朱慧琴,鄒嫣瓊,楊 潔,易 靜,楊 潔
(1. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子細(xì)胞生物學(xué)系,上海 200025;2. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)公共技術(shù)平臺(tái),上海 200025)
細(xì)胞自噬(autophagy)是細(xì)胞內(nèi)高度保守的生命活動(dòng)現(xiàn)象之一,是細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境變化、維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的重要機(jī)制[1]。因自噬程度與應(yīng)激時(shí)細(xì)胞是否能夠適應(yīng)而生存或適應(yīng)不良而死亡的命運(yùn)有關(guān),故自噬程度的調(diào)控對(duì)細(xì)胞乃至機(jī)體均有重要意義。細(xì)胞自噬程度的控制主要通過在基因轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后和翻譯后水平上調(diào)控自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)量和相互作用而實(shí)現(xiàn)[2-4],其中可逆的蛋白質(zhì)翻譯后修飾能夠快速調(diào)控自噬相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白,因而是重要的自噬調(diào)控方式。目前研究已發(fā)現(xiàn),磷酸化、泛素化和乙?;揎椩谧允芍芯哂兄匾饔茫》核貥有揎椢铮╯mall ubiquitinlike modifier,SUMO)化修飾在動(dòng)物體內(nèi)是否存在調(diào)控作用的相關(guān)研究報(bào)道較少[5]。
與泛素化修飾類似,SUMO 與底物蛋白質(zhì)的賴氨酸共價(jià)連接的過程被稱為SUM O 化修飾(SUMOylation),SUMO 特異性蛋白酶(SUMOspecific protease,SENP)家族則介導(dǎo)可逆的去SUMO 化修飾(de-SUMOylation),共同影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、定位及活性[6-8]。本研究組長期關(guān)注SENP 家族的SENP3,發(fā)現(xiàn)其在細(xì)胞應(yīng)激應(yīng)答中具有重要功能[9-13];研究還發(fā)現(xiàn),在體外培養(yǎng)細(xì)胞和小鼠體內(nèi)經(jīng)典的營養(yǎng)缺乏或饑餓應(yīng)激可以誘導(dǎo)肝細(xì)胞自噬,且自噬相關(guān)重要蛋白質(zhì)卷曲螺旋狀Myosin 樣Bcl-2 相互作用蛋白1(coiled-coil myosin-like Bcl-2-interacting protein 1,BECN1)發(fā)生了SUMO化修飾,而小鼠肝細(xì)胞中SENP3基因被特異性敲除后SUMO化修飾程度增強(qiáng)并導(dǎo)致自噬水平升高,提示自噬發(fā)生時(shí)SENP3 介導(dǎo)了BECN1的去SUMO化修飾,并且對(duì)自噬程度進(jìn)行精細(xì)調(diào)控[14]。然而,在其他組織中SENP3 是否具有調(diào)控自噬的功能,底物蛋白質(zhì)是什么,目前均不清楚。一些研究初步表明,自噬參與調(diào)節(jié)肺的炎性反應(yīng),影響肺損傷的程度[15-16]。但因?yàn)閯?dòng)物在體水平的自噬不易被檢測,調(diào)控自噬的研究也很少,故目前對(duì)靜息時(shí)肺組織是否存在自噬,以及饑餓等生理刺激時(shí)自噬是否發(fā)生,肺的上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞和炎性細(xì)胞中哪種細(xì)胞類型發(fā)生自噬,SENP3 是否調(diào)控自噬程度等,這些問題均少見報(bào)道。
本研究利用基因敲除雜合子(SENP3+/—)小鼠,比較饑餓后肺組織細(xì)胞自噬水平,以期認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)在體水平的自噬以及SENP3對(duì)自噬的調(diào)節(jié)作用。
SENP3 基因敲除雜合子(SENP3+/-)小鼠由上海交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子細(xì)胞生物學(xué)系程金科教授惠贈(zèng)。S E N P 3 野生型(SENP3+/+)即背景品系SPF 級(jí)C57BL/6J 小鼠購自上海靈暢生物科技有限公司[S C X K(滬)2018-0003],飼養(yǎng)于SPF 級(jí)環(huán)境[SYXK(滬 )2018-0027]。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院動(dòng)物福利倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(編號(hào)為A-2019-041)。
抗SENP3 抗體、抗微管相關(guān)蛋白1A/1B-輕鏈3(microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3,LC3)抗體、抗SUMO2/3 抗體、抗BECN1 抗體和IgG 抗體均購自美國CST公司;抗β-actin 抗體、氯喹及N- 乙基馬來酰胺(Nethylmaleimide,NEM)均購自美國Sigma 公司;抗表面活性物質(zhì)相關(guān)蛋白C(surfactant protein C,SP-C)抗體購自英國Abcam 公司;辣根過氧化物酶標(biāo)記的二抗購自美國Jackson ImmunoResearch 公司;熒光標(biāo)記二抗購自美國Invitrogen 公司;放射免疫沉淀法(radio immunoprecipitation assay,RIPA)蛋白裂解液購自美國Thermo Fisher 公司。
蛋白質(zhì)免疫印跡(Immunoblotting)裝置購自美國Bio-Rad 公司;透射電子顯微鏡購自日本Hitachi 公司;激光掃描共聚焦顯微鏡購自德國Zeiss 公司。
8 周齡雄性SENP3+/+小鼠16 只和SENP3+/-小鼠16 只,分別隨機(jī)分為對(duì)照組、饑餓組、溶酶體抑制劑氯喹組和饑餓合并氯喹組。對(duì)照組為正常飲食;饑餓組小鼠禁食40 h,不斷水[14,17];氯喹組為腹腔注射氯喹(60 mg/kg);饑餓合并氯喹處理組為饑餓處理前2 h 腹腔注射氯喹(60 mg/kg),間隔20 h 再注射1次,饑餓時(shí)間為40 h。氯喹可抑制溶酶體功能,用來區(qū)分自噬的發(fā)生或溶酶體降解功能的異常,從而評(píng)估自噬流。上述處理結(jié)束后以脊椎脫臼法處死小鼠,取雙側(cè)肺組織,將肺葉剪開,部分切為小塊,分別置于液氮和固定劑中,準(zhǔn)備用于蛋白質(zhì)檢測、免疫組織化學(xué)染色和電子顯微鏡觀察。
取肺組織,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的多聚甲醛溶液固定,30% 蔗糖溶液脫水,冰凍切片包埋劑(optimal cutting temperature compound,OCT)包埋,冷凍切片機(jī)切片,厚度為5 μ m。封閉1 h,加入抗SENP3 抗體(工作液體積稀釋比例為1 ∶100)以及抗SP-C 抗體(稀釋比例為1∶200),4 ℃孵育過夜;然后加入熒光標(biāo)記二抗(稀釋比例為1∶1000),37 ℃孵育1 h。漂洗后用4',6- 二脒基-2- 苯基吲哚(4',6-diamidino-2-phenylindole,DAPI)(稀釋比例為1∶2000)對(duì)比染色,抗淬滅劑封固,激光掃描共聚焦顯微鏡下拍攝,通過ZEN圖像成像軟件輸出圖片。
應(yīng)用LC3 免疫熒光染色法檢測細(xì)胞自噬,肺組織冰凍切片用LC3 抗體(稀釋比例為1∶100)孵育,4 ℃過夜,其他步驟同前。LC3-Ⅰ彌散分布于細(xì)胞質(zhì),而 LC3-Ⅱ形成后分布于自噬小體膜或自噬溶酶體膜,呈現(xiàn)為斑點(diǎn)狀(dots),故以點(diǎn)狀LC3 的出現(xiàn)指示自噬的發(fā)生。
取0.1 g 肺組織,加入含有蛋白酶抑制劑的RIPA 蛋白裂解液,研磨并超聲提取肺組織蛋白,并用BCA 試劑盒檢測蛋白質(zhì)濃度。按每孔20 μg 上樣,通過十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳分離蛋白,并轉(zhuǎn)移至聚偏二氟乙烯膜,脫脂奶粉封閉1 h。分別加入抗SEN P3、LC3、BECN1 和SUMO2/3 抗體(稀釋比例為1∶1000),以及抗β-actin 抗體(稀釋比例為1∶5000),孵育過夜,再加入二抗(稀釋比例為1∶5000),37 ℃孵育1 h,試劑盒顯影,化學(xué)發(fā)光成像儀檢測并輸出圖片。
因細(xì)胞自噬時(shí)LC3- Ⅰ與磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE)結(jié)合后轉(zhuǎn)變?yōu)長C3-Ⅱ ,故應(yīng)用抗LC3 抗體進(jìn)行免疫印跡可檢測細(xì)胞自噬。LC3-Ⅰ轉(zhuǎn)化為LC3-Ⅱ提示細(xì)胞自噬啟動(dòng),LC3- Ⅱ的量反映自噬水平。
肺組織置于2.5%戊二醛固定液中,4 ℃固定48 h,1%鋨酸固定2 h,梯度乙醇溶液脫水后環(huán)氧丙烷置換,812 包埋劑浸透,60 ℃烘箱聚合48 h。超薄切片機(jī)切90 nm 厚度的肺組織切片,檸檬酸鉛染色,透射電子顯微鏡下觀察肺組織自噬細(xì)胞形態(tài)。
取0.1 g 肺組織,加入含有蛋白酶抑制劑和NEM 的RIPA 蛋白裂解液 1 mL,研磨并超聲,14000×g,4 ℃離心15 min 后吸取上清蛋白樣品。留取60 μL 樣品作為對(duì)照,其余樣品中加入抗BEC N1 抗體,4 ℃旋轉(zhuǎn)過夜。加入40 μ L Protein A/G 瓊脂糖珠子,4 ℃旋轉(zhuǎn)過夜,漂洗后加50 μL 上樣緩沖液,100 ℃變性后進(jìn)行免疫印跡法檢測。
使用GraphPad Prism 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。各實(shí)驗(yàn)均獨(dú)立重復(fù)3次,每次每組實(shí)驗(yàn)小鼠為同窩出生,每組 2~6 只(對(duì)照組略少于實(shí)驗(yàn)組),結(jié)果數(shù)據(jù)用±s表示。兩組間比較采用t檢驗(yàn)。P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
圖1 免疫熒光技術(shù)顯示小鼠肺組織中SENP3 的定位Figure 1 Localization of SENP3 in mouse lung by immunofluorescence
小鼠肺組織切片在微分干涉相差顯微鏡下觀察(圖1)顯示,肺泡Ⅰ型上皮細(xì)胞扁平,圍成肺泡壁;Ⅱ型上皮細(xì)胞分布于Ⅰ型上皮細(xì)胞之間,呈立方形,細(xì)胞核為圓形,突向肺泡腔內(nèi)。肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞以特異性表達(dá)的SP-C 進(jìn)行標(biāo)記。免疫熒光檢測結(jié)果顯示,SENP3 主要定位于SP-C 陽性細(xì)胞,且以細(xì)胞質(zhì)定位為主,提示SENP3主要表達(dá)于肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中。
圖2 免疫印跡法(A 和B)和免疫熒光技術(shù)(C 和D)檢測SENP3+/+小鼠和SENP3+/-小鼠肺組織中自噬相關(guān)蛋白LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ的量Figure 2 Autophagy level in SENP3+/+ and SENP3+/- mouse lung tissues by immunoblotting (A-B) and immunofluorescence(C-D)
小鼠肺組織的免疫印跡法檢測結(jié)果(圖2)顯示,SENP3+/-小鼠的SENP3 水平較SENP3+/+小鼠下降(39.98±2.32)%(P<0.01),提示雜合子小鼠也具有一定的敲減效率;與對(duì)照組相比,饑餓小鼠肺組織的SENP3 水平有所升高(P<0.01,圖2A)。在SENP3+/+小鼠中,未饑餓對(duì)照組肺組織中出現(xiàn)少量LC3-Ⅱ,提示肺組織細(xì)胞有基礎(chǔ)的自噬水平;饑餓后LC3-Ⅱ進(jìn)一步增加,LC3-Ⅰ明顯減少,提示饑餓誘導(dǎo)后自噬增加(P<0.01,圖2A)。關(guān)鍵的是,與SENP3+/+小鼠相比,SENP3+/-小鼠的LC3- Ⅱ水平更高(P<0.01,圖2A),且LC3- Ⅱ/LC3-Ⅰ比例有所升高,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01,圖2B)。同時(shí),與未加溶酶體抑制劑氯喹組相比,氯喹處理后LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比例都相應(yīng)升高,且SENP3+/-小鼠中升高最為明顯,說明SENP3 的敲減加速了肺組織細(xì)胞自噬流。
因肺組織蛋白樣品中檢測出LC3-Ⅱ的量只能反映整體水平的自噬程度,故研究仍需分析發(fā)生自噬的細(xì)胞類型和程度。免疫熒光染色結(jié)果顯示,未饑餓時(shí),SENP3 高表達(dá)的肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞質(zhì)中無明顯的點(diǎn)狀LC3,而SENP3+/-小鼠中開始少量出現(xiàn)(圖2C 和2D);饑餓48 h 后,SENP3+/+小鼠組的點(diǎn)狀LC3 有所增加(P<0.05),而SENP3+/-小鼠組明顯增多(P<0.01,圖2C 和2D)。另外,SENP3 低表達(dá)的肺泡Ⅰ型上皮細(xì)胞及其他細(xì)胞中無明顯的點(diǎn)狀LC3 形成,提示饑餓后自噬發(fā)生在肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞,且受到SENP3 的抑制。
透射電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),SENP3+/+小鼠和SENP3+/-小鼠肺組織結(jié)構(gòu)正常。肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞表面有短小的微絨毛,細(xì)胞質(zhì)中可見特征性的嗜鋨性板層小體。饑餓組小鼠的Ⅱ型上皮細(xì)胞中出現(xiàn)明顯的自噬溶酶體結(jié)構(gòu),內(nèi)含已經(jīng)消化的內(nèi)容物或碎片,而肺泡Ⅰ型上皮中未見相關(guān)結(jié)構(gòu)(圖3),提示饑餓主要誘導(dǎo)了肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的自噬。同時(shí),SENP3+/-小鼠較SENP3+/+小鼠Ⅱ型上皮細(xì)胞中的自噬溶酶體數(shù)量更多(圖3)。
圖3 透射電子顯微鏡下觀察SENP3+/+小鼠和SENP3+/-小鼠肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的自噬Figure 3 Autophage of alveolar type Ⅱ epithelial cells in SENP3+/+ and SENP3+/- mouse lung tissues under transmission electron microscopy
在肺組織樣品中檢測BECN1 的SUMO 化修飾,結(jié)果顯示BECN1 的量未受到饑餓和SENP3基因敲除的影響,但與SENP3+/+相比,SENP3+/-小鼠中可檢測到明顯的BECN1的SUMO2/3修飾條帶(圖4 上圖中泳道2 與泳道1 相比),提示在野生型小鼠中SENP3去除了BECN1的SUMO2/3修飾。但在SENP3+/-小鼠中,與未饑餓的對(duì)照組相比,饑餓后BECN1 的SUMO2/3 修飾是否增強(qiáng),結(jié)果尚不明確,SUMO2/3抗體檢測時(shí)顯示為修飾減弱(圖4 上圖中泳道4 與泳道2 相比),BECN1 抗體檢測時(shí)顯示為修飾增強(qiáng)(圖4 中圖泳道4 與泳道2 相比)。
圖4 免疫共沉淀法檢測SENP3+/+和SENP3+/-小鼠肺組織中BECN1 的SUMO2/3 修飾Figure 4 SUMO2/3-modified BECN1 in SENP3+/+ and SENP3+/- mouse lung tissues by co-immunoprecipitation
本研究初步在動(dòng)物體內(nèi)水平檢測了肺組織細(xì)胞的基礎(chǔ)自噬水平和饑餓誘導(dǎo)的自噬水平,發(fā)現(xiàn)饑餓時(shí)自噬主要發(fā)生于肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞。同時(shí),研究也觀察到SENP3定位于肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì),介導(dǎo)了重要的自噬相關(guān)蛋白BECN1的去SUMO 化修飾,并能夠抑制饑餓誘導(dǎo)的自噬,發(fā)揮自噬調(diào)控的作用。本研究結(jié)果一方面確認(rèn)了SENP3可抑制肺組織細(xì)胞自噬,并初步探討了其作用機(jī)制,另一方面也對(duì)在動(dòng)物水平檢測細(xì)胞自噬的方法進(jìn)行了摸索,使得研究者對(duì)在體自噬調(diào)控提高了認(rèn)識(shí)。
目前在體或器官水平檢測自噬流是自噬研究中較為困難的領(lǐng)域之一,應(yīng)用LC3-Ⅱ的檢測并不理想。研究者通常采用LC3-GFP轉(zhuǎn)基因小鼠,器官類型則集中在骨骼肌、腦、心臟和視網(wǎng)膜,而肺較少[18-19]。本研究也確實(shí)發(fā)現(xiàn)免疫印跡技術(shù)檢測LC3-Ⅱ的量以及免疫熒光技術(shù)檢測LC3形成的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)均不明顯,較培養(yǎng)細(xì)胞更難檢測。研究中預(yù)先給小鼠腹腔注射抑制劑氯喹,一定程度上改善了LC3-Ⅱ的檢測結(jié)果,提示該策略是研究在體自噬的可行方法。另外,本研究也綜合應(yīng)用多種技術(shù)檢測自噬水平,可以在自噬的定量、細(xì)胞特異性及超微結(jié)構(gòu)的水平上分別反映自噬的特征,也是在體水平全面檢測自噬的必要方法。
自噬水平的控制是自噬研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問題,也是研究者理解自噬在疾病發(fā)生和治療中的角色的關(guān)鍵問題。在自噬的調(diào)控機(jī)制中,有研究發(fā)現(xiàn)SUMO化修飾這種蛋白質(zhì)翻譯后修飾方式可能參與其中,并證明SUMO能增強(qiáng)神經(jīng)細(xì)胞和心肌細(xì)胞的自噬水平[20-22],但是去SUMO 化修飾的蛋白酶在自噬過程中發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用的相關(guān)研究報(bào)道較少。本實(shí)驗(yàn)室前期研究已發(fā)現(xiàn),小鼠肝臟中BECN1的SUMO化修飾促進(jìn)自噬,而SENP3通過對(duì)其去SUMO 化修飾抑制自噬的發(fā)生[14]。在小鼠睪丸組織中,饑餓應(yīng)激后自噬發(fā)生于支持細(xì)胞(Sertoli 細(xì)胞),SENP3 基因敲除雜合子小鼠中自噬增加[23]。本研究在小鼠肺組織中繼續(xù)探索,發(fā)現(xiàn)饑餓后肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞出現(xiàn)自噬,而SENP3能抑制這種細(xì)胞的自噬,提示SENP3抑制自噬的角色在各種組織中具有一定的普遍性。
SE N P3 調(diào)控自噬的分子機(jī)制與蛋白質(zhì)的SUMO2/3修飾有關(guān)。本研究中肺組織與其他研究中的肝組織類似,BECN1 的SUMO2/3 修飾能夠被SEN P3 去除。在機(jī)制研究上,人們已發(fā)現(xiàn)BECN1的SUMO2/3修飾易化了與紫外線抵抗相關(guān)基因(ultraviolet radiation resistance-associated gene,UVRAG)、磷脂酰肌醇-3-激酶催化亞單位3(phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit type 3,PI3KC3,又稱為VPS34)、自噬相關(guān)蛋白14 樣蛋白(autophagy-related protein 14-like protein, ATG14L)的相互作用,增強(qiáng)了自噬起始核心復(fù)合物的活性。由于HEK293T細(xì)胞和肝細(xì)胞中均存在該機(jī)制,提示這個(gè)分子機(jī)制可能也存在于肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞。但因其他研究在體外發(fā)現(xiàn)這個(gè)復(fù)合物中的VPS34可以被SUMO1修飾[24],故后續(xù)研究需要探索肺組織細(xì)胞中VPS34是否作為SENP3 的底物引起SUMO2/3 修飾的逆轉(zhuǎn),以及是否參與自噬調(diào)控,以期進(jìn)一步明確SENP3的作用機(jī)制。
雖然SENP3在體外培養(yǎng)細(xì)胞和機(jī)體中扮演重要角色,其基因敲除造成小鼠早期胚胎的死亡,但其在各種組織中的功能和定位均不明確。在體外培養(yǎng)的多種正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中,SENP3 定位于細(xì)胞核,且集中于核仁,尤其是基因過度表達(dá)時(shí)更為顯著[25]。研究發(fā)現(xiàn)在肝細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中存在SENP3 分布,并與BECN1 相互作用介導(dǎo)其去SUMO 化修飾[14]。本研究中免疫熒光檢測結(jié)果顯示SENP3 定位于肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì),與其他研究結(jié)果不同,在細(xì)胞核中幾乎沒有發(fā)現(xiàn)SENP3,故未來仍需用多種技術(shù)綜合考察其定位,以全面了解其功能。
本研究探討肺組織細(xì)胞的自噬及其調(diào)控,具有一定的意義。自噬的程度影響應(yīng)激時(shí)的細(xì)胞命運(yùn),即可能促進(jìn)細(xì)胞存活抑或造成細(xì)胞死亡,而細(xì)胞命運(yùn)的不同與刺激類型、程度和細(xì)胞類型有關(guān)。在肺部疾病中,自噬是否發(fā)生,與疾病的關(guān)系如何,這些研究報(bào)道不多,但研究結(jié)果已初步顯示了不同病原體誘導(dǎo)的自噬、發(fā)生自噬的細(xì)胞類型及對(duì)細(xì)胞的生物學(xué)意義。細(xì)菌、敗血癥及高氧誘導(dǎo)的急性肺損傷中,自噬發(fā)揮保護(hù)細(xì)胞和減少損傷的作用[15]。但也有研究報(bào)道了與此相反的現(xiàn)象,肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的自噬導(dǎo)致炎性因子分泌量增加、細(xì)胞死亡和功能障礙,造成急性肺損傷加重[26-29]。H5N1 流感患者中,肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的過度自噬也導(dǎo)致急性呼吸窘迫綜合征[30-31],BECN1 基因敲除或3-甲基腺嘌呤抑制自噬后發(fā)病率降低,故抑制自噬可能成為治療H5N1感染的一個(gè)新策略[31-32]。本研究發(fā)現(xiàn)SENP3在肺組織中能夠發(fā)揮抑制細(xì)胞自噬的功能,故提高SENP3的量或增強(qiáng)其活性有望成為治療急性肺損傷的一個(gè)新策略。