曹會(huì)敏,倪 靜,玉崧成,馮斐斐,吳擁軍
鄭州大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生毒理學(xué)教研室 鄭州 450001
多環(huán)芳烴類混合物(polycyclicaormatic hydorcarbons, PAHs)是煤焦瀝青(coal tar pitch,CTP)的主要成分,長期接觸大量PAHs,可產(chǎn)生多種損傷,如氧化應(yīng)激、加合物形成、微核率增加[1]、炎性反應(yīng)等,最終引起癌癥或其他疾病[2]。接觸CTP早期可致肺部的炎癥反應(yīng),長期刺激可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化、引發(fā)肺癌[3]。而人體持續(xù)暴露于內(nèi)源性或外源性的氧化劑或親電子劑化學(xué)物,使機(jī)體內(nèi)活性氧或活性氮升高,破壞機(jī)體的氧化還原平衡,導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷(包括脂肪、蛋白質(zhì)和核酸),引起慢性炎癥[4-5],繼而引發(fā)一系列疾病,如癌癥、心血管疾病、神經(jīng)性病變、炎性疾病等[6-7]。細(xì)胞可通過各種修復(fù)和抗氧化防御機(jī)制抵抗各種氧化刺激[8]。研究[9]表明,轉(zhuǎn)錄因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)可以保護(hù)細(xì)胞和器官免受多種多樣的毒性損傷。醌氧化還原酶1[NAD(P)H quinone dehydrogenase 1, NQO1]在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)方面具有重要作用[10]。Logsdon等[11]研究發(fā)現(xiàn),在人胰腺癌細(xì)胞中NQO1的表達(dá)是正常組織細(xì)胞的12倍,認(rèn)為NQO1是胰腺癌的生物學(xué)標(biāo)志物。其他研究[12-13]發(fā)現(xiàn)NQO1在肺癌、乳腺癌等腫瘤細(xì)胞中也處于異常高表達(dá)狀態(tài),且與Nrf2通路其他下游靶向基因的表達(dá)水平保持一致。Nrf2基因缺乏小鼠表現(xiàn)出對腫瘤基因的高度靈敏性[14],在肺癌中發(fā)現(xiàn)Nrf2基因的異常,而該變化能對化學(xué)治療與放射治療產(chǎn)生抵抗作用[15-16],且有利于腫瘤的生長,影響預(yù)后。因此,深入了解Nrf2在細(xì)胞保護(hù)中的調(diào)節(jié)作用可以對肺癌的發(fā)生機(jī)制及新型的抗腫瘤藥物的探索提供線索。該研究應(yīng)用RNA干擾技術(shù)(RNA interfering, RNAi)沉默BEAS-2B細(xì)胞中Nrf2基因的表達(dá),建立Nrf2基因沉默穩(wěn)定表達(dá)株,并利用煤焦瀝青煙提取物(coal tar pitch smoke extract,CTPE)作為誘導(dǎo)劑,體外建立BEAS-2B細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化模型,動(dòng)態(tài)觀察不同代次細(xì)胞中Nrf2基因及蛋白的表達(dá),探討CTPE可能的致癌機(jī)制以及Nrf2在致細(xì)胞發(fā)生惡性改變過程中的作用,為探索肺癌的發(fā)生機(jī)制提供線索。
1.1主要試劑與細(xì)胞CTPE由中國鋁業(yè)股份有限公司河南分公司提供;G418、瓊脂糖(美國Invitrogen公司);定量PCR試劑盒、反轉(zhuǎn)錄試劑盒[寶生物工程(大連)有限公司];兔抗Nrf2、NQO1、β-actin一抗和辣根過氧化物酶標(biāo)記的羊抗兔-IgG(英國Abcam公司)。BEAS-2B細(xì)胞由鄭州大學(xué)特聘教授吳衛(wèi)東老師饋贈(zèng),用含體積分?jǐn)?shù)12%胎牛血清的RPMI 1640完全培養(yǎng)基,常規(guī)培養(yǎng)于體積分?jǐn)?shù)5% CO2、37 ℃飽和濕度的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞融合至90%時(shí)傳代。
1.2RNAi沉默Nrf2細(xì)胞的建立篩選BEAS-2B細(xì)胞株對氨基糖苷類抗生素G418最低耐受濃度;對GenBank 上公布的人 Nrf2核苷酸序列設(shè)計(jì)4條RNA抑制靶序列(分別標(biāo)記Nrf2-1、Nrf2-2、Nrf2-3、Nrf2-4),1條陰性對照序列(記為shNC)及1條陽性對照序列(記為shGAPDH)進(jìn)行RNAi-Mate轉(zhuǎn)染,篩選出沉默Nrf2基因的最佳序列,熒光顯微鏡觀察及RT-PCR驗(yàn)證其結(jié)果。利用最佳濃度的G418篩選細(xì)胞轉(zhuǎn)染si-Nrf2重組質(zhì)粒,將細(xì)胞分為目的基因?qū)嶒?yàn)組、空白對照組、G418對照組和轉(zhuǎn)染試劑對照組。由RT-PCR測定Nrf2 mRNA相對表達(dá)量,將穩(wěn)定轉(zhuǎn)染的細(xì)胞移至細(xì)胞培養(yǎng)瓶中繼續(xù)培養(yǎng)并凍存。
1.3細(xì)胞染毒及惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞株的建立當(dāng)BEAS-2B細(xì)胞生長融合至70%左右時(shí),PBS沖洗2遍,更換新的完全培養(yǎng)基5 mL,將細(xì)胞分為二甲基亞砜(DMSO)陰性對照組、B(a)P陽性對照組、CTPE染毒組和Nrf2轉(zhuǎn)染組。分別吸取10 μL的DMSO 溶液、以10 μL 2.5g /L DMSO為溶劑配制的B(a)P母液、7.5 μL 2 g/L的CTPE,加入到5 mL新鮮完全培養(yǎng)基充分混合的溶液,反復(fù)吹打使培養(yǎng)基與該染毒物充分混勻后處理上述分組的細(xì)胞。24 h后常規(guī)傳代培養(yǎng),如此反復(fù)3次,最后一次染毒結(jié)束后首次傳代定為第1代。Nrf2轉(zhuǎn)染組在傳代過程中每隔5代進(jìn)行一次轉(zhuǎn)染,并一直應(yīng)用半數(shù)抑制濃度60%的G418完全培養(yǎng)基維持。
1.4軟瓊脂克隆形成實(shí)驗(yàn)用3 g/L胰蛋白酶消化對數(shù)生長期細(xì)胞,并用含體積分?jǐn)?shù)20%胎牛血清的RPMI-1640培養(yǎng)基輕輕吹打,使之成為單細(xì)胞,用PBS制備12和7 g/L 2個(gè)質(zhì)量濃度的低熔點(diǎn)瓊脂糖液,按11(體積比)比例使12 g/L的瓊脂糖和2×培養(yǎng)基(含有2×抗生素和體積分?jǐn)?shù)20%的小牛血清)混合后,6孔板中每孔注入2 mL作底層瓊脂,置于CO2培養(yǎng)箱中;按11比例使7 g/L的瓊脂糖和2×培養(yǎng)基在15 mL離心管中混勻,再向管中加入單細(xì)胞懸液0.2 mL,吹打混勻,緩慢注入鋪有12 g/L瓊脂糖的6孔板中,瓊脂凝固后,每孔加入完全培養(yǎng)基2 mL,置CO2溫箱中培養(yǎng)10~14 d;于倒置顯微鏡下觀察計(jì)數(shù),觀察克隆形成率。
1.5各組細(xì)胞mRNA的提取和Nrf2和NQO1的RT-PCR檢測各組轉(zhuǎn)染細(xì)胞培養(yǎng)24~48 h后提取細(xì)胞總RNA,細(xì)胞總RNA的提取嚴(yán)格按照RNAiso Plus試劑說明書進(jìn)行,引物寡核苷酸序列參照GenBank中Nrf2和NQO1的DNA序列,委托寶生物工程(大連)有限公司設(shè)計(jì)并合成,以GAPDH作內(nèi)參照。同一樣本均設(shè)3個(gè)平行樣,PCR儀自動(dòng)繪制擴(kuò)增曲線和溶解曲線。反應(yīng)程序設(shè)定:預(yù)變性95 ℃,10 min,然后95 ℃,5 s;55 ℃,15 s;72 ℃,15 s,擴(kuò)增20~30個(gè)循環(huán)。溶解曲線程序設(shè)定:95 ℃,1 min;55 ℃,30 s;95 ℃,30 s,1個(gè)循環(huán)。采用2-ΔΔCt法計(jì)算目的基因在各組細(xì)胞中的相對表達(dá)量。
1.6各組細(xì)胞中Nrf2和NQO1蛋白表達(dá)的Westernblot檢測各組細(xì)胞按試劑盒說明書提取細(xì)胞總蛋白,各組標(biāo)本加入蛋白上樣緩沖液行SDS-PAGE電泳、轉(zhuǎn)膜、封閉、一抗孵育、二抗孵育、ECL發(fā)光顯色。采用KONDA2000凝膠成像系統(tǒng)成像,用 GENESNAP 軟件統(tǒng)計(jì)各條帶灰度值,以GAPDH為內(nèi)參照,計(jì)算目的基因與內(nèi)參照吸光度的相對比值。
1.7統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS 21.0進(jìn)行分析,應(yīng)用單因素方差分析和LSD-t檢驗(yàn)比較各組細(xì)胞克隆形成率、不同代次各組細(xì)胞中Nrf2、NQO1 mRNA和蛋白表達(dá)的差異,檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)α=0.05。
2.1Nrf2抑制基因的篩選及細(xì)胞轉(zhuǎn)染成功的驗(yàn)證結(jié)果見圖1。 倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞形態(tài)及生長情況,第1天各孔細(xì)胞生長良好,形態(tài)正常;第7天濃度為400 mg/L的孔中細(xì)胞密度低于50%;第13天細(xì)胞全部凋亡、脫壁;因此400 mg/L為G418最佳篩選濃度。Nrf2-1組(0.150±0.009)、Nrf2-2組(0.345±0.014)、Nrf2-3組(0.414±0.016)、Nrf2-4組(0.237±0.014)Nrf2 mRNA表達(dá)水平均明顯低于陰性對照組(1.001±0.107),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=149.399,P<0.001),Nrf2-1組與陽性對照組(0.144±0.015)比較,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);故選Nrf2-1組為RNAi最佳序列。轉(zhuǎn)染的細(xì)胞經(jīng)傳代培養(yǎng)后,siRNA組(0.147±0.002)Nrf2 mRNA相對表達(dá)水平明顯低于空白對照(1.026±0.297)、G418對照組(0.993±0.032)和轉(zhuǎn)染試劑對照組(1.211±0.085),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=28.291,P<0.001)。
A:400 mg/L G418處理1 d后;B:400 mg/L G418處理7 d后;C:400 mg/L G418處理13 d后圖1 G418處理BEAS-2B細(xì)胞不同時(shí)期細(xì)胞形態(tài)變化(×100)
2.2軟瓊脂克隆形成實(shí)驗(yàn)見表1。
2.3不同代次各組細(xì)胞中Nrf2、NQO1mRNA的表達(dá)情況見表2。
表1 各組細(xì)胞克隆形成率比較(n=3)
*:與DMSO組比較,P<0.001,#:與B(a)P組比較,P<0.001,▲:與CTPE組比較,P<0.001
2.4不同代次各組細(xì)胞中Nrf2、NQO1蛋白的表達(dá)情況見圖2及表3。誘導(dǎo)后(CTPE組)第10代、20代、30代細(xì)胞中Nrf2與NQO1的蛋白表達(dá)呈正相關(guān)(rS=0.913,P<0.001)。
圖2 不同代次各組 細(xì)胞中Nrf2(左)、NQO1(右)蛋白的表達(dá)
基因組別10代20代30代FPNrf2DMSO組1.001±0.1071.000±0.0320.998±0.0220.0020.988B(a)P組1.097±0.0451.260±0.1051.279±0.0814.5800.062CTPE組1.090±0.0221.248±0.0911.264±0.1612.3550.176RNAi組0.151±0.0090.139±0.0130.144±0.0081.0490.407F169.125164.980103.038P<0.001<0.001<0.001NQO1DMSO組1.003±0.0290.970±0.0451.003±0.0500.6040.577B(a)P組2.373±0.0583.056±0.3003.374±0.31612.1900.008CTPE組2.167±0.2323.461±0.1663.512±0.23338.582<0.001RNAi組1.147±0.0461.272±0.0131.566±0.18111.8230.008F97.481144.544101.924P<0.001<0.001<0.001
表3 不同代次各組細(xì)胞中Nrf2、NQO1蛋白的表達(dá)情況(n=3)
環(huán)境中毒物的種類眾多,如空氣污染物、有機(jī)溶劑、金屬和類金屬等,其中,多數(shù)毒物均可引起機(jī)體的氧化應(yīng)激反應(yīng)。為應(yīng)對外來有毒化學(xué)物質(zhì)對機(jī)體的損害,哺乳動(dòng)物在不斷進(jìn)化過程中體內(nèi)逐漸形成了一套復(fù)雜的抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)。而 Nrf2是經(jīng)典的調(diào)控機(jī)體抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵因子,Nrf2在激活后可誘導(dǎo)抗氧化蛋白的表達(dá),提高機(jī)體的抗氧化應(yīng)激能力,在保護(hù)細(xì)胞和組織免受活性氧自由基損害中起著重要的作用[17-18]。研究[19]發(fā)現(xiàn),應(yīng)用致癌物4-硝基喹啉-1-氧化物(4-Nitroquinoline 1-oxide, 4NQO)誘導(dǎo)Nrf2基因敲除(Nrf2-KO)小鼠和野生型小鼠癌變過程中,與野生型小鼠相比,Nrf2-KO小鼠對4NQO更加敏感,更容易患口腔癌和食管癌,說明了Nrf2在癌癥預(yù)防方面的重要性。本研究采用RNAi技術(shù)建立Nrf2沉默的BEAS-2B細(xì)胞穩(wěn)定表達(dá)株。siRNA組Nrf2 mRNA相對表達(dá)水平明顯低于空白對照、G418對照組和轉(zhuǎn)染試劑對照組,說明成功進(jìn)行了細(xì)胞轉(zhuǎn)染。在經(jīng)CTPE刺激后的傳代過程中,RNAi組從20代起軟瓊脂克隆形成率就顯著高于CTPE組和B(a)P組,說明Nrf2沉默增強(qiáng)了CTPE誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性作用,使細(xì)胞惡變提前發(fā)生,提示Nrf2在預(yù)防癌癥發(fā)生過程中具有重要作用,與文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)果一致。RT-PCR及Western blot檢測結(jié)果顯示,隨傳代次數(shù)增加,B(a)P組和CTPE組Nrf2 mRNA及蛋白表達(dá)逐漸升高,而DMSO組Nrf2 mRNA雖然能檢測到,但Nrf2蛋白卻幾乎檢測不到,提示Nrf2蛋白在正常生理狀態(tài)下被迅速泛素化而降解,以維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定,而當(dāng)受CTPE刺激后,Nrf2穩(wěn)定性及含量均增加,在CTPE誘導(dǎo)BEAS-2B細(xì)胞發(fā)生惡變中發(fā)揮保護(hù)作用。而第10代細(xì)胞各組間克隆形成率差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,說明在細(xì)胞癌前病變階段Nrf2即有了較明顯的表達(dá)特點(diǎn),其可能是焦?fàn)t工等罹患肺癌的早期生物標(biāo)志。有研究[16, 20]顯示,盡管Nrf2表現(xiàn)出對腫瘤基因的抵制作用,但是Nrf2 水平的升高卻表現(xiàn)出對腫瘤細(xì)胞的保護(hù)作用并影響預(yù)后,且肺癌上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化后可能通過Nrf2通路介導(dǎo)了癌細(xì)胞的多藥耐藥性[21]。后期實(shí)驗(yàn)將繼續(xù)探討Nrf2對CTPE所致BEAS-2B細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化后細(xì)胞的生長與增殖的影響。
NQO1是一種重要黃素腺嘌呤二核苷酸依賴的黃素蛋白酶類,能夠調(diào)控磺胺類、苯醌類以及多環(huán)芳烴類化合物等的代謝,具有多重細(xì)胞保護(hù)作用。B(a)P作用于小鼠主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞后,可以通過增強(qiáng)Sp1-AhR-Nrf2信號級聯(lián)反應(yīng)使過氧化氫酶過度表達(dá)從而上調(diào)NQO1的表達(dá)[22]。Kim等[23]研究發(fā)現(xiàn),NQO1在肺癌尤其是肺鱗癌的發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用,而且吸煙與NQO1的相關(guān)性是肺癌的危險(xiǎn)因素。作者分別采用RT-PCR和Western blot檢測NQO1 mRNA和蛋白的表達(dá)水平,發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞第10代、20代、30代均表現(xiàn)為B(a)P組和CTPE組表達(dá)量高于DMSO組,且隨傳代次數(shù)增加,B(a)P組、CTPE組和RNAi組的表達(dá)量均逐漸升高,且NQO1和Nrf2的蛋白表達(dá)呈正相關(guān);另外RNAi組NQO1的表達(dá)量低于CTPE組,提示CTPE刺激細(xì)胞后,Nrf2可參與NQO1的調(diào)控來保護(hù)細(xì)胞。研究[24]發(fā)現(xiàn),Keap1-Nrf2/ARE通路調(diào)控NQO1的表達(dá)對肺癌的發(fā)生發(fā)展具有重要的作用。但RNAi組在細(xì)胞傳代過程中NQO1表達(dá)量也呈上升趨勢,提示在CTPE誘導(dǎo)BEAS-2B細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化過程中NQO1并非僅受Nrf2調(diào)控。
綜上所述,Nrf2在CTPE誘導(dǎo)BEAS-2B細(xì)胞發(fā)生惡變過程中是抑癌基因;且NQO1和Nrf2蛋白表達(dá)呈正相關(guān),表明Nrf2可能通過上調(diào) NQO1的表達(dá)對抗CTPE對BEAS-2B細(xì)胞的毒性作用,發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)功能。而且NQO1與Nrf2均具有在細(xì)胞形態(tài)學(xué)發(fā)生變化但未發(fā)生癌變時(shí)表達(dá)量即明顯增加的特點(diǎn),說明在癌前病變階段兩者即發(fā)生變化以應(yīng)對CTPE對細(xì)胞的毒性作用,可能有助于接觸CTPE高危人群罹患肺癌的預(yù)警及篩查。
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鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)2018年1期