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      DEHP對小鼠精原細(xì)胞Bax和Bcl-2表達(dá)水平的影響

      2018-01-29 09:11:14董瑞娜劉殊張敏戴紅徐肖倩
      生態(tài)毒理學(xué)報 2017年5期
      關(guān)鍵詞:精原細(xì)胞染毒小鼠

      董瑞娜,劉殊,張敏,戴紅, *,徐肖倩, #

      1. 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué),呼和浩特 010110 2. 同煤集團(tuán)職業(yè)病防治院,大同 037003 3. 包頭醫(yī)學(xué)院,包頭 014040

      現(xiàn)今,塑料制品已廣泛深入人類生產(chǎn)和生活。為使其滿足人們不同需求,塑料生產(chǎn)過程中使用和消耗了大量的增塑劑,據(jù)報道估計,增塑劑年均全球總產(chǎn)量580萬t,其中75%為鄰苯二甲酸酯(phthalatic-acid esters, PAE)類化合物[1]。鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(di (2-ethylhexyl)phthalate, DEHP)是PAE的重要組成之一,因它含有與聚合物相容的極性部分和能夠破壞聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)聚合物鏈之間極性相互作用的非極性部分且不與PVC形成共價鍵,所以,其很容易釋放到環(huán)境中,并通過直接接觸和使用進(jìn)入人體,或通過其他PAEs產(chǎn)品以及一般環(huán)境間接暴露[2]。

      近年來,大量研究證實DEHP對嚙齒類動物具有生殖和睪丸毒性及抗雄激素效應(yīng)。根據(jù)暴露劑量及作用對象年齡的不同,均表現(xiàn)出不同程度的組織及細(xì)胞損傷,即出現(xiàn)睪丸、附睪萎縮,精細(xì)管畸形,生殖細(xì)胞、支持細(xì)胞及間質(zhì)細(xì)胞凋亡。DEHP暴露也可改變生殖激素水平,導(dǎo)致血清中睪丸睪酮減少,精子死亡率和畸形率明顯增高。流行病學(xué)研究報道PAEs暴露可能導(dǎo)致男性生殖毒性[3-4],子宮內(nèi)暴露DEHP可縮短雄性肛門生殖器距離[5],并且在嚙齒類動物模型中的實驗也證實了這些發(fā)現(xiàn)[6]。

      我們前期研究發(fā)現(xiàn),DEHP暴露致青春期Wistar大鼠睪丸生精小管嚴(yán)重萎縮,各級生精細(xì)胞減少;黃體生成素(luteinizing hormone, LH)、睪酮(testosterone,T)、促卵泡成熟激素(follicle stimulating hormone,F(xiàn)SH)水平顯著上升[7]。本實驗通過檢測DEHP對小鼠精原細(xì)胞Bax和Bcl-2 mRNA和蛋白表達(dá)水平的影響,進(jìn)一步探討DEHP對雄性生殖系統(tǒng)功能影響的毒作用機(jī)制。

      1 材料與方法(Materials and methods)

      1.1 細(xì)胞株

      小鼠精原細(xì)胞(GC-1spd),由北京協(xié)和基礎(chǔ)研究所分子生物學(xué)實驗室惠贈。

      1.2 儀器與試劑

      酶標(biāo)儀(MK3, Thermo公司,USA),流式細(xì)胞儀(FACSCalibur, BD公司,USA),PCR擴(kuò)增儀(BIO-RAD, USA),電泳儀(DYY-8C,北京六一醫(yī)學(xué)儀器廠),紅外激光成像系統(tǒng)(Odyssey CLx, USA)。

      DEHP(化學(xué)純,純度>99%,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),DMEM高糖培養(yǎng)基(gibco公司),胎牛血清(gibco公司),胰蛋白酶(gibco公司),MTT(Amresco公司),凋亡試劑盒(BD公司),PCR試劑盒(上海生物工程有限公司),Anti-Bax抗體(艾博抗上海貿(mào)易有限公司),Anti-Bcl-2抗體(艾博抗上海貿(mào)易有限公司),其余試劑均為市售分析純。

      1.3 細(xì)胞培養(yǎng)及DEHP溶液配制

      將小鼠精原細(xì)胞接種于含10%胎牛血清的DMEM高糖培養(yǎng)基中,于37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。當(dāng)細(xì)胞密度達(dá)70%~80%,用0.25%胰酶消化,1 000 r·min-1離心5 min后傳代。

      DEHP溶液配制:取原濃度為106mg·L-1的DEHP溶液100 μL,加入900 μL完全培養(yǎng)基,制成濃度為105mg·L-1的DEHP溶液,根據(jù)濃度梯度計算原則,依次配制1 000、100、10 mg·L-1的DEHP溶液。對照組為完全培養(yǎng)基。

      1.4 MTT法檢測細(xì)胞相對活力

      將對數(shù)生長期小鼠精原細(xì)胞經(jīng)胰蛋白酶消化后配制成密度為2×104cells·mL-1的細(xì)胞懸液,以每孔200 μL細(xì)胞懸液接種于96 孔培養(yǎng)板中培養(yǎng)24 h。換成DEHP終濃度為0、10、100、1 000 mg·L-1的培養(yǎng)液培養(yǎng)24 h后。細(xì)胞處理并每孔加入20 μL的5 mg·mL-1MTT溶液,繼續(xù)孵育4 h,吸掉培養(yǎng)基,再加入150 μL DMSO,振蕩10 min,用酶聯(lián)儀于490 nm處檢測各孔吸光度值(OD),實驗重復(fù)3 次,計算其平均值,并按公式計算細(xì)胞相對活力。每個濃度設(shè)3個復(fù)孔。細(xì)胞相對活力=(OD染毒組/OD對照組)×100%。

      1.5 流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞凋亡

      小鼠精原細(xì)胞經(jīng)DEHP染毒24 h后,用0.25%胰酶消化并收集細(xì)胞,離心棄上清,加入1×binding buffer 1 mL,再離心棄上清液,用1×binding buffer 100 μL反復(fù)吹打細(xì)胞至單細(xì)胞懸液,調(diào)整濃度為1×106cells·mL-1。取細(xì)胞懸液100 μL至新的1.5 mL離心管,加入Annexin V-FITC和PI的混合液10 μL,輕彈混勻,室溫避光孵育15 min。轉(zhuǎn)移至新的流式玻璃管中,加入1×binding buffer 400 μL,輕彈混勻。在流式細(xì)胞儀上進(jìn)行檢測。

      1.6 實時熒光定量PCR法檢測Bax和Bcl-2 mRNA表達(dá)

      細(xì)胞總RNA提取與cDNA合成按試劑盒說明書進(jìn)行。cDNA產(chǎn)物置-20 ℃保存。采用BIO-RAD型PCR儀,以GAPDH為內(nèi)參照進(jìn)行PCR。Bax基因引物序列,上游:5'-CAGGATGCGTCCACCAAGAA-3',下游:5'-CGTGTCCACGTCAGCAATCA-3';Bcl-2引物序列,上游:5'-TGAAGCGGTCCGGTGGATA-3',下游:5'-CAGCATTTGCAGAAGTCCTGTGA-3';Gapdh引物序列,上游:5'-AAATGGTGAAGGTCGGTGTGAAC-3',下游:5'-CAACAATCTCCACTTTGCCACTG-3'。反應(yīng)條件,95 ℃、 30 s,95 ℃、 3 s,60 ℃、 30 s,共40個循環(huán)。計算目的基因Bax和Bcl-2的相對表達(dá)量(relative quantification,RQ)。

      1.7 蛋白免疫印跡法(Western Blot)檢測Bax和Bcl-2蛋白表達(dá)

      收集細(xì)胞,用裂解液提取細(xì)胞總蛋白,依據(jù)BCA法進(jìn)行蛋白定量,蛋白上樣量為50 μg,將電泳后分離的蛋白電轉(zhuǎn)至NC膜上,5%的脫脂奶粉封閉,分別加Bax或Bcl-2兔抗鼠抗體,4 ℃過夜,TBST洗3次,每次15 min。再加入鼠抗兔IgG抗體。室溫反應(yīng)1 h,TBST洗2次,TBS洗1次,每次10 min,以Tubulin作為內(nèi)參照,以紅外激光成像系統(tǒng)掃描并分析圖像,再計算相對表達(dá)量。

      1.8 統(tǒng)計學(xué)方法

      2 結(jié)果(Results)

      2.1 DEHP對細(xì)胞相對活力的影響

      采用MTT比色法檢測不同濃度(0、10、100和1 000 mg·L-1)DEHP作用于小鼠精原細(xì)胞24 h后的細(xì)胞相對活力(圖1)。結(jié)果顯示(F=1 346.806,P=0.000)隨著DEHP暴露濃度增加,細(xì)胞相對活力呈下降趨勢,分別為100%、97.3%、77.9%和62.8%。其中1 000 mg·L-1劑量組明顯低于其他各劑量組,100 mg·L-1劑量組低于對照組和10 mg·L-1劑量組(P<0.05)。

      圖1 DEHP對小鼠精原細(xì)胞相對活力變化注:*與對照組比較,P <0.05;◆與10 mg·L-1比較,P <0.05;?與100 mg·L-1比較,P <0.05。Fig. 1 Effect of DEHP on the relative activity of mouse spermatogoniaNote: *P <0.05 vs control group; ◆P <0.05 vs 10 mg·L-1; P<0.05 vs 100 mg·L-1.

      2.2 DEHP對小鼠精原細(xì)胞的凋亡作用

      如圖2、表1所示,小鼠精原細(xì)胞經(jīng)DEHP染毒24 h后,早期凋亡率1 000 mg·L-1劑量組高于對照組(P<0.05);晚期凋亡率1 000 mg·L-1和100 mg·L-1劑量組均明顯高于對照組,1 000 mg·L-1劑量組高于10 mg·L-1劑量組(P<0.05);總凋亡率呈現(xiàn)明顯上升趨勢,其中1 000 mg·L-1和100 mg·L-1劑量組明顯高于對照組,1 000 mg·L-1劑量組還明顯高于10 mg·L-1劑量組(P<0.05)。

      2.3 DEHP對小鼠精原細(xì)胞Bax和Bcl-2 mRNA表達(dá)水平的影響

      小鼠精原細(xì)胞Bax和Bcl-2 mRNA實時熒光定量PCR檢測結(jié)果見表2。Bax mRNA表達(dá)水平1 000 mg·L-1和100 mg·L-1劑量組明顯高于對照組,1 000 mg·L-1劑量組與10 mg·L-1劑量組比較差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);Bcl-2 mRNA表達(dá)水平1 000 mg·L-1劑量組低于10 mg·L-1劑量組和對照組(P<0.05);此外,Bax和Bcl-2 mRNA比值1 000 mg·L-1和100 mg·L-1劑量組均明顯高于對照組,1 000 mg·L-1劑量組高于10 mg·L-1劑量組(P<0.05)。

      2.4 DEHP對小鼠精原細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白Bax和Bcl-2表達(dá)水平的影響

      表3、圖3所示,在內(nèi)參表達(dá)一致的情況下,小鼠精原細(xì)胞經(jīng)不同濃度DEHP作用24 h后,Bax蛋白表達(dá)水平1 000 mg·L-1劑量組高于對照組(P<0.05);Bcl-2蛋白表達(dá)水平各劑量組與對照組比較差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義,且1 000 mg·L-1和100 mg·L-1劑量組明顯低于10 mg·L-1劑量組和對照組(P<0.05);此外,Bax/Bcl-2兩蛋白間的比值關(guān)系是決定細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵因素,1 000 mg·L-1和100 mg·L-1劑量組明顯高于對照組,而1 000 mg·L-1劑量組高于10 mg·L-1劑量組(P<0.05),隨著DEHP染毒劑量的增加,Bax/Bcl-2比值呈現(xiàn)上升趨勢。

      表1 小鼠精原細(xì)胞凋亡率檢測結(jié)果Table 1 The apoptosis of mouse spermatogonia (±s)

      注:*與對照組比較,P<0.05;◆與10 mg·L-1比較,P<0.05。

      Note:*P<0.05 vs control group;◆P<0.05 vs 10 mg·L-1.

      表2 小鼠精原細(xì)胞Bax和Bcl-2 mRNA表達(dá)檢測結(jié)果Table 2 The Bax and Bcl-2 mRNA expression of the mouse spermatogonia (%) (±s)

      注:*與對照組比較,P<0.05;◆與10 mg·L-1比較,P<0.05。

      Note:*P<0.05 vs control group;◆P<0.05 vs 10 mg·L-1.

      圖2 流式細(xì)胞儀檢測小鼠精原細(xì)胞凋亡注:O, 對照組;A, DEHP低劑量組;B, DEHP中劑量組;C, DEHP高劑量組。Fig. 2 The apoptosis of the mouse spermatogonia detected by flow cytometryNote: A, control; B, low-dose DEHP; C, medium-dose DEHP; D, high-dose DEHP.

      圖3 小鼠精原細(xì)胞Bax和Bcl-2蛋白Western印記檢測注: O, 對照組;A, DEHP低劑量組;B, DEHP中劑量組;C, DEHP高劑量組。Fig. 3 Analysis of Bax and Bcl-2 protein expressions in the mouse spermatogonia detected by Western blotNote: O, control; A, low-dose DEHP; B, medium-dose DEHP; C, high-dose DEHP.

      表3 DEHP染毒小鼠精原細(xì)胞24 h時Bax和Bcl-2 蛋白表達(dá)檢測結(jié)果(x±s)Table 3 The Bax and Bcl-2 protein expression of the mouse spermatogonia after 24 h exposure (x±s)

      注:*與對照組比較,P<0.05;◆與10 mg·L-1比較,P<0.05。

      Note:*P<0.05 vs control group;◆P<0.05 vs 10 mg·L-1.

      3 討論(Discussion)

      DEHP對人類和動物體的多種器官造成損傷作用,如影響肝臟、腎臟以及神經(jīng)系統(tǒng),還可以降低機(jī)體的免疫功能,損害生殖腺,導(dǎo)致生殖器官畸形甚至癌變[8]?,F(xiàn)階段人們對DEHP的研究主要集中在生殖系統(tǒng)的體內(nèi)研究上,而對DEHP在生殖細(xì)胞上的研究較少,尤其對精原細(xì)胞的研究。為此本文探究了DEHP對小鼠精原細(xì)胞培養(yǎng)過程中的影響及毒性作用機(jī)制。

      精原細(xì)胞在雄性生殖細(xì)胞早期發(fā)育階段具有無限分裂的能力,能在分裂過程中保持原有的基因性狀。再者,精子發(fā)生作為維持男性生育力高度復(fù)雜和關(guān)鍵的過程,又需要精原干細(xì)胞的連續(xù)自我更新和分化以及許多分子及途徑的參與才能進(jìn)行[9],因此對精原細(xì)胞的研究是十分重要的。有研究認(rèn)為DEHP可直接損害精原細(xì)胞,減少細(xì)胞數(shù)量,抑制細(xì)胞增殖,促進(jìn)細(xì)胞死亡,發(fā)生性激素分泌紊亂,進(jìn)而降低雄激素水平,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[10]。

      有關(guān)DEHP的濃度選擇,經(jīng)過充分的預(yù)實驗證明,本實驗所選擇的暴露濃度具有實際意義。由于精原細(xì)胞對DEHP的接受程度和人體不一樣,且DEHP對精原細(xì)胞的染毒劑量目前在研究領(lǐng)域沒有明確規(guī)定,所以本實驗所選擇的實驗濃度對精原細(xì)胞是可行的。

      本研究發(fā)現(xiàn),DEHP對小鼠精原細(xì)胞有明顯的生長抑制作用,隨著DEHP暴露劑量的增加,小鼠精原細(xì)胞的細(xì)胞相對活力1 000 mg·L-1和100 mg·L-1劑量組與對照組比較有顯著差異,主要表現(xiàn)在增殖現(xiàn)象明顯減少,小鼠精原細(xì)胞形成不明顯或形成后有明顯的細(xì)胞死亡和退化現(xiàn)象。特別是在1 000 mg·L-1劑量組的作用下,細(xì)胞數(shù)明顯減少。相比而言10 mg·L-1劑量組對小鼠精原細(xì)胞的影響較小,可繼續(xù)增殖,但出現(xiàn)不同程度的細(xì)胞退化和死亡現(xiàn)象??偟膩碚f,1 000 mg·L-1劑量組對細(xì)胞的影響較大,并隨著暴露時間的延長細(xì)胞損傷程度越明顯。楊電明[11]在對神經(jīng)干細(xì)胞和骨髓干細(xì)胞的研究中也得出了和本文相一致的結(jié)論。Piche等[12]通過研究小鼠間質(zhì)腫瘤細(xì)胞系MA-10細(xì)胞的抗雄激素潛能時也發(fā)現(xiàn),DEHP可降低細(xì)胞活力,抑制細(xì)胞增殖。還有研究發(fā)現(xiàn):DEHP及其代謝產(chǎn)物MEHP可通過抑制PI3K/AKT細(xì)胞通路和阻礙信號傳導(dǎo)途徑影響精原細(xì)胞的增殖[13]。

      誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡可能是導(dǎo)致精原細(xì)胞數(shù)量減少的重要因素,精原細(xì)胞數(shù)量減少,勢必會阻礙精子的發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn),高劑量(1 500 mg·kg-1)組DEHP可使青春期SD雄性大鼠睪丸生精小管嚴(yán)重萎縮,各級生精細(xì)胞大量喪失,支持細(xì)胞呈空泡狀,間質(zhì)細(xì)胞發(fā)生異常增生的現(xiàn)象,說明DEHP也可通過睪丸內(nèi)支持細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞及各級生精細(xì)胞產(chǎn)生雄性生殖毒性作用[14]。本研究流式細(xì)胞儀分析結(jié)果表明,隨著DEHP染毒劑量的增加,各劑量組小鼠精原細(xì)胞早期、晚期及總凋亡率呈逐漸上升趨勢,尤其是1 000 mg·L-1劑量組與對照組相比,凋亡率明顯升高(P<0.05),說明1 000 mg·L-1劑量組對小鼠精原細(xì)胞的損傷最明顯。同時也說明DEHP能夠誘導(dǎo)小鼠精原細(xì)胞凋亡的發(fā)生。宋曉峰等[15]發(fā)現(xiàn),DEHP能誘導(dǎo)小鼠胚胎睪丸間質(zhì)細(xì)胞凋亡,DEHP暴露組凋亡指數(shù)及凋亡細(xì)胞比例與對照組相比均有顯著差異(P<0.05)。還有研究發(fā)現(xiàn),DEHP作用于青春期小鼠,可誘導(dǎo)其精子數(shù)量減少及生精上皮的組織學(xué)異常和減數(shù)分裂后生殖細(xì)胞的凋亡[16]。

      細(xì)胞凋亡是由各種生理和病理刺激所引發(fā)的一種細(xì)胞死亡的獨特形式,且在機(jī)體生長發(fā)育和生殖衰老過程中發(fā)揮著重要的作用。導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的2個主要途徑之一是線粒體途徑,在該途徑活化期間特征性的生化變化是細(xì)胞色素C滲漏到細(xì)胞質(zhì)中[17],這種從線粒體釋放的細(xì)胞色素C是由Bcl-2蛋白家族的成員調(diào)節(jié),其中Bax和Bcl-2作為Bcl-2家族中的重要成員在細(xì)胞凋亡調(diào)控過程中發(fā)揮著重要的作用[18]。

      從實時熒光定量PCR結(jié)果可以看出,Bax mRNA的表達(dá)水平在DEHP染毒24 h后,1 000 mg·L-1和100 mg·L-1劑量組明顯高于對照組,說明DEHP暴露能促使Bax mRNA 表達(dá)水平升高。相反Bcl-2 mRNA的表達(dá)水平在DEHP暴露24 h后,1 000 mg·L-1劑量組明顯低于對照組和10 mg·L-1劑量組(P<0.05);同時,Bax和Bcl-2 mRNA比值顯示,1 000 mg·L-1劑量組與對照組比較明顯上升(P<0.05),表明DEHP對小鼠精原細(xì)胞的損傷具有一定的劑量依賴性,并隨著染毒劑量的增加Bax基因表達(dá)增強(qiáng),Bcl-2基因表達(dá)減弱,從而誘導(dǎo)生殖細(xì)胞凋亡。吳維光等[19-20]得出DEHP對大鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞和支持細(xì)胞都具有毒性作用,且誘導(dǎo)凋亡機(jī)制與本文相同。有研究證明:低濃度的MEHP誘導(dǎo)Bax表達(dá)升高和促進(jìn)細(xì)胞色素C從線粒體釋放到細(xì)胞質(zhì),同時在轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯水平降低Bcl-2的表達(dá)[21]。

      細(xì)胞內(nèi)Bax和Bcl-2蛋白表達(dá)的增加與減少是調(diào)控細(xì)胞凋亡的重要途徑。本研究顯示:DEHP暴露24 h后,隨著染毒劑量的增加,1 000 mg·L-1劑量組較對照組Bax蛋白表達(dá)有大幅升高趨勢,而1 000 mg·L-1和100 mg·L-1劑量組與對照組和10 mg·L-1劑量組比較Bcl-2蛋白表達(dá)水平均有降低的趨勢(P<0.05),與Bax/Bcl-2蛋白比值中得出的結(jié)論一致,說明隨著DEHP染毒劑量的增加,Bax蛋白表達(dá)逐漸增強(qiáng),Bcl-2蛋白表達(dá)逐漸減弱??梢娂?xì)胞凋亡確實受Bcl-2蛋白的調(diào)節(jié),而且Bax/Bcl-2蛋白比值在細(xì)胞凋亡過程中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。Furuchi等[22]研究了轉(zhuǎn)基因小鼠精原細(xì)胞中Bcl-2蛋白的異常表達(dá),證實小鼠精原細(xì)胞的凋亡是受Bcl-2蛋白的調(diào)節(jié),與本文研究結(jié)論一致。

      本實驗研究顯示,DEHP各劑量暴露組普遍引起小鼠精原細(xì)胞的損傷,且以高劑量組變化最為顯著,主要表現(xiàn)為細(xì)胞存活率顯著下降,細(xì)胞凋亡率顯著增加,進(jìn)而引起精子形成障礙等一系列生殖異常表現(xiàn)。而DEHP暴露后致使小鼠精原細(xì)胞內(nèi)Bax mRNA基因和促凋亡蛋白Bax蛋白表達(dá)上升,而Bcl-2 mRNA基因和抗凋亡Bcl-2蛋白表達(dá)下降,改變了Bax/Bcl-2兩蛋白之間的比值與平衡,是決定細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵因素和主要機(jī)制。

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