素(Rapamycin)及抑制劑(3-MA)，分別誘導(dǎo)和抑制細(xì)胞自噬水平，進(jìn)一步通過熒光定量PCR (qRT-PCR) 和Western blot檢測(cè)軟骨細(xì)胞標(biāo)識(shí)物SOX-9的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)ADSCs的細(xì)胞自噬，顯著提高其向軟骨細(xì)胞的分化能力。相反，細(xì)胞自噬被抑制后，其分化能力顯著降低。此外，我們通過干擾分子抑制自噬相關(guān)基因ATG5的表達(dá)，對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步證實(shí)了細(xì)胞自噬對(duì)ADSCs向軟骨細(xì)胞分化的調(diào)控作用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及試劑

SD大鼠由徐州醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心自繁自養(yǎng)。3-MA、Rapamycin購自美國(guó)Sigma公司。LC3及SOX-9抗體購自美國(guó) Cell Signaling Technology (CST)公司。Trizol Regent、熒光定量試劑盒購自Invitrogen公司。FITC標(biāo)記二抗購自中國(guó)碧云天公司。ATG5干擾分子(siATG5)由蘇州吉馬公司設(shè)計(jì)合成。

1.2 ADSCs的分離培養(yǎng)

取雄性SD大鼠，頸椎脫臼法處死，在無菌條件下取大鼠大網(wǎng)膜，腎周脂肪囊，睪丸周圍等處取脂肪組織。脂肪組織經(jīng)D-Hank’s液漂洗后剪碎，并置于0.1%的I型膠原酶中消化，隨后經(jīng)過濾后置于含10% FBS高糖DMEM中，37℃、5% CO2孵育箱中培養(yǎng)。72h后換液，去除未貼壁細(xì)胞，待細(xì)胞長(zhǎng)滿后0.25%胰酶消化傳代。

1.3 Western blot

ADSCs接種6孔板，置于含軟骨細(xì)胞誘導(dǎo)劑(50nmol/L抗壞血酸、6.25mg/L胰島素、100nmol/L地塞米松、50μg/L TGF-β1)的DMEM培養(yǎng)基中培養(yǎng)，每3天更換培養(yǎng)液。細(xì)胞培養(yǎng)至第14天后，棄上清，細(xì)胞經(jīng)裂解液裂解，收取總蛋白。等量的蛋白通過12%的SDS-PAGE膠進(jìn)行跑膠分離，并轉(zhuǎn)移至PVDF膜上。洗滌后，用5%脫脂奶粉封閉。并分別用SOX-9、LC-3及內(nèi)參β-actin一抗孵育，室溫孵育1h后，使用HRP標(biāo)記的二抗進(jìn)行孵育并顯色。

1.4 qRT-PCR

ADSCs經(jīng)誘導(dǎo)培養(yǎng)14d后，收取樣品，按TRIzol Reagent說明書提取細(xì)胞總RNA。并通過逆轉(zhuǎn)錄酶將其反轉(zhuǎn)錄為cDNA。依據(jù)RT-PCR試劑盒說明書，進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR擴(kuò)增。SOX-9 mRNA表達(dá)水平與內(nèi)參(GAPDH)作均一化處理。引物采用Primer 5進(jìn)行設(shè)計(jì)，序列見表1。

表1 引物序列采用primer與設(shè)計(jì)

2 結(jié)果

2.1 誘導(dǎo)自噬促進(jìn)ADSCs的分化

為證實(shí)細(xì)胞自噬對(duì)ADSCs分化的調(diào)控作用，我們用含軟骨細(xì)胞誘導(dǎo)劑的培養(yǎng)基培養(yǎng)ADSCs，同時(shí)設(shè)置雷帕霉素處理的實(shí)驗(yàn)組。細(xì)胞培養(yǎng)14d后，收取樣品。細(xì)胞自噬被誘導(dǎo)后LC3蛋白會(huì)由LC3-I型轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)C3-II型，這也是公認(rèn)的細(xì)胞自噬被誘導(dǎo)的標(biāo)志。為此，我們首先通過Western blot檢測(cè)LC3-I和LC3-II蛋白的表達(dá)變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雷帕霉素處理顯著促進(jìn)LC3-II的表達(dá)(圖1A)，證實(shí)雷帕霉素可以提高ADSCs的自噬水平。進(jìn)一步，通過qRT-PCR和Western blot分別檢測(cè)軟骨標(biāo)識(shí)蛋白SOX-9在mRNA和蛋白水平的表達(dá)變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素處理顯著促進(jìn)SOX-9的表達(dá)(圖1B, 1C)。

圖1 A: Western blot檢測(cè)LC3表達(dá)；B: qRT-PCR檢測(cè)SOX-9表達(dá)； C: Western blot檢SOX-9的表達(dá)

2.2 抑制細(xì)胞自噬抑制ADSCs向軟骨細(xì)胞分化

隨后，我們檢測(cè)抑制細(xì)胞自噬對(duì)ADSCs分化的影響。同樣，ADSCs在含軟骨細(xì)胞誘導(dǎo)劑的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)組用細(xì)胞自噬抑制劑3-MA處理，同時(shí)設(shè)未處理組對(duì)照。細(xì)胞培養(yǎng)14d后通過qRT-PCR及Western blot檢測(cè)SOX-9的表達(dá)變化情況。結(jié)果表明，3-MA處理顯著抑制SOX-9的表達(dá)(圖2A, 2B)。

圖2 A:qRT-PCR檢測(cè)SOX-9的表達(dá)；B: Western blot檢測(cè)SOX-9的表達(dá)

2.3 干擾自噬相關(guān)基因的表達(dá)抑制ADSCs向軟骨細(xì)胞分化

為進(jìn)一步對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，我們通過干擾分子抑制自噬相關(guān)基因的表達(dá)，檢測(cè)其對(duì)ADSCs分化的影響。首先我們通過qRT-PCR驗(yàn)證干擾分子的干擾效果。結(jié)果證實(shí)ATG5干擾分子可顯著抑制ATG5的表達(dá)(圖3A)。同時(shí)，SOX-9的表達(dá)也受到明顯抑制(圖3B, 3C)。表明抑制細(xì)胞自噬，可顯著抑制ADSCs向軟骨細(xì)胞的分化。

圖3 A,B: q RT-PCR 檢測(cè)ATG5及SOX-9的表達(dá)；C：Western blot檢測(cè)SOX-9的表達(dá)

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，軟骨受損后自身修復(fù)能力有限，當(dāng)受損部位直徑大于4 mm時(shí)，則軟骨組織不能自行修復(fù)[1]。通過“微骨折”、軟骨移植等方法進(jìn)行軟骨缺損治療取得一定效果，但同時(shí)面臨著排斥反應(yīng)、修復(fù)質(zhì)量差等缺陷。通過組織工程學(xué)對(duì)軟骨缺損進(jìn)行治療，是醫(yī)學(xué)中的又一進(jìn)步，通過組織工程制造的器官為創(chuàng)傷的修復(fù)提供了更豐富的來源，同時(shí)也是醫(yī)學(xué)進(jìn)入制造組織和器官的新時(shí)代。然而，在組織器官體外制造的過程中，種子細(xì)胞的來源又制約著其發(fā)展。如，在對(duì)軟骨組織進(jìn)行研究的過程中自體軟骨細(xì)胞最早被用作種子細(xì)胞，但該細(xì)胞存在體外分化能力弱且培養(yǎng)傳代中部分細(xì)胞會(huì)失去表形等缺點(diǎn)[2]。

脂肪干細(xì)胞是成體干細(xì)胞之一，2001年由Zuk等人從脂肪組織中分離得到，自身可不斷更新增殖，同時(shí)具有干細(xì)胞特有的多向分化潛能。大量的研究證實(shí)了，ADSCs在特定條件下可分化為神經(jīng)細(xì)胞、成骨細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞及軟骨細(xì)胞等[3～4]。細(xì)胞自噬是一種真核細(xì)胞高度保守的降解途徑，細(xì)胞自噬可降解體內(nèi)過剩聚集蛋白或衰老的細(xì)胞器，在維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定發(fā)揮重要作用。隨著研究的不斷深入，細(xì)胞自噬的作用不斷被揭示，如自噬通過調(diào)節(jié)干擾素的產(chǎn)生而影響天然免疫，通過調(diào)控MHC分子的表達(dá)調(diào)節(jié)獲得性免疫等。此外，細(xì)胞自噬水平的改變還影響多種細(xì)胞的分化。如，通過基因敲除自噬相關(guān)基因，顯著抑制了成骨細(xì)胞的分化生成；細(xì)胞自噬可以通過降解PDLIM1蛋白而調(diào)控精子細(xì)胞的分化生成[5]；誘導(dǎo)自噬可以促進(jìn)大鼠神經(jīng)干細(xì)胞的增殖與分化等[6]。

ADSCs在軟骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基中培養(yǎng)可分化為軟骨細(xì)胞。然而，迄今為止細(xì)胞自噬對(duì)脂肪干細(xì)胞分化的調(diào)控作用仍未見報(bào)道。為此，我們并對(duì)ADSCs進(jìn)行軟骨細(xì)胞分化的誘導(dǎo)培養(yǎng)，同時(shí)，通過化學(xué)試劑或干擾分子等手段改變細(xì)胞自噬水平。通過qRT-PCR和Western blot手段檢測(cè)軟骨細(xì)胞標(biāo)示蛋白SOX-9的表達(dá)變化情況，探明了細(xì)胞自噬在ADSCs向軟骨細(xì)胞分化過程中的正調(diào)控作用。為ADSCs做為種子細(xì)胞構(gòu)建工程組織軟骨提供了更豐富的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，也首次證實(shí)了在ADSCs中細(xì)胞自噬可以被誘導(dǎo)產(chǎn)生。

[1]Nettles DL, Elder SH, Gilbert JA. Potential use of chitosan as a cell scaffold material for cartilage tissue engineering[J]. Tissue Eng，2002，8(6):1009-1016

[2]Saadeh PB, Brent B, Mehrara BJ, et al. Human cartilage engineering: chondrocyte extraction, proliferation, and characterization for construct development[J]. Ann Plast Surg，1999，42(5):509-513

[3]Lendeckel S, J dicke A, Christophis P,et al.Autologous stem cells (adipose) and fibrin glue used to treat widespread traumatic calvarial defects: case report[J]. J Craniomaxillofac Surg，2004，32(6):370-373

[4]Brzoska M, Geiger H, Gauer S,et al. Epithelial differentiation of human adipose tissue-derived adult stem cells[J]. Biochem Biophys Res Commun，2005，330(1):142-150

[5]Shang Y, Wang H, Jia P, et al. Autophagy regulates spermatid differentiation via degradation of PDLIM1[J]. Autophagy,2016,16:60

[6]Chen Y, Zhao L, Tian X,et al. Autophagy induced by the withdrawal of mitogens promotes neurite extension in rat neural stem cells[J]. J Biochem Mol Toxicol，2013，27(7):351-356

Cell autophagy promoting the cells differentiation from adipose stem cells to cartilage

CHENQuan-gang1,CHENRen-jin1,YUANHong-hua2

(1.Laboratory Animal Unit, Xuzhou Medical University， Xuzhou 221004, China; 2. Neurobiological Research Center, Xuzhou Medical University, Xuzhou 221004,China)

Objective: To investigated the effect of autophagy on ADSCs differentiation. Methods: ADSCs were isolated from the adipose tissue around the testicles under aseptic conditions. Cellular autophagy were induced or inhibited by inhibitors or interference and cultured in chondrocyte induction medium. The differentiations of ADSCs were evaluated by western blot. Results: Inhibits the cellular autophagy, the expression of cartilage cell protein SOX-9 significantly reduced. However, when cellular autophagy was induced, the SOX-9 expression was increased. Conclusion: Autophagy promotes the differentiation of ADSCs into chondrocytes.

ADSCs；autophagy;cell differentiation

1.徐州醫(yī)學(xué)院院長(zhǎng)基金，編號(hào)：53631319；2.國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，編號(hào)：31172171。

陳全剛(1985～)男， 山東臨沂人，博士，助理研究員。

袁紅花(1968～)女，江蘇徐州人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。E-mail：jianling213@126.com。

R687

A

1008-0104(2016)06-0001-03

2016-06-23)