粱珍珍, 呂燕平, 張艷莉, 解玉東, 韓麗麗
(周口市中心醫(yī)院呼吸科, 河南 周口 466000)
慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一種以持續(xù)性呼吸氣流受限為主要特征的慢性氣道炎性疾病,嚴(yán)重威脅著人類的生命健康,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),20%的吸煙者會(huì)發(fā)展為COPD,終身吸煙者有50%發(fā)展為COPD[2]。而自噬在COPD發(fā)生和進(jìn)展發(fā)揮著重要作用[3-5]。有研究發(fā)現(xiàn),在COPD患者和香煙提取物(cigarette smoke extract,CSE)暴露的小鼠肺組織切片的分析中發(fā)現(xiàn),beclin-1和LC3的蛋白水平升高[3]。Li等[4]在支氣管上皮細(xì)胞研究中發(fā)現(xiàn),在香煙提取物刺激下,自噬基因LC3表達(dá)上調(diào),炎癥因子釋放的水平增強(qiáng),兩者呈正相關(guān)。Chen等[5]在細(xì)菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)和香煙提取物誘導(dǎo)的小鼠COPD 模型發(fā)現(xiàn)支氣管肺泡灌洗液中炎癥細(xì)胞和炎癥因子生成增多,同時(shí)伴隨著自噬基因beclin-1表達(dá)上調(diào)。肺泡巨噬細(xì)胞是肺臟防御系統(tǒng)的第一道防線,暴露于香煙煙霧狀態(tài)下的肺泡巨噬細(xì)胞自噬水平異常,代謝紊亂,炎性因子分泌失常,可導(dǎo)致氣道炎癥發(fā)生與進(jìn)展[6]。因此,研究肺泡巨噬細(xì)胞自噬調(diào)節(jié)作用對(duì)解釋COPD發(fā)生與進(jìn)展機(jī)制具有重要意義。
最近研究發(fā)現(xiàn),微小RNA-181a(microRNA-181a,miR-181a)參與肺部炎癥發(fā)生與進(jìn)展[7-9]。而關(guān)于miR-181a調(diào)控肺泡巨噬細(xì)胞自噬與炎癥方面的研究偏少。本研究以大鼠肺泡巨噬細(xì)胞NR8383為研究對(duì)象,觀察miR-181a對(duì)CSE條件下NR8383細(xì)胞自噬和促炎因子分泌的影響,從一個(gè)新角度認(rèn)識(shí)miR-181a在COPD炎癥反應(yīng)中的調(diào)控作用,為評(píng)估m(xù)iR-181a是否可作為防治COPD的新靶點(diǎn)提供更多的理論依據(jù)。
大鼠肺泡巨噬細(xì)胞系NR8383購(gòu)于中國(guó)科學(xué)院上海細(xì)胞庫(kù)。胎牛血清購(gòu)于PAA;Ham’s F12-K培養(yǎng)基購(gòu)于Gibco;Cyto-ID細(xì)胞自噬體檢測(cè)試劑盒購(gòu)于ENZO;自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine,3-MA)和自噬激動(dòng)劑雷帕霉素(rapamycin,Rapa)購(gòu)于Sigma;腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白細(xì)胞介素6(interleukin-6, IL-6)和IL-8 ELISA試劑盒購(gòu)于武漢博士德生物公司;抗LC3-Ⅱ、beclin-1、p62和GAPDH抗體于購(gòu)自Santa Cruz;miR-181a引物、miR-181a mimic(miR-181a-m)、mimic negative control (NC-m)和miR-181a inhibitor (miR-181a-i)和inhibitor negative control(NC-i)由上海吉瑪公司合成;Western blot實(shí)驗(yàn)試劑套裝購(gòu)于廣州賴德生物公司。
參照Kent等[10]文獻(xiàn)方法進(jìn)行提取CSE。取20支市售黃金葉牌香煙(焦油量11 mg,煙堿量1.0 mg,一氧化碳量11 mg)完全燃燒后產(chǎn)生的煙霧溶于20 mL無(wú)血清Ham’s F12-K培養(yǎng)基中,0.22 μm微孔過(guò)濾,此培養(yǎng)基視為CSE母液。實(shí)驗(yàn)采用的CSE濃度為此培養(yǎng)基所占終體積的稀釋比例。
3.1細(xì)胞培養(yǎng)與CSE處理 NR8383細(xì)胞培養(yǎng)于含10%胎牛血清的Ham’s F12-K培養(yǎng)基,置于37 ℃、5% CO2的細(xì)胞培養(yǎng)箱中,每2 d換液1次。取NR8383細(xì)胞以1×109/L的密度接種于6孔板,采用終濃度為5%、10%和20% CSE分別刺激細(xì)胞48 h。RT-qPCR檢測(cè)miR-181a的表達(dá)水平;ELISA檢測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)液中TNF-α、IL-6和IL-8的水平;并采用Spearman 相關(guān)分析法分析miR-181a的表達(dá)水平與TNF-α、IL-6和IL-8水平的相關(guān)性。
3.2miR-181a mimic與miR-181a inhibitor的轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn) 按照轉(zhuǎn)染說(shuō)明書步驟,進(jìn)行 miR-181a mimic和miR-181a inhibitor轉(zhuǎn)染。取LipofectamineTM3000溶于100 μL無(wú)血清培養(yǎng)基,孵育5 min miR-181a mimic、NC-m、miR-181a inhibitor和NC-i分別溶于100 μL無(wú)血清培養(yǎng)基,孵育10 min;取含有LipofectamineTM3000的無(wú)血清培養(yǎng)基分別與含有miR-181a mimic、NC-m、miR-181a inhibitor和NC-i的無(wú)血清培養(yǎng)基輕柔混勻,室溫孵育25 min;將混合物分別加入800 μL含有1×106個(gè)NR8383細(xì)胞的無(wú)血清培養(yǎng)基中孵育6 h; 500×g離心細(xì)胞5 min,棄舊培養(yǎng)基,更換為6 mL 含10%胎牛血清培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)細(xì)胞48 h。此細(xì)胞用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
3.3細(xì)胞分組 細(xì)胞分組為正常對(duì)照組(control組,細(xì)胞正常培養(yǎng))、CSE處理組(20% CSE處理細(xì)胞)、CSE+miR-181a-m組(20% CSE處理miR-181a mimic轉(zhuǎn)染的細(xì)胞)、CSE+NC-m組(20%CSE處理NC-m轉(zhuǎn)染的細(xì)胞)、CSE+miR-181a-i組(20% CSE處理miR-181a inhibitor轉(zhuǎn)染的細(xì)胞)、CSE+NC-i組(20% CSE處理NC-i轉(zhuǎn)染的細(xì)胞)、3-MA組(5 mmol/L 3-MA處理細(xì)胞)、CSE+3-MA組(5 mmol/L 3-MA預(yù)處理細(xì)胞30 min,再用20% CSE處理細(xì)胞)、Rapa組(100 nmol/L Rapa處理細(xì)胞)和CSE+Rapa組(100 nmol/L Rapa預(yù)處理細(xì)胞30 min,再用20% CSE處理細(xì)胞)。以上各組細(xì)胞以1×109/L的密度接種于6孔板,繼續(xù)培養(yǎng)48 h,進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
3.4ELISA檢測(cè) 取各組已處理后的NR8383細(xì)胞,800×g離心細(xì)胞5 min,離心收集各組細(xì)胞培養(yǎng)液,每組取100 μL細(xì)胞培養(yǎng)液轉(zhuǎn)入已被抗體包被的96孔酶標(biāo)板,按照對(duì)應(yīng)ELISA試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行檢測(cè)TNF-α、IL-6和IL-8的含量。
3.5自噬體的檢測(cè) 取各組已處理后的NR8383細(xì)胞,1 000×g離心5 min收集細(xì)胞,PBS重懸2次,按照Cyto-ID細(xì)胞自噬體檢測(cè)試劑盒說(shuō)明書方法,用250 μL 試劑盒緩沖液制備單細(xì)胞懸液并轉(zhuǎn)入激光共聚焦培養(yǎng)皿,加入250 μL Cyto-ID自噬檢測(cè)試劑,室溫避光30 min,激光共聚焦顯微鏡下(激發(fā)波長(zhǎng)Ex=488 nm,發(fā)射波長(zhǎng)Em=530 nm)拍照,各組采用Image-Pro Plus 6.0軟件掃描100個(gè)細(xì)胞,并統(tǒng)計(jì)每組平均單個(gè)細(xì)胞中Cyto-ID自噬點(diǎn)數(shù)。
3.6RT-qPCR實(shí)驗(yàn) 提取各組已處理后NR8383細(xì)胞的總RNA,然后逆轉(zhuǎn)錄為cDNA。利用TaqMan MicroRNA Assay Kit 的說(shuō)明書,RT-qPCR檢測(cè)miR-181a的表達(dá)水平。各組細(xì)胞的cDNA、TaqMan MicroRNA Master Mix和miR-181a的正反向引物序列先95 ℃孵育5 min,然后進(jìn)行45個(gè)循環(huán)(95 ℃ 15 s、55 ℃ 30 s、74 ℃ 25 s)進(jìn)行qPCR,以U6作為內(nèi)參照,采用2-ΔΔCT法計(jì)算表達(dá)水平。
miR-181a的上游引物序列為5’-TCACTCCTCTCCTCCCG-3’, 下游引物序列為5’-GTGCAGGGTCCGAGGT-3’;U6的上游引物序列為5’-GCTTCGGCACATATACTAAAAT-3’, 下游引物序列為5’-CGCTTCACGAATTTGCGTGTCAT-3’ 。
3.7Western blot實(shí)驗(yàn) 按照Western blot實(shí)驗(yàn)試劑套裝說(shuō)明書方法,提取細(xì)胞總蛋白,依次進(jìn)行SDS-PAGE、濕法電轉(zhuǎn)、PVDF膜封閉。待Western blot結(jié)束后,按抗體說(shuō)明書方法分別孵育抗LC3-Ⅱ、beclin-1、p62和GAPDH抗體,暗室ECL發(fā)光顯影,Image-Pro Plus 6.0軟件掃描灰度值。
采用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示。3~4組間數(shù)據(jù)比較采用單因素方差分析及Bonferroni-t檢驗(yàn),6組間數(shù)據(jù)比較采用單因素方差分析及SNK-q檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
選擇不同濃度(終濃度0、5%、10%和20%)的CSE分別處理NR8383細(xì)胞48 h,采用RT-qPCR檢測(cè)miR-181a 的表達(dá),采用ELISA檢測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)液促炎因子的含量。RT-qPCR檢測(cè)結(jié)果顯示,CSE濃度依賴性抑制miR-181a的表達(dá)(P<0.05),見圖1A。ELISA結(jié)果顯示,CSE濃度依賴性促進(jìn)NR8383細(xì)胞TNF-α、IL-6和IL-8的生成(P<0.05),見圖1B。Spearman 相關(guān)分析結(jié)果顯示miR-181a表達(dá)水平與TNF-α、IL-6和IL-8的水平呈負(fù)相關(guān)(P<0.05),見圖1C。這些結(jié)果提示miR-181a可能參與CSE誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞炎癥反應(yīng)。
RT-qPCR檢測(cè)結(jié)果顯示,在CSE刺激下,miR-181a-i能進(jìn)一步抑制miR-181a的表達(dá),而miR-181a-m能升高miR-181a的表達(dá)(P<0.05),見圖2A。ELISA結(jié)果顯示,miR-181a-i能進(jìn)一步促進(jìn)NR8383細(xì)胞TNF-α、IL-6和IL-8的生成,與CSE具有協(xié)同作用;而miR-181a-m能部分抑制CSE誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞TNF-α、IL-6和IL-8生成(P<0.05),見圖2B。
分別用自噬抑制劑3-MA和激動(dòng)劑Rapa預(yù)處理細(xì)胞30 min,再用20% CSE處理細(xì)胞48 h,ELISA結(jié)果顯示,3-MA能進(jìn)一步促進(jìn)NR8383細(xì)胞TNF-α、IL-6和IL-8的生成,與CSE具有協(xié)同作用;而Rapa能部分抑制CSE誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞TNF-α、IL-6和IL-8的生成(P<0.05),見圖3A。同時(shí),我們觀察了3-MA和Rapa對(duì)miR-181a表達(dá)的影響,我們發(fā)現(xiàn)3-MA和Rapa均對(duì)miR-181a表達(dá)不產(chǎn)生影響,見圖3B。進(jìn)一步觀察3-MA和Rapa對(duì)NR8383細(xì)胞自噬的影響,發(fā)現(xiàn)無(wú)CSE刺激條件下,3-MA對(duì)LC3-Ⅱ、beclin-1和p62表達(dá)無(wú)影響,而Rapa升高LC3-Ⅱ和beclin-1表達(dá),但對(duì)p62表達(dá)無(wú)影響;在CSE刺激條件下,3-MA能抑制CSE誘導(dǎo)的LC3-Ⅱ和beclin-1表達(dá),促進(jìn)p62表達(dá);而Rapa能促進(jìn)CSE誘導(dǎo)的LC3-Ⅱ和beclin-1表達(dá),抑制p62表達(dá)(P<0.05),見圖3C。這些結(jié)果提示自噬對(duì)NR8383細(xì)胞起保護(hù)作用,能部分抑制CSE誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。
Figure 1.The level of miR-181a was negatively correlated with CSE-induced inflammatory response in the NR8383 cells. A: the expression level of miR-181a was detected by RT-qPCR; B: the levels of TNF-α, IL-6 and IL-8 were detected by ELISA; C: miR-181a was negatively correlated with TNF-α, IL-6 and IL-8. Mean±SD.n=5.*P<0.05vscontrol group.
圖1miR-181a表達(dá)水平與CSE誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞炎癥反應(yīng)呈負(fù)相關(guān)
首先觀察CSE誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞是否發(fā)生自噬現(xiàn)象。Cyto-ID檢測(cè)結(jié)果顯示,CSE濃度依賴性促進(jìn)NR8383細(xì)胞自噬體生成(P<0.05),見圖4A;Western blot檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),CSE濃度依賴性促進(jìn)LC3-Ⅱ、beclin-1和p62表達(dá),見圖4B。這些結(jié)果提示CSE誘導(dǎo)NR8383細(xì)胞自噬紊亂。進(jìn)一步,通過(guò)轉(zhuǎn)染miR-181a-m或miR-181a-i的方法改變 miR-181a的表達(dá)水平,觀察在CSE刺激的條件下NR8383細(xì)胞的自噬情況,Western blot檢測(cè)結(jié)果顯示,在CSE刺激下,miR-181a-i和miR-181a-m均能促進(jìn)LC3-Ⅱ和beclin-1表達(dá);但miR-181a-i促進(jìn)p62表達(dá),提示miR-181a-i加劇NR8383細(xì)胞自噬紊亂,而miR-181a-m抑制p62表達(dá),提示miR-181a-m促進(jìn)NR8383細(xì)胞自噬,見圖4C、D。
慢性阻塞性肺疾病的發(fā)病率和死亡率極高,且近年來(lái)其發(fā)病率呈高速增長(zhǎng)趨勢(shì)[11]。而目前現(xiàn)有的COPD防治手段效果并不十分的理想,因此探索COPD的發(fā)病機(jī)制,尋找新靶點(diǎn)對(duì)COPD的治療具有重要的科學(xué)意義。
近來(lái)研究發(fā)現(xiàn),miR-181a可參與肺部炎癥性疾病的發(fā)病過(guò)程[7-9]。如過(guò)表達(dá)miR-181a mimic能顯著抵抗LPS誘導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞損傷和炎癥因子生成,而miR-181a inhibitor能加劇LPS誘導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞損傷和炎癥因子生成[7];COPD患者肺組織和動(dòng)物COPD模型中發(fā)現(xiàn)miR-181表達(dá)下調(diào)[8];在急性肺損傷模型上,miR-181a通過(guò)下調(diào)靶基因Toll 樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4),負(fù)調(diào)控LPS誘導(dǎo)的THP-1巨噬細(xì)胞炎癥因子分泌[9]。肺泡巨噬細(xì)胞是肺臟的主要細(xì)胞和防御系統(tǒng)的第一道防線,其與氣道炎癥性疾病發(fā)生和進(jìn)展直接相關(guān)[6, 12]。因此,本研究以香煙提取物誘導(dǎo)的大鼠肺泡巨噬細(xì)胞系NR8383細(xì)胞炎癥模型為參考對(duì)象,發(fā)現(xiàn)CSE能濃度依賴性促進(jìn)促炎因子TNF-α、IL-6和IL-8生成;進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在CSE條件下,抑制miR-181a表達(dá)能進(jìn)一步促進(jìn)NR8383細(xì)胞炎癥反應(yīng),與CSE具有協(xié)同作用;而過(guò)表達(dá)miR-181a能部分逆轉(zhuǎn)CSE誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞TNF-α、IL-6和IL-8生成。這提示miR-181a負(fù)調(diào)控CSE誘導(dǎo)的NR8383肺泡巨噬細(xì)胞生成炎癥因子。
Figure 2.miR-181a was involved in the regulation of CSE-induced inflammatory responses in the NR8383 cells. A: the transfection efficiency of miR-181a mimic and miR-181a inhibitor examined by RT-qPCR; B: the levels of TNF-α, IL-6 and IL-8. Mean±SD.n=3.*P<0.05vscontrol group;#P<0.05vsCSE group.
圖2miR-181a參與調(diào)控CSE誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞炎癥反應(yīng)
自噬參與調(diào)控肺部炎癥性疾病的發(fā)病和進(jìn)展[3-6, 13-14]。如:SiO2致肺泡巨噬細(xì)胞自噬紊亂促進(jìn)炎癥相關(guān)因子的分泌[13];BBC3通過(guò)肺泡巨噬細(xì)胞自噬促進(jìn)矽肺肺纖維化進(jìn)展[14]。本研究發(fā)現(xiàn),在CSE條件下,自噬抑制劑3-MA能進(jìn)一步促進(jìn)NR8383細(xì)胞炎性反應(yīng),而激動(dòng)劑雷帕霉素能部分逆轉(zhuǎn)CSE誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞生成TNF-α、IL-6和IL-8,提示自噬抑制NR8383細(xì)胞的炎癥反應(yīng)功能,也能部分抑制CSE誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞炎癥反應(yīng)。完整的自噬過(guò)程包含自噬體生成、自噬體結(jié)合降解底物、結(jié)合降解底物的自噬體與溶酶體融合、自噬底物降解4個(gè)過(guò)程[15]。本研究發(fā)現(xiàn),CSE能促進(jìn)NR8383細(xì)胞自噬體的生成和LC3-Ⅱ、beclin-1和p62高表達(dá)。Beclin1參與自噬發(fā)生的初始階段,發(fā)揮啟動(dòng)自噬的作用[16];LC3-Ⅱ是自噬體形成的標(biāo)記物[17];自噬底物p62能夠識(shí)別泛素化的降解底物,隨同降解底物一起被自噬體結(jié)合并降解、蛋白水平下調(diào)[18]。因此本結(jié)果提示CSE能促使自噬體生成,但自噬性降解阻滯,使得NR8383細(xì)胞自噬紊亂,導(dǎo)致炎癥因子生成增多。我們的研究還發(fā)現(xiàn)在CSE刺激下,miR-181a mimic和miR-181a inhibitor均能促進(jìn)LC3-Ⅱ和beclin-1表達(dá);但miR-181a inhibitor能促進(jìn)p62表達(dá),miR-181a mimic能抑制p62表達(dá),提示在CSE刺激下,下調(diào)miR-181a能加劇NR8383細(xì)胞自噬紊亂,而上調(diào)miR-181a能促進(jìn)NR8383細(xì)胞自噬。雖然已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)關(guān)于miR-181a與自噬的關(guān)系和我們并不一致,如Tekirdag等[19]在MCF-7、 Huh-7和K562細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)miR-181a通過(guò)靶基因ATG5抑制自噬;Zhao等[20]在胃癌順鉑耐藥SGC7901/CDDP細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)miR-181a通過(guò)靶基因ATG5抑制自噬,從而增強(qiáng)胃癌細(xì)胞對(duì)順鉑敏感性。我們推測(cè)有以下幾個(gè)原因:首先,上述文獻(xiàn)作者只考察上調(diào)miR-181a能促進(jìn)LC3-Ⅱ和beclin-1表達(dá),這和我們研究是一致的,但上述作者并沒(méi)檢測(cè)自噬性降解變化(如p62表達(dá));其次,miR-181a是多功能miRNA,可能在不同細(xì)胞種類自噬調(diào)控存在差異;再次,刺激條件并不一致,我們采用的是CSE刺激誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞炎癥,并且炎性微環(huán)境中的炎癥因子也可能反饋影響細(xì)胞自噬流程。另外,誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的閾值可能不同,造成的結(jié)果差異有待進(jìn)一步研究。
Figure 3.The effect of autophagy on the level of miR-181a and CSE-induced production of pro-inflammatory factors in the NR8383 cells. A: the level of TNF-α, IL-6 and IL-8 were detected by ELISA; B: the levels of miR-181a; C: the expression of LC3-Ⅱ,beclin-1 and p62. Mean±SD.n=3.*P<0.05vscontrol group;#P<0.05vsCSE group.
圖3自噬對(duì)NR8383細(xì)胞miR-181a水平和CSE誘導(dǎo)的促炎因子生成的影響
綜上所述,miR-181a調(diào)控CSE誘導(dǎo)的NR8383肺泡巨噬細(xì)胞炎癥,其作用機(jī)制可能與miR-181a調(diào)控CSE誘導(dǎo)的NR8383肺泡巨噬細(xì)胞自噬紊亂相關(guān)。以上結(jié)果提示miR-181a在COPD的肺泡巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)中發(fā)揮一定的調(diào)節(jié)作用。
Figure 4.miR-181a was involved in the regulation of CSE-induced autophagy dysfunction in the NR8383 cells. A: representative images and quantitative analysis of Cyto-ID staining; B: Western blot for determining CSE-induced protein levels of LC3-Ⅱ, beclin-1 and p62; C: the effect of miR-181a inhibitor on CSE-induced protein expression of LC3-Ⅱ, beclin-1 and p62; D: the effect of miR-181a mimic on CSE-induced protein expression of LC3-Ⅱ, beclin-1 and p62. Mean±SD.n=3.*P<0.05vscontrol group;#P<0.05vsCSE group.
圖4miR-181a參與調(diào)控CSE誘導(dǎo)的NR8383細(xì)胞自噬功能障礙