USP1調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞肥大的效果研究

高偉年 張文立 郭娜 陳子英 趙曙光 于丁 閆芳 廖紅娟 崔紅占 孫涌泉

心臟必須不斷地泵血，為身體提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)，這一過(guò)程需要消耗大量的能量。因此，心臟具有多個(gè)復(fù)雜的生物系統(tǒng)，以適應(yīng)系統(tǒng)需求的變化[1]。心肌肥厚是應(yīng)對(duì)各種內(nèi)在或外在刺激后的一種生理或病理狀態(tài)的心臟反應(yīng)。心肌肥厚的發(fā)生是促肥大因子和抗肥大因子失衡的結(jié)果[2]。維持促肥大因子和抗肥大因子之間的平衡在治療心肌肥大方面具有很大潛力[3]。然而，心肌肥厚發(fā)生的機(jī)制尚不清楚。泛素特異性蛋白酶1(USP1)是去泛素化酶家族中的重要一員。USP1和USP1相關(guān)因子(UAF1)形成穩(wěn)定復(fù)合物，促進(jìn)USP1活性，USP1/UAF1復(fù)合物去泛素化FANCD2蛋白參與范可尼貧血通路的DNA損傷修復(fù)[4,5]，調(diào)節(jié)PCNA泛素化參與損傷合成[6]。并且USP1 在多種腫瘤中高表達(dá)，提示可能與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關(guān)[7-9]。但是，USP1在心肌肥厚中的作用尚不清楚，本研究旨在探討USP1在心肌肥厚中的作用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 SPF級(jí)出生72 h的SD乳鼠20只，雌雄不限，購(gòu)自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司[SCXK(京)-2016-0006]。10只SPF級(jí)的C57BL/6雄性小鼠，8～12周，22～25 g，購(gòu)自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司[SCXK(京)-2016-0006]。無(wú)菌手術(shù)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心進(jìn)行[SYXK(冀)2018-008]。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用按照3R原則給與人道的關(guān)懷照顧。

1.2 主要試劑與儀器 主要試劑：異丙腎上腺素(批號(hào)：20061109)購(gòu)自濟(jì)南科匯藥業(yè)有限公司；引物由Primer 5.0軟件設(shè)計(jì)，由華大基因公司合成；shRNA由北京唯創(chuàng)博精生物科技有限公司設(shè)計(jì)合成并包裝腺病毒；RIPA Lysis and Extraction Buffer(貨號(hào)：89900)、蛋白酶抑制劑(貨號(hào)：A32965)、TRIzol(貨號(hào)：15596018)和磷酸酶抑制劑(貨號(hào)：A32957)均購(gòu)自Thermo公司；cDNA 逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(貨號(hào)：KR106)和SuperReal熒光定量預(yù)混試劑(貨號(hào)：FP216-02)和極超敏ECL化學(xué)發(fā)光試劑盒(貨號(hào)：P0018FS)購(gòu)自北京天根生物科技有限公司；USP1(貨號(hào)：ab108104)和GAPDH(貨號(hào)：ab181602)一抗均購(gòu)自Abcam公司；BCA蛋白定量試劑盒(貨號(hào)：P0012)、辣根酶標(biāo)記山羊抗兔IgG(貨號(hào)：A0208)購(gòu)自碧云天生物技術(shù)有限公司。主要儀器：實(shí)時(shí)定量PCR儀(Bio-Rad，美國(guó))；高速冷凍離心機(jī)(Eppendorf，德國(guó))；冷凍冷藏兩用冰箱(海爾，中國(guó))；-80℃超低溫冰箱(賽默飛，美國(guó))；轉(zhuǎn)膜儀(六一，北京)；電泳儀(六一，北京)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 異丙腎上腺素誘導(dǎo)的心肌肥厚小鼠模型的建立：將10只C57BL/6雄性小鼠隨機(jī)分為2組，每組5只。實(shí)驗(yàn)組(ISO組)，將配置好的8.7 mg·kg-1·d-1濃度的ISO注入滲透壓微泵(model 2001;ALZET)，然后植入雄性小鼠的背部皮下。持續(xù)給藥7 d后評(píng)價(jià)心肌肥厚。而對(duì)照組同樣利用滲透泵持續(xù)給予0.9%氯化鈉溶液。本試驗(yàn)由河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，批準(zhǔn)號(hào)為：2018-P047。

1.3.2 分離大鼠原代心肌細(xì)胞：取20只新生大鼠心臟，將心臟移入盛有D-Hanks液的平皿中，剪去心房，剪開(kāi)心室；洗凈殘留積血，并將心室組織塊放入小三角瓶中，用眼科剪剪成1 mm小碎塊，以備消化；在裝有心室組織塊的小三角瓶中加入0.2%胰蛋白酶約8～10 ml，放入水浴式恒溫振蕩器中(37℃，速度100次/min)消化8～10 min；加入胰蛋白酶繼續(xù)反復(fù)消化，共8～10次消化，將多次消化所得上清混合；1 200 r/min室溫離心8～10 min；用10～15 ml含20%小牛血清的DMEM懸浮沉淀；將細(xì)胞懸液用300目網(wǎng)過(guò)濾置10 cm平皿中。1 h后更換培養(yǎng)板，分離先貼壁的成纖維細(xì)胞。以α-actinin鑒定心肌細(xì)胞純度。

1.3.3 ShRNA腺病毒感染：將USP1 干擾及其對(duì)照腺病毒，感染細(xì)胞。腺病毒感染48 h后進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作。USP1 干擾序列為：5’-GCACAGTCCTCACCAGTAA-3’,對(duì)照干擾序列為：5’-TTCTCCGAACGTGTCACGT-3’。

1.3.4 RT-qPCR反應(yīng)檢測(cè)mRNA的表達(dá)水平：用TRIzol法提取細(xì)胞總RNA，逆轉(zhuǎn)錄酶合成cDNA，PCR擴(kuò)增檢測(cè)目的基因mRNA的表達(dá)水平，GAPDH為內(nèi)參基因，分別設(shè)三個(gè)復(fù)孔，計(jì)算mRNA的相對(duì)表達(dá)量。本研究中所用到的引物如下表。見(jiàn)表1。

表1 qRT-qPCR引物序列

1.3.5 Western Blot：細(xì)胞裂解前使用預(yù)冷的PBS清洗細(xì)胞兩次，提前配制加入蛋白酶抑制劑和磷酸酶抑制劑的細(xì)胞裂解液RIPA，加入適量細(xì)胞裂解液，冰上裂解20 min。裂解后于4℃，12 000 r/min離心15 min后收集上清。使用10% SDS-PAGE分離，之后將蛋白轉(zhuǎn)印于PVDF膜。轉(zhuǎn)膜完成后，使用5%脫脂牛奶封閉1 h，分別加入一抗和二抗孵育后顯影。

1.3.6 細(xì)胞面積的統(tǒng)計(jì)：心肌細(xì)胞使用將α-actinin免疫熒光染色之后，將保存的圖像使用Image J軟件分析心肌細(xì)胞的面積。每孔隨機(jī)測(cè)量10個(gè)細(xì)胞的面積，取各個(gè)細(xì)胞的平均值。

2 結(jié)果

2.1 成功建立小鼠心肌肥厚模型 應(yīng)用異丙腎上腺素(ISO)誘導(dǎo)的方法建立小鼠心肌肥厚模型，并檢測(cè)其心臟組織中心肌肥厚標(biāo)志基因Anp、Bnp及Myh7基因的表達(dá)。熒光定量PCR結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，心肌肥厚小鼠心臟組織中Anp，Bnp及Myh7基因的mRNA水平顯著上調(diào)(P<0.05)，提示小鼠心肌肥厚模型建立成功。見(jiàn)表2。

組別qPCR相對(duì)表達(dá)量ANPBNPMYH7對(duì)照組1.00±0.031.00±0.051.00±0.08ISO組2.53±0.123.34±0.434.21±0.32t值21.429.3616.86P值<0.00010.0007<0.0001

2.2 USP1在心肌肥厚小鼠的心臟組織中表達(dá)水平顯著上調(diào) 檢測(cè)USP1在小鼠心肌肥厚過(guò)程中的表達(dá)水平，ISO誘導(dǎo)的心肌肥厚中，USP1的mRNA和蛋白表達(dá)水平均顯著上調(diào)(P<0.05)。鑒于在小鼠心肌肥厚過(guò)程中USP1的表達(dá)水平均上調(diào)，我們推測(cè)USP1可能參與了心肌肥厚的發(fā)生發(fā)展。見(jiàn)表3，圖1。

類別qPCR檢測(cè)USP1相對(duì)表達(dá)量Saline1.00±0.05ISO 2.93±0.62t值5.35P值0.0058

2.3 腺病毒介導(dǎo)的RNA干擾技術(shù)可有效敲低大鼠原代心肌細(xì)胞中USP1基因的表達(dá) USP1基因的有效敲減是分析USP1基因功能的前提。為了進(jìn)一步探討USP1基因的功能，我們首先檢測(cè)腺病毒介導(dǎo)的RNA干擾技術(shù)對(duì)USP1基因的干擾效率。我們應(yīng)用熒光定量PCR和Western Blot技術(shù)檢測(cè)shUSP1在大鼠原代心肌細(xì)胞中的干擾效率。熒光定量PCR結(jié)果顯示，與對(duì)照病毒相比，shUSP1干擾病毒可以顯著下調(diào)大鼠原代心肌細(xì)胞中USP1基因的表達(dá)，抑制效率達(dá)到了81.3%(P<0.001)。并且，Western Blot結(jié)果顯示，shUSP1干擾腺病毒可以顯著下調(diào)大鼠原代心肌細(xì)胞中USP1基因的蛋白水平。見(jiàn)表4，圖2。

圖1 ISO誘導(dǎo)可以上調(diào)USP1蛋白的表達(dá)

組別qPCR檢測(cè)USP1相對(duì)表達(dá)量shCtrl 1.00±0.09ShUSP10.25±0.01t值14.35P值<0.0001

圖2 腺病毒介導(dǎo)RNA干擾技術(shù)可以有效的干擾新生乳大鼠心肌細(xì)胞的USP1基因蛋白的表達(dá)

2.4 干擾USP1的表達(dá)抑制ISO引起的心肌肥厚反應(yīng) 在ISO刺激的原代心肌細(xì)胞中，干擾USP1的表達(dá)明顯減小細(xì)胞面積。另外，干擾USP1的表達(dá)也會(huì)抑制ISO對(duì)Anp和Bnp基因表達(dá)的促進(jìn)作用。而在PBS組中，干擾USP1的表達(dá)對(duì)細(xì)胞大小以及Anp、Bnp及Myh7基因的表達(dá)并無(wú)顯著影響。這些結(jié)果表明干擾USP1的表達(dá)能夠顯著抑制ISO誘導(dǎo)的心肌肥厚反應(yīng)。見(jiàn)表5～7。

類別心肌細(xì)胞面積(μm2)t值P值ISO-Ad-shCtrl4032±211ISO-Ad-shUSP1 2434±143?10.860.0004PBS-Ad-shCtrl 1843±132?15.230.0001PBS-Ad-shUSP11823±98

注：與ISO-Ad-shCtrl組比較，*P<0.05

類別ANP相對(duì)表達(dá)水平t值P值ISO-Ad-shCtrl3.32±0.11ISO-Ad-shUSP12.03±0.25?8.180.0012PBS-Ad-shCtrl1.00±0.21?16.95<0.0001PBS-Ad-shUSP11.32±0.31

注：與ISO-Ad-shCtrl組比較，*P<0.05

類別BNP相對(duì)表達(dá)水平t值P值ISO-Ad-shCtrl3.81±0.65ISO-Ad-shUSP11.75±0.34?7.3180.0019PBS-Ad-shCtrl1.00±0.19?12.220.0003PBS-Ad-shUSP11.02±0.20

注：與ISO-Ad-shCtrl組比較，*P<0.05

3 討論

心血管疾病已經(jīng)成為威脅人類健康最主要的風(fēng)險(xiǎn)因素。心肌肥厚是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，心肌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，功能，信號(hào)通路，轉(zhuǎn)錄，電生理，代謝都發(fā)生了變化，是包括高血壓和心率不齊在內(nèi)的多種心血管疾病所共有的病理學(xué)基礎(chǔ)[10]。成年個(gè)體心肌細(xì)胞增殖的能力有限，當(dāng)心肌負(fù)荷增加的時(shí)候，心肌細(xì)胞做出相應(yīng)的反應(yīng)，通過(guò)增大心肌細(xì)胞和心臟大小來(lái)代償性地滿足機(jī)體的需求，即出現(xiàn)心肌肥厚。心肌肥厚分為生理性心肌肥厚和病理性心肌肥厚。體育鍛煉和懷孕可導(dǎo)致心肌肥厚并伴以正?；蛟鰪?qiáng)的心肌收縮功能，這種類型的心肌肥厚為生理性并且可逆。而病理性肥厚是由于長(zhǎng)期異常的血流動(dòng)力學(xué)應(yīng)激、高血壓、心肌梗死等因素引起的。病理性心肌肥厚便隨著心肌纖維化、毛細(xì)管膨脹、炎癥、心肌細(xì)胞功能障礙以及表現(xiàn)遺傳調(diào)控紊亂,其他細(xì)胞如成纖維細(xì)胞，血管平滑肌細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞也對(duì)刺激產(chǎn)生復(fù)雜的反應(yīng)，最終導(dǎo)致纖維化，炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，內(nèi)皮功能紊亂及血管僵硬[11,12]，這一系列復(fù)雜的反應(yīng)最終導(dǎo)致心肌適應(yīng)不良、心臟重構(gòu)和心臟衰竭[1]。

病理性心肌肥厚是心力衰竭的重要危險(xiǎn)因素，它與間質(zhì)纖維化、細(xì)胞死亡和心功能障礙有關(guān)。長(zhǎng)期以來(lái)，病理性心肌肥厚被認(rèn)為是不可逆的。然而，最近的臨床觀察和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)表明病理性心肌肥厚也是可以被逆轉(zhuǎn)。在心力衰竭患者中，將左心室輔助裝置用于搭橋移植不僅能改善周圍血液循環(huán)而且誘導(dǎo)肥厚心臟三維結(jié)構(gòu)的逆向重構(gòu)和功能恢復(fù)[13]。此外，在飲食中添加生理水平的銅可以逆轉(zhuǎn)小鼠的病理性心肌肥厚。壓力過(guò)載導(dǎo)致心臟中同型半胱氨酸的積累，并伴隨著銅-同型半胱氨酸復(fù)合物的形成和復(fù)合物的排泄而耗盡銅。補(bǔ)充銅可恢復(fù)細(xì)胞色素c氧化酶(CCO)活性，促進(jìn)心肌血管生成，同時(shí)使心肌肥厚消退，心肌收縮功能恢復(fù)[14]。因此，將病理性心肌肥厚逆轉(zhuǎn)的概念轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)踐的時(shí)代即將來(lái)臨。但是，目前我們對(duì)心肌肥厚發(fā)生發(fā)展的病理學(xué)機(jī)制了解并不全面。深入理解病理性心肌肥厚的發(fā)病機(jī)制將為逆轉(zhuǎn)心肌肥厚治療部分心血管疾病提供充分的理論支撐。

本研究主要發(fā)現(xiàn)USP1在心肌肥厚的細(xì)胞中高表達(dá)，并且干擾USP1可以有效的抑制心肌肥厚。USP1基因位于人類1號(hào)染色體短臂3區(qū)1帶3亞帶(1p31.3)，在靈長(zhǎng)類中高度保守。目前研究發(fā)現(xiàn)USP1可以調(diào)節(jié)多種生物學(xué)功能，其主要作用機(jī)制是使靶蛋白去泛素化。USP1最早發(fā)現(xiàn)其可以通過(guò)穩(wěn)定FANCD2基因，影響基因組穩(wěn)定性參與Fanconi貧血表型[4,5]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，USP1穩(wěn)定FANCD2蛋白需要UAF1參與，USP1/UAF1復(fù)合物使USP1發(fā)揮功能的基礎(chǔ)[15]。USP1與UAF1形成復(fù)合物，通過(guò)對(duì)底物進(jìn)行去泛素化而穩(wěn)定靶蛋白，進(jìn)而影響細(xì)胞功能。USP1/UAF1可以使穩(wěn)定靶蛋白TBK1去泛素化，穩(wěn)定TBK1蛋白水平進(jìn)而增強(qiáng)細(xì)胞的抗病毒反應(yīng)[15]；USP1/UAF1復(fù)合物也可以通過(guò)同樣的方式，穩(wěn)定RAD51AP1蛋白，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞DNA的重組修復(fù)[16]。USP1/UAF1復(fù)合物還可以與人乳頭瘤病毒E1解旋酶相結(jié)合，促進(jìn)病毒基因組的單向復(fù)制[17]。近期發(fā)現(xiàn)USP1可以參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展。在乳腺癌中，抑制USP1的活性可以使KPNA2蛋白穩(wěn)定，進(jìn)而抑制乳腺癌的轉(zhuǎn)移[18]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，USP1對(duì)BRCA1缺陷的乳腺癌細(xì)胞中DNA復(fù)制叉的起始相關(guān)[19]。研究發(fā)現(xiàn)，USP1可以通過(guò)EZH2蛋白穩(wěn)定性，進(jìn)而調(diào)節(jié)EZH2的活性以及β-catenin信號(hào)通路活性[7]。而在白血病細(xì)胞中，USP1可以和BcrAbl細(xì)胞的PH結(jié)構(gòu)域相互結(jié)合，參與細(xì)胞重編程[20]。但USP1在心血管系統(tǒng)中的作用研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本次研究首次發(fā)現(xiàn)在ISO誘導(dǎo)的心肌肥厚模型中USP1的mRNA水平和蛋白表達(dá)升高，使用腺病毒介導(dǎo)的USP1干擾可以有效抑制ISO誘導(dǎo)的乳大鼠心肌細(xì)胞的面積和心肌肥厚標(biāo)志分子Anp和Bnp的表達(dá)水平。這說(shuō)明USP1在ISO誘導(dǎo)的心肌肥厚過(guò)程中是必須的。

雖然本次研究首次發(fā)現(xiàn)USP1可能參與心肌肥厚的發(fā)生發(fā)展，但USP1如何發(fā)揮功能尚待進(jìn)一步探討。研究表明，去泛素化家族在心肌肥厚中發(fā)揮重要作用。在心肌特異型過(guò)表達(dá)USP15的小鼠中研究發(fā)現(xiàn)，USP15可以通過(guò)去泛素化SLIM1并穩(wěn)定該蛋白，進(jìn)而促進(jìn)心肌重塑，誘導(dǎo)心肌肥厚的發(fā)生[21]。與之相反，過(guò)表達(dá)USP14可以有效的抑制心肌肥厚的進(jìn)程，敲低USP14可以激活TAK1/JUK1/2/P38信號(hào)通路，導(dǎo)致心肌肥厚的發(fā)生[22]。另外，在心肌創(chuàng)傷后導(dǎo)致的心肌肥厚病理性瘢痕中，干擾USP4的表達(dá)或者抑制其活性均可以抑制心肌肥厚導(dǎo)致的病理性瘢痕的形成，該過(guò)程通過(guò)USP4對(duì)TGFβ受體1和Smad蛋白去泛素化并增加其穩(wěn)定性進(jìn)而激活TGFβ/Smad信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)[23]。以上分析發(fā)現(xiàn)USP家族不同成員在心肌肥厚發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮不同的功能。

本研究目前研究初步發(fā)現(xiàn)USP1可以促進(jìn)心肌肥厚的發(fā)生，但是其作用機(jī)制尚不明確。如上所述，USP1可以與UFA1組成復(fù)合物發(fā)揮功能，但是USP1在誘導(dǎo)心肌肥過(guò)程中是否通過(guò)與UFA1形成復(fù)合物發(fā)揮功能尚待進(jìn)一步的探討。此外，在USP1誘導(dǎo)的心肌肥厚中，USP1的靶基因需要進(jìn)一步鑒定，并且鑒定USP1是否通過(guò)去泛素化并穩(wěn)定靶蛋白發(fā)揮作用。明確USP1的功能和作用機(jī)制還需要再轉(zhuǎn)基因動(dòng)物水平進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，深入探討USP1調(diào)控心肌肥厚的作用機(jī)制。綜上所述，本研究主要在ISO可以誘導(dǎo)心肌肥厚的過(guò)程中，USP1表達(dá)上升，靶向USP1可以有效的抑制ISO誘導(dǎo)的心肌肥厚。但USP1參與心肌肥厚的發(fā)生發(fā)展的詳細(xì)作用機(jī)制有待深入研究。本研究可能為對(duì)于進(jìn)一步闡明心力衰竭的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，尋找防治心力衰竭的藥物靶點(diǎn)具有非常重要的理論和臨床意義。