孫 聰, 郭 帥, 寧 娜, 侯曉鴻, 王昌圖, 原 媛, 王曉暉,, 王 麗△
(山西醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 1病理學(xué)教研室,2形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室,山西太原030001)
心功能不全是多種心臟疾病的終末階段,是重要的全球公共健康問題,但發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明[1]。有證據(jù)表明,心肌細(xì)胞死亡是心功能不全發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素[2]。β1-腎上腺素受體自身抗體(β1-adrenergic receptor antibody,β1-AA)可以誘導(dǎo)心肌細(xì)胞死亡[3]。自身抗體是指針對(duì)人體自身抗原產(chǎn)生的抗體[4],而β1-AA是針對(duì)β1-腎上腺素受體細(xì)胞外第2環(huán)(the second extracellular loop ofβ1-adrenergic receptor,β1-AR-ECII)產(chǎn)生的抗體[3]。約 40%~60%心功能不全患者血清中均可檢測(cè)到β1-AA[5],其與心肌細(xì)胞膜表面β1-AR-ECII結(jié)合發(fā)揮類激動(dòng)劑樣作用,引起心肌細(xì)胞持續(xù)性損傷,導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡[3],提示β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞死亡在心功能不全的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。
自噬是細(xì)胞內(nèi)重要的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制,自噬流降低可引起細(xì)胞內(nèi)有害蛋白的累積,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[6]。我們課題組前期結(jié)果表明,心肌自噬流降低是β1-AA誘導(dǎo)心肌細(xì)胞死亡的重要原因,采用自噬激動(dòng)劑上調(diào)心肌細(xì)胞自噬流可抑制β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞死亡[7]。因此,逆轉(zhuǎn)β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞自噬流下降成為有效抑制心肌細(xì)胞死亡的切入點(diǎn)。
脂聯(lián)素(adiponectin,APN)可與細(xì)胞膜表面脂聯(lián)素受體(adiponectin receptor,AdipoR)結(jié)合,使下游AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)磷酸化,進(jìn)而上調(diào)心肌細(xì)胞自噬流[8-9]。APN作為脂肪細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子可增加心肌細(xì)胞存活率[10]。然而APN對(duì)于β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞死亡及自噬流下降是否具有抑制作用,目前尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。因此,本實(shí)驗(yàn)擬通過體外研究,觀察APN是否可以抑制β1-AA誘導(dǎo)的大鼠心肌細(xì)胞自噬流下降,并利用抑制劑干預(yù)AMPK磷酸化水平,從分子水平探討APN調(diào)控自噬的可能機(jī)制,為β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞自噬流下降的調(diào)控提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)動(dòng)物:清潔級(jí)8周齡雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠,體重180~200 g,山西醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物中心[許可證號(hào):SCXK(晉)2015-0001]提供。實(shí)驗(yàn)細(xì)胞:H9c2大鼠心肌細(xì)胞(中國(guó)科學(xué)院上海細(xì)胞庫(kù))。
β1-AR-ECII抗原肽段(吉爾生化上海有限公司);完全弗氏佐劑和不完全弗氏佐劑(Sigma-Aldrich);重組鼠 APN球狀結(jié)構(gòu)域 gAcrp30(PeproTech);LC3B和P62抗體(Abcam);AMPK和p-AMPK抗體(Cell Signaling Technology);Compound C(Selleck);GAPDH抗體和辣根過氧化物酶標(biāo)記的小鼠IgG(中杉金橋生物公司);Cell Counting Kit-8(CCK-8;日本同仁化學(xué)研究所);SYBR Green試劑盒(TaKaRa)。
3.1 實(shí)驗(yàn)分組 將H9c2細(xì)胞分為對(duì)照(control)組(1μmol/L陰性IgG處理細(xì)胞24 h)、β1-AA組(1μmol/Lβ1-AA處理細(xì)胞 24 h)、APN+β1-AA組(10μg/L APN預(yù)處理細(xì)胞1 h后加入1μmol/Lβ1-AA處理24 h)、APN組(10μg/L APN處理細(xì)胞25 h)、Compound C+APN+β1-AA組(20μmol/L Compound C預(yù)處理細(xì)胞30 min后加入10μg/L APN預(yù)處理1 h,最后加入1μmol/Lβ1-AA處理細(xì)胞24 h)和β1-AA+Compound C組(20μmol/L Compound C預(yù)處理細(xì)胞30 min后加入1μmol/Lβ1-AA作用24 h)。
3.2 主動(dòng)免疫大鼠 選取12只8周齡雄性SD大鼠按隨機(jī)數(shù)字表法分為免疫(β1-AR-ECII)組和control組,每組6只。將β1-AR-ECII抗原肽段用Na2CO3溶液溶解稀釋,并和完全弗氏佐劑1∶1乳化混勻后,多點(diǎn)背部皮下注射(0.4μg/g),即首次免疫。隨后采用已稀釋的β1-AR-ECII抗原肽段與不完全弗氏佐劑1∶1乳化,單點(diǎn)背部皮下注射,每隔2周加強(qiáng)免疫1次,共免疫8周;control組用等量Na2CO3溶液替代抗原溶液,實(shí)驗(yàn)方案同免疫組。
3.3 親和層析法提純大鼠血清中β1-AA 采用親和層析法提純主動(dòng)免疫大鼠血清中的β1-AA,應(yīng)用于離體實(shí)驗(yàn)研究。從4°C取出層析柱在室溫下放置30 min,將三蒸水注入層析柱內(nèi)部,沖去保存在柱子中的乙醇,用結(jié)合緩沖液沖洗柱子后,抽取含有β1-AA的血清濾過柱子并用洗脫緩沖液沖洗柱子,使β1-AA隨同洗脫緩沖液滴到EP管中,隨后用BCA試劑盒進(jìn)行濃度檢測(cè)。
3.4 CCK-8實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)采用CCK-8法檢測(cè)H9c2細(xì)胞活力。將細(xì)胞進(jìn)行消化后,大約2×109/L的密度將細(xì)胞接種在96孔培養(yǎng)板,每孔100μL細(xì)胞懸液,待細(xì)胞貼壁后換液,加入5、10和30μg/L APN預(yù)處理1 h,隨后加入1μmol/Lβ1-AA作用24 h后,每孔加入10μL CCK-8試劑混勻,放入孵箱中2 h,觀察到溶液顏色變?yōu)樽攸S色時(shí),用酶標(biāo)儀檢測(cè)在450 nm處各組吸光度(A)值。根據(jù)各組的A值計(jì)算各實(shí)驗(yàn)組相較于對(duì)照組的細(xì)胞活力。細(xì)胞相對(duì)活力(%)=(實(shí)驗(yàn)組A值-空白對(duì)照組A值)/(陰性對(duì)照組A值-空白對(duì)照組A值)×100%。
3.5 real-time PCR 本實(shí)驗(yàn)采用real-time PCR方法檢測(cè)beclin-1和LC3B的mRNA水平。將細(xì)胞進(jìn)行消化,接種于6孔板中,細(xì)胞貼壁后,進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理,首先采用500μL的PBS進(jìn)行沖洗,將PBS倒掉并用移液槍將殘余的PBS吸凈,然后向每孔細(xì)胞中加入500μL的TRIzol試劑進(jìn)行裂解,提取總RNA,0.5μg總RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA,選用SYBR Green試劑盒擴(kuò)增cDNA產(chǎn)物,確認(rèn)擴(kuò)增曲線和溶解曲線。引物序列如下:beclin-1(GenBank ID:NM_001034117.1)的上游引物序列為5′-GAAACTGGACACGAGCTTCAAGA-3′,下 游 引 物 序 列 為 5′-ACCATCCTGGCGAGTTTCAATA-3′;LC3B(GenBank ID: NM_022867.2)的 上 游 引 物 序 列 為 5′-AGCTCTGAAGGCAACAGCAACA-3′,下游引物序列為 5′-GCTCCATGCAGGTAGCAGGAA-3′;GAPDH(Gen-Bank ID:NM_017008.3)的上游引物序列為 5′-GGCACAGTCAAGGCTGAGAATG-3′,下游引物序列為 5′-ATGGTGGTGAAGACGCCAGTA-3′。 選 用GAPDH作為內(nèi)參照。結(jié)果采用2-ΔΔCt法進(jìn)行計(jì)算。
3.6 Western blot 本實(shí)驗(yàn)采用Western blot方法檢測(cè)LC3B、P62、AMPK和p-AMPK的蛋白表達(dá)水平。將細(xì)胞進(jìn)行消化,接種于6孔板中,待細(xì)胞貼壁,進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理后,向每孔細(xì)胞中加入50μL RIPA裂解液、0.5μL PMSF和0.5μL磷酸酶抑制劑。冰上裂解1 h,收取細(xì)胞樣品,離心后取上清,進(jìn)行BCA法蛋白濃度檢測(cè)。選擇上樣量為40μg,體系為10μL,進(jìn)行SDS-PAGE分離后,用PVDF膜轉(zhuǎn)膜。再與相應(yīng)的Ⅰ抗進(jìn)行反應(yīng),4°C過夜,用TBST進(jìn)行洗膜,與相應(yīng)的Ⅱ抗在室溫下進(jìn)行反應(yīng),用TBST洗膜后,將膜置于全自動(dòng)曝光儀內(nèi),ECL化學(xué)發(fā)光后,曝光拍攝條帶,ImageJ軟件分析灰度值,將GAPDH作為內(nèi)參照,計(jì)算不同蛋白的相對(duì)表達(dá)量。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SEM)表示,采用SPSS 16.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),多組間比較采用單因素方差分析,兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn),以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
CCK-8結(jié)果顯示,與control組相比,β1-AA誘導(dǎo)心肌細(xì)胞活力顯著下降(P<0.05),10μg/L APN可顯著逆轉(zhuǎn)β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞活力下降(P<0.05),5 μg/L和30μg/L APN均不能恢復(fù)β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞活力下降(P>0.05),見圖1。因此本研究選擇10μg/L為APN的濃度進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。
Figure 1.Adiponectin(APN)inhibited the decrease in viability of the H9c2 cells induced byβ1-AA.The H9c2 cells was pretreated with APN(5,10 and 30μg/L)for 1 h before addingβ1-AA(1μmol/L),and CCK-8 assay was performed to measure cell viability.Mean±SEM.n=12.*P<0.05 vs control group;#P<0.05 vsβ1-AA group.圖1 APN抑制β1-AA誘導(dǎo)的H9c2細(xì)胞活力下降
real-time PCR結(jié)果顯示,與control組相比,β1-AA誘導(dǎo)beclin-1和LC3B的mRNA水平顯著降低(P<0.05),見圖2A;Western blot結(jié)果顯示,與control組相比,β1-AA誘導(dǎo)LC3-II蛋白水平顯著降低(P<0.05),P62蛋白水平顯著升高(P<0.05),見圖2B。
real-time PCR結(jié)果顯示,與β1-AA組相比,APN顯著上調(diào)beclin-1和LC3B的mRNA水平(P<0.05),見圖3A;Western blot結(jié)果顯示,與β1-AA組相比,APN預(yù)處理可以顯著逆轉(zhuǎn)β1-AA誘導(dǎo)的LC3-II蛋白水平下降(P<0.05)及 P62蛋白累積(P<0.05),見 圖3B。
Figure 2. β1-AA induced the decrease in autophagic flux of the H9c2 cells.A:the mRNA expression of beclin-1 and LC3B in the H9c2 cells was detected after treatment withβ1-AA(1μmol/L)for 24 h;B:the protein levels of LC3-I,LC3-IIand P62 in the H9c2 cells were measured after treatment with β1-AA(1 μmol/L)for 24 h.Mean±SEM.n=6.*P<0.05 vs control group.圖2 β1-AA誘導(dǎo)H9c2細(xì)胞自噬流下降
Figure 3. Adiponectin(APN)inhibited the decrease in autophagic flux of the H9c2 cells induced byβ1-AA.A:the mRNA expression of beclin-1 and LC3Bin the H9c2 cells was measured after pretreatment with APN(10μg/L)for 1 h before addingβ1-AA(1μmol/L);B:the protein levels of LC3-I,LC3-II and P62 in the H9c2 cells were detected after pretreatment with APN(10 μg/L)for 1 h before adding β1-AA(1 μmol/L).Mean±SEM.n=6.*P<0.05 vs control group;#P<0.05 vsβ1-AA group.圖3 APN抑制β1-AA誘導(dǎo)的H9c2細(xì)胞自噬流下降
Western blot結(jié)果顯示,與 control組相比,β1-AA顯著降低心肌細(xì)胞AMPK的磷酸化水平(P<0.05),而與β1-AA組相比,APN預(yù)處理可顯著改善β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞AMPK磷酸化水平下降(P<0.05),見圖4。
Figure 4.Adiponectin(APN)inhibited the decrease in phosphorylation of AMPK induced byβ1-AA in the H9c2 cells.The protein levels of p-AMPK and AMPK were determined by Western blot.Mean±SEM.n=6.*P<0.05 vs control group;#P<0.05 vsβ1-AA group.圖4 APN抑制β1-AA誘導(dǎo)的H9c2細(xì)胞AMPK磷酸化水平下降
real-time PCR結(jié)果顯示,與β1-AA組相比,APN預(yù)處理(APN+β1-AA組)可顯著逆轉(zhuǎn)β1-AA誘導(dǎo)的beclin-1和LC3B mRNA水平降低(P<0.05);而Compound C預(yù)處理(Compound C+β1-AA組)可進(jìn)一步降低β1-AA誘導(dǎo)的beclin-1和LC3B mRNA水平(P<0.05);當(dāng)應(yīng)用Compound C和APN預(yù)處理(Compound C+APN+β1-AA組),APN則不能逆轉(zhuǎn)β1-AA誘導(dǎo)的beclin-1和LC3B mRNA水平降低(P<0.05),見圖5A。Western blot結(jié)果顯示,與β1-AA組相比,APN+β1-AA組AMPK磷酸化水平顯著升高(P<0.05);而 Compound C+β1-AA 組和 Compound C+APN+β1-AA組AMPK磷酸化水平顯著降低(P<0.05),見圖5B。進(jìn)一步檢測(cè)自噬流,APN+β1-AA組與β1-AA組相比,LC3-II蛋白水平升高,P62蛋白水平下降(P<0.05);Compound C+β1-AA組與β1-AA組相比,LC3-II蛋白水平降低(P<0.05),P62蛋白表達(dá)升高(P<0.05);而Compound C+APN+β1-AA組LC3-II和P62蛋白水平均顯著下降(P<0.05),即LC3-II的降低無(wú)法被APN逆轉(zhuǎn),但P62的累積仍可被APN抑制,見圖5B。
心功能不全是全球公共健康問題,患病率和死亡率居高不下[11]。有證據(jù)表明,心肌細(xì)胞死亡是心功能不全發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素[2]。β1-AA可以與心肌細(xì)胞膜表面的β1-AR-ECII結(jié)合,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷累積,影響細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài),進(jìn)而引起心肌細(xì)胞死亡[12]。我們課題組前期研究也表明,β1-AA可導(dǎo)致H9c2心肌細(xì)胞活力降低[13]。然而β1-AA如何導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡尚不清楚。
研究表明,自噬通過降解細(xì)胞內(nèi)受損、變性及衰老的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用,進(jìn)而維持細(xì)胞自身穩(wěn)態(tài)[6]。Miceli等[14]報(bào)道,單胺氧化酶通過產(chǎn)生過氧化氫引起氧化應(yīng)激,誘導(dǎo)H9c2心肌細(xì)胞自噬流下降,導(dǎo)致自噬-溶酶體系統(tǒng)清除受損線粒體的能力下降,進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞內(nèi)能量代謝紊亂,誘導(dǎo)心肌細(xì)胞死亡,提示自噬流降低可能參與H9c2心肌細(xì)胞死亡。我們課題組之前的研究結(jié)果表明,β1-AA可誘導(dǎo)H9c2細(xì)胞自噬流下降,上調(diào)心肌自噬流可抑制β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞活力下降,抑制心肌自噬流可導(dǎo)致β1-AA誘導(dǎo)的細(xì)胞活力進(jìn)一步下降[7],提示自噬流降低參與β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞死亡。因此逆轉(zhuǎn)心肌細(xì)胞自噬流下降可能有助于抑制β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞死亡。
APN與自噬流密切相關(guān)[15]。APN是由脂肪細(xì)胞分泌的30 kD的細(xì)胞因子[15],具有廣泛的心肌細(xì)胞保護(hù)作用[10]。APN基因敲除小鼠存在嚴(yán)重的心肌自噬流受損,具體表現(xiàn)為自噬小體的生成及清除減少[16],提示APN缺乏可誘導(dǎo)心肌自噬流顯著下降。Ahlstrom等[17]報(bào)道,在高糖誘導(dǎo)的大鼠骨骼肌細(xì)胞中存在自噬流下降,而外源性給予APN可上調(diào)骨骼肌細(xì)胞自噬流,表明在離體水平APN可抑制骨骼肌細(xì)胞自噬流下降。為了證實(shí)APN對(duì)于β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞自噬流下降是否具有抑制作用,我們首先采用CCK-8法檢測(cè)各組細(xì)胞活力,結(jié)果表明,APN可有效逆轉(zhuǎn)β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞活力下降。隨后我們進(jìn)一步采用real-time PCR和Western blot檢測(cè)各組自噬相關(guān)蛋白beclin-1、LC3B和P62的表達(dá)水平。beclin-1、LC3B和P62為檢測(cè)自噬水平的常用指標(biāo),其中beclin-1代表自噬的起始,在自噬前體和自噬囊泡的形成過程中起著重要作用[18];LC3B包括LC3-I和LC3-II,LC3-I與腦磷酯結(jié)合酯化形成 LC3-II,LC3-II最終定位于成熟的自噬小體膜上,其與自噬小體數(shù)量呈正相關(guān)[19];P62蛋白是一種選擇性自噬底物,當(dāng)P62蛋白表達(dá)增加,表明自噬底物累積,自噬小體清除減少,自噬流降低[19]。本研究結(jié)果顯示,APN可抑制β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞beclin-1和LC3B mRNA表達(dá)下降、LC3-II蛋白水平下降及P62蛋白累積。這提示APN對(duì)于β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞自噬流下降具有抑制作用,但具體機(jī)制尚不明確。
Figure 5.Adiponectin improved the decreased autophagic flux induced byβ1-AA partially dependent in AMPK signaling.A:the mRNA expressions of beclin-1 and LC3Bwere observed pretreatment with Compound C,adiponectin,or Compound C+adiponectin before addingβ1-AA.B:the protein expressions of P-AMPK,AMPK,LC3 I,LC3 IIand P62 were detected pretreatment with Compound C,adiponectin,or Compound C+adiponectin before adding β1-AA.Means±SEM.n=6.*P<0.05 vs control group;#P<0.05 vsβ1-AA group.圖5 APN改善β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞自噬流下降部分依賴AMPK途徑
研究表明,APN可通過AMPK途徑上調(diào)自噬流[20]。AMPK是細(xì)胞能量感知和信號(hào)調(diào)控的重要激酶,對(duì)自噬流起著正向調(diào)節(jié)作用[21]。APN通過與細(xì)胞膜表面AdipoR結(jié)合,降低細(xì)胞內(nèi)ATP含量,誘導(dǎo)AMPK磷酸化,活化下游Unc-51樣自噬激活激酶1(Unc-51 like autophagy activating kinase 1,ULK1)激酶復(fù)合物;ULK1是自噬起始的重要激酶復(fù)合物,其通過磷酸化beclin-1,進(jìn)而啟動(dòng)自噬;由此可見,APN可通過AMPK-ULK1途徑上調(diào)細(xì)胞自噬流[20-22]。本研究結(jié)果表明,β1-AA可誘導(dǎo)H9c2心肌細(xì)胞AMPK磷酸化水平下降,而APN可逆轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象。為了進(jìn)一步證明APN是否通過上調(diào)AMPK磷酸化而抑制β1-AA誘導(dǎo)的自噬流下降,我們采用AMPK的抑制劑Compound C抑制AMPK的磷酸化及AMPK介導(dǎo)的自噬激活作用[23]。本研究結(jié)果顯示,Compound C預(yù)處理后,APN無(wú)法逆轉(zhuǎn)β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞AMPK磷酸化水平下降,并且自噬流檢測(cè)結(jié)果表明APN也無(wú)法逆轉(zhuǎn)β1-AA誘導(dǎo)的LC3B和beclin-1 mRNA及LC3-II蛋白水平的降低,提示APN抑制β1-AA誘導(dǎo)的自噬小體生成降低依賴AMPK途徑。同時(shí)我們觀察到無(wú)論是否抑制AMPK的磷酸化作用,APN均可抑制P62蛋白的累積,即可增加自噬小體的清除,提示APN抑制β1-AA誘導(dǎo)的自噬小體清除降低不依賴AMPK途徑。上述具體機(jī)制尚需進(jìn)一步探討。
綜上所述,本研究采用β1-AR-ECII主動(dòng)免疫大鼠血清中提純的β1-AA作用于H9c2心肌細(xì)胞,并外源性給予APN,證實(shí)APN可抑制β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞死亡及自噬流降低;同時(shí)觀察到APN可逆轉(zhuǎn)β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞AMPK磷酸化水平降低;采用Compound C抑制AMPK磷酸化作用后,APN不能抑制β1-AA誘導(dǎo)的自噬小體生成降低,但仍可抑制β1-AA誘導(dǎo)的自噬小體清除降低,提示APN抑制β1-AA誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞自噬流下降部分依賴AMPK途徑。