來裕婷,朱菲菲,王軼敏,郭宏,張林林,李新,郭益文,丁向彬
(天津農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)與動物醫(yī)學(xué)學(xué)院/天津市農(nóng)業(yè)動物繁育與健康養(yǎng)殖重點實驗室,天津 300384)
【研究意義】 肌肉是動物軀體的重要組成部分,骨骼肌大約占體重的40%,骨骼肌在調(diào)節(jié)動物新陳代謝、機體運動、能量儲存和健康等方面至關(guān)重要,是機體功能正常運轉(zhuǎn)的必要組分。骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞作為肌源性的干細(xì)胞,在肌肉發(fā)育分化和肌損傷修復(fù)中都發(fā)揮了重要的作用。泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(Ubiquitinroteasome system, UPS)是真核生物降解蛋白的主要途徑。泛素(ubiquitin, Ub)先標(biāo)記要降解的蛋白質(zhì),然后由蛋白酶體識別和降解[1]。泛素蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白降解由泛素(Ub)、泛素活化酶(ubiquitin-activating enzyme, E1)、泛素結(jié)合酶(ubiquitin-conjugating enzyme, E2)、泛素-蛋白連接酶(ubiquitin-protein ligating enzyme,E3)、去泛素化酶(deubiquitinating enzymes,DUBs)、26S蛋白酶體及其底物(蛋白質(zhì))構(gòu)成[2-3]。泛素-蛋白酶體對底物的降解過程主要包括泛素化、蛋白酶體降解、去泛素化3個過程。由于底物蛋白在細(xì)胞內(nèi)廣泛存在,泛素化參與調(diào)節(jié)細(xì)胞周期進(jìn)程、細(xì)胞增殖與分化、以及信號傳導(dǎo)等多種生物學(xué)過程[4]。在肌肉發(fā)育分化過程中,泛素-蛋白酶體系統(tǒng)可能也發(fā)揮了重要的調(diào)節(jié)作用,具體調(diào)控機制亟需進(jìn)行深入研究?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】26S蛋白酶體是降解泛素化底物的一個ATP依賴型蛋白水解復(fù)合體,由20S核心蛋白酶體和19S調(diào)節(jié)顆粒構(gòu)成[5-7]。19S調(diào)節(jié)顆粒可以識別泛素化的蛋白,20S是泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的中樞蛋白水解結(jié)構(gòu)[8-9]。20S是一個圓筒形結(jié)構(gòu),由α亞基和β亞基構(gòu)成的4個環(huán)層疊組成,內(nèi)側(cè)的2個β環(huán)具有蛋白酶催化水解活性[10],β1、β2和β5為活性亞基,具有特異性肽切割位點,是整個泛素-蛋白酶體通路降解蛋白的關(guān)鍵位點[11-12]。其中,蛋白酶體β5亞基(PSMB5)具有糜蛋白酶樣活性[13]。在肌肉中,泛素-蛋白酶體系統(tǒng)與肌原纖維蛋白的降解密切相關(guān)[14-15]。有研究表明,過表達(dá)PSMB5可增強人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞20S蛋白酶體活性,提高細(xì)胞增殖能力[16]。也有研究表明,PSMB5過表達(dá)能夠促進(jìn)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向神經(jīng)元樣細(xì)胞分化[17]。還有研究表明免疫蛋白酶體 β5i 亞基可通過升高鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的蛋白水平和活性,促進(jìn) DOCA 鹽誘導(dǎo)的心肌肥厚[18]。沉默 PSMB5基因可降低神經(jīng)干細(xì)胞蛋白酶體活性抑制新生小鼠神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化能力[19]。也有研究表明在心臟肥大的動物模型中,心臟蛋白酶體亞基的蛋白表達(dá)水平與心肌肥厚呈正相關(guān),可能是由于蛋白酶體促進(jìn)了心臟肥大信號通路中相關(guān)蛋白的表達(dá)[20]?!颈狙芯壳腥朦c】上述研究提示蛋白酶體亞基 PSMB5可能在細(xì)胞分化和肌肉發(fā)育過程中發(fā)揮了重要的調(diào)控作用,但PSMB5對牛肌肉發(fā)育分化是否具有調(diào)控作用還不清楚?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究利用牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞體外誘導(dǎo)成肌分化模型,模擬牛骨骼肌生長發(fā)育過程,通過改變牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中PSMB5基因的表達(dá)水平,研究 PSMB5蛋白對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞體外增殖和成肌分化的影響。
牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞由天津市農(nóng)業(yè)動物繁育與健康養(yǎng)殖重點實驗室分離凍存。
試驗于2019年1—9月在天津市農(nóng)業(yè)動物繁育與健康養(yǎng)殖重點實驗室完成。
二氧化碳培養(yǎng)箱(SANYO);熒光倒置顯微鏡(Leica);通用酶標(biāo)儀(Biotek)電泳儀、轉(zhuǎn)膜儀、高靈敏化學(xué)發(fā)光成像分析系統(tǒng)(Bio-Rad)等。
DMEM;FBS(Fetal Bovine Serum),HS(Horse Serum),Opti-MEM,0.25%胰蛋白酶購自美國Gibco公司;si-RNA和EdU細(xì)胞增殖檢測試劑盒購自廣州銳博公司;RIPA裂解液,電泳液,電轉(zhuǎn)液,TBS和發(fā)光液購自北京索萊寶公司;Protease inhibitor cocktail購自美國SIGMA公司; BCA試劑盒購自北京康為公司;LipofectamineTM3000 Reagent和 proteasome 20S Antibody抗體購自賽默飛公司;MyHC一抗購自DSHB公司;GAPDH一抗,羊抗鼠二抗和羊抗兔二抗購自北京中杉金橋公司;pcDNA3.1購自武漢淼靈生物科技有限公司;RNA快速提取試劑盒購自艾德萊生物科技有限公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒購自 Takara biotechnology Corporation;All-in-OneTMqPCR Mix,購自GeneCopoeia。
牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞體外誘導(dǎo)成肌分化模型的建立參考天津市農(nóng)業(yè)動物繁育與健康養(yǎng)殖重點實驗室已建立的方法進(jìn)行[21]。細(xì)胞在37 ℃水浴中復(fù)蘇,用1 mL完全培養(yǎng)基(含20% FBS的DMEM)中和,室溫,1 000 r/min 離心 10 min,移除上清,加入適量的完全培養(yǎng)基重懸,接種于60 mm的培養(yǎng)皿中。待細(xì)胞融合度達(dá)到 80%時傳代,用 37 ℃預(yù)熱的 PBS清洗細(xì)胞兩次,加入 1 mL 0.25%胰酶室溫消化 2 min,加入1 mL完全培養(yǎng)基終止消化,室溫1 000 r/min離心5 min,移除上清,加入適量的完全培養(yǎng)基重懸,接種于細(xì)胞培養(yǎng)板中。待細(xì)胞匯合度達(dá)到80%,加入分化培養(yǎng)基(含2% HS的DMEM)進(jìn)行體外誘導(dǎo)分化。
牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化前后 PSMB5表達(dá)量的檢測:將牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞傳代后接種于24孔板,在完全培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h,誘導(dǎo)分化培養(yǎng)72 h,利用RNA快速提取試劑盒分別提取增殖期和分化期牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞總 RNA,qRT-PCR檢測牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化前后PSMB5的mRNA表達(dá)差異,Western blotting法檢測 PSMB5在牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化前后蛋白表達(dá)水平的差異。
PSMB5的干擾及過表達(dá)效果檢測:設(shè)計合成PSMB5 小干擾 RNA si-RNA-PSMB5 (si-PSMB5,序列為:AGAGGAGCCAAGAATTGAA);構(gòu)建PMSB5的表達(dá)載體 pcDNA3.1-PSMB5(pcDNA-PSMB5)。將牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞在24孔培養(yǎng)板內(nèi)進(jìn)行增殖培養(yǎng),當(dāng)細(xì)胞融合度達(dá) 80%時,按生產(chǎn)商家說明書利用Lipofectamine 3000轉(zhuǎn)染已構(gòu)建的si-PSMB5及過表達(dá)載體pcDNA-PSMB5,以si-NC及空質(zhì)粒pCDNA3.1(pcDNA-NC)轉(zhuǎn)染細(xì)胞作為對照。qRT-PCR及Western blotting法檢測轉(zhuǎn)染處理后48 h的過表達(dá)和干擾效果。
PSMB5對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖的影響:轉(zhuǎn)染后24 h,按 Cell-Light EdU Apollo In Vitro Imaging Kit試劑盒說明書檢測牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖期細(xì)胞數(shù)。
PSMB5對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞成肌分化的影響:光學(xué)顯微鏡觀察干擾和過表達(dá) PSMB5后誘導(dǎo)分化 72h牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞肌管形成狀態(tài),Western blotting檢測分化標(biāo)記因子MyHC的蛋白水平表達(dá)。
取 5 μL 總 RNA 利用 All-in-OneTMFirst-Strand cDNA Synthesis Kit試劑盒將RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA,再采用qRT-PCR檢測PSMB5基因的表達(dá)水平。
qRT-PCR 反應(yīng)體系:10 μmol·L-1上游引物、10 μmol·L-1下游引物、2.0 μL 5 倍稀釋 cDNA、10 μL 2×All-in-OneTMqPCR Mix,RNase-free water 將體系補至20 μL。qRT-PCR反應(yīng)引物信息如表1所示。
表1 qRT-PCR引物信息Table 1 The primer information of qRT-PCR
用蛋白裂解液裂解6孔板中增殖期細(xì)胞或分化期肌管細(xì)胞,收集蛋白,用 BCA法測定蛋白濃度,再通過 Western blotting檢測 PSMB5和分化標(biāo)志基因MyHC的蛋白的表達(dá)量,具體步驟參考本實驗室已建立的方法進(jìn)行[22]。
圖1 牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化前后PSMB5表達(dá)量的檢測Fig. 1 Expression of PSMB5 in proliferation and differentiation of bovine skeletal muscle satellite cells
將牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞接種在 96孔板中,轉(zhuǎn)染后24 h,按 Cell-Light EdU Apollo In Vitro Imaging Kit試劑盒說明書檢測各處理細(xì)胞的增殖期細(xì)胞數(shù)。每組試驗均設(shè)置3個生物學(xué)重復(fù),每個生物學(xué)重復(fù)至少采集3個技術(shù)重復(fù)或視野。EdU增殖效率=EdU陽性細(xì)胞數(shù)/Hoechst 33342標(biāo)記細(xì)胞數(shù),分別記數(shù)3個200×視野的細(xì)胞總數(shù)及EdU陽性細(xì)胞數(shù)。
每組試驗均設(shè)置3個生物學(xué)重復(fù),所有數(shù)據(jù)均以“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。EdU結(jié)果采用χ2檢驗進(jìn)行分析;qRT-PCR結(jié)果按 2-ΔΔCt法計算,采用t檢驗進(jìn)行差異顯著性分析,以GAPDH基因作為內(nèi)參基因?qū)z測的目的基因進(jìn)行歸一化。“*”表示差異顯著(P<0.05),“**”表示差異極顯著(P<0.01)。
將牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞傳代后接種于24孔板,在增殖培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h,誘導(dǎo)分化培養(yǎng)72 h,qRT-PCR和 Western blotting檢測牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化前后 PSMB5的表達(dá)差異,(圖1)??芍?,PSMB5在牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化前后表達(dá)水平存在顯著差異,誘導(dǎo)分化后牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中PSMB5的mRNA和蛋白表達(dá)量均顯著高于增殖期(P<0.05)。結(jié)果提示 PSMB5可能對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的成肌分化有一定的調(diào)控作用。
當(dāng)24孔培養(yǎng)板內(nèi)增殖期細(xì)胞融合度達(dá)80%時,轉(zhuǎn)染小干擾 RNA si-PSMB5和 PSMB5過表達(dá)質(zhì)粒pcDNA-PSMB5,轉(zhuǎn)染處理后 48 h后,qRT-PCR及Western blotting檢測細(xì)胞中PSMB5的表達(dá)水平變化。結(jié)果如圖2和圖3所示,轉(zhuǎn)染si-PSMB5后,PMSB5的mRNA表達(dá)水平(圖2-A)及蛋白表達(dá)水平(圖2-B)顯著低于對照組(P<0.05);轉(zhuǎn)染 pcDNA-PSMB5過表達(dá)質(zhì)粒后,PSMB5的mRNA水平(圖3-A)及蛋白表達(dá)水平(圖3-B)顯著高于對照組(P<0.01)。結(jié)果表明小干擾RNA以及構(gòu)建的PSMB5過表達(dá)質(zhì)粒分別對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞具有明確的干擾和過表達(dá)效果。
圖2 siRNA的干擾效果檢測Fig. 2 Detection of interference effects of si-PSMB5
將 96孔板中細(xì)胞轉(zhuǎn)染 si-PSMB5和 pcDNASMB5,轉(zhuǎn)染處理24 h后,采用EdU法檢測牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖狀態(tài)。結(jié)果如圖4所示,干擾或過表達(dá)PSMB5后,牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞EdU陽性細(xì)胞率與對照組相比差異均不顯著(P>0.05)。結(jié)果表明PSMB5對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖沒有明顯的影響。
圖3 PSMB5質(zhì)粒載體的過表達(dá)效果檢測Fig. 3 Detection of pcDNA-PSMB5 overexpression effect
圖4 EdU法檢測干擾及過表達(dá)PSMB5對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖的影響Fig. 4 EdU detects proliferating cells of bovine skeletal muscle satellite cells after knockdown and overexpression of PSMB5
干擾或過表達(dá)PSMB5后,將牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞誘導(dǎo)分化 72 h,然后采用光學(xué)顯微鏡觀察牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞肌管形成狀態(tài),Western blotting 檢測分化72 h后PSMB5以及分化標(biāo)記因子MyHC的蛋白水平表達(dá)。如圖5所示,干擾PSMB5后,從細(xì)胞形態(tài)圖來看,試驗組形成的肌管數(shù)量明顯少于對照組(圖5-A);Western blotting檢測結(jié)果顯示,干擾PSMB5表達(dá)后,分化標(biāo)志因子MyHC的蛋白水平顯著降低(P<0.01)(圖5-C);誘導(dǎo)分化72 h時,PSMB5蛋白水平仍顯著低于對照組(P<0.01)(圖5-D)。過表達(dá)PSMB5后,試驗組中形成的肌管數(shù)量明顯多于對照組(圖5-B);Western blotting檢測結(jié)果顯示,過表達(dá)PSMB5后,分化標(biāo)志因子MyHC的蛋白表達(dá)水平顯著高于對照組(P<0.01)(圖5-E);誘導(dǎo)分化72 h,試驗組PSMB5的蛋白表達(dá)水平仍高于對照組但差異不顯著(P>0.05)(圖5-F)。研究結(jié)果表明干擾 PSMB5的表達(dá)會抑制牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞體外成肌分化進(jìn)程,而過表達(dá) PSMB5可以促進(jìn)牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞體外成肌分化進(jìn)程,PSMB5對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的成肌分化過程具有顯著的調(diào)控作用。
骨骼肌發(fā)育過程極其復(fù)雜,主要包括體節(jié)細(xì)胞增殖分化、成肌細(xì)胞增殖分化、肌管成熟以及肌纖維形成等環(huán)節(jié)。骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞是骨骼肌中具有分化增殖潛能的肌源性干細(xì)胞,通常以靜息狀態(tài)存在于肌纖維肌膜與基底膜之間,在一定的條件下可以被激活,發(fā)生增殖和分化。衛(wèi)星細(xì)胞在動物出生后肌肉的生長發(fā)育和再生過程中發(fā)揮著十分重要的作用[23-24]。肌衛(wèi)星細(xì)胞的體外成肌分化過程很好地模擬了體內(nèi)的發(fā)育過程,成為研究細(xì)胞分化和肌肉發(fā)育發(fā)生機制的良好細(xì)胞模型。泛素-蛋白酶體途徑在細(xì)胞內(nèi)普遍存在,從細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)到細(xì)胞核等處的蛋白質(zhì)都受到泛素化酶和蛋白酶體的監(jiān)控[25]。有研究表明,對于處于活躍增殖期的細(xì)胞如血管平滑肌,泛素-蛋白酶體主要通過NF-κB抑制細(xì)胞凋亡,引起血管平滑肌細(xì)胞發(fā)生增殖性病變;對于已經(jīng)分化并且處于非分裂期的細(xì)胞,如在不穩(wěn)定的動脈粥樣硬化斑塊中的細(xì)胞,泛素-蛋白酶體抑制細(xì)胞凋亡的作用明顯減弱[26]。此外,蛋白酶體可以降解凋亡相關(guān)蛋白,抑制蛋白酶體活性,可以促使 p53、凋亡蛋白Bax和蛋白激酶C(PKC)等集聚,進(jìn)而促使心肌細(xì)胞凋亡[27]。在小鼠骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的再生過程中,蛋白酶體的活性上升[28]。另外,泛素-蛋白酶體系統(tǒng)在肌肉萎縮和神經(jīng)損傷變性過程中都發(fā)揮了重要作用。應(yīng)用蛋白酶體抑制劑MG-132能抑制離體神經(jīng)肌細(xì)胞蛋白降解,延緩離體神經(jīng)軸突變性的發(fā)生[29]。綜合以上研究發(fā)現(xiàn),泛素-蛋白酶體系統(tǒng)在細(xì)胞增殖、分化中起著非常重要的作用。PSMB5為蛋白酶體中具有水解活性的亞基,在泛素-蛋白酶體中發(fā)揮著重要作用,它可能在細(xì)胞分化和肌肉發(fā)育過程中發(fā)揮了重要的調(diào)控作用。目前,PSMB5在牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化中的表達(dá)模式和調(diào)控作用還不清楚,因此,筆者檢測了牛肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化過程中PSMB5的mRNA和蛋白表達(dá)水平的變化,檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn) PSMB5在牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化前后表達(dá)水平存在顯著差異,PSMB5在牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化期的表達(dá)水平較高,推測其對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和分化過程可能具有一定的影響。
圖5 干擾和過表達(dá)PSMB5對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化的影響Fig. 5 Effects of interference and overexpression of PSMB5 on the differentiation of bovine skeletal muscle satellite cells
有研究報道,選擇性敲除小鼠肌衛(wèi)星細(xì)胞特異性19S蛋白酶體調(diào)節(jié)亞基(Rpt3)基因,會阻礙小鼠體內(nèi)肌再生過程,同時還會抑制肌再生過程中肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖與分化[30]。PSMB5基因沉默可降低神經(jīng)干細(xì)胞蛋白酶體活性抑制小鼠神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化能力[19]。PSMB5過表達(dá)能夠促進(jìn)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向神經(jīng)元樣細(xì)胞分化[17]。在本研究中,通過模擬體內(nèi)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化過程,成功建立體外牛肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化模型,設(shè)計si-RNA抑制PSMB5的表達(dá),干擾PSMB5后發(fā)現(xiàn),細(xì)胞分化能力減弱,肌管數(shù)量明顯減少,同時牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化標(biāo)志基因 MyHC的蛋白表達(dá)量下調(diào),試驗結(jié)果表明,干擾 PSMB5表達(dá)會抑制牛肌衛(wèi)星細(xì)胞的分化;構(gòu)建 PSMB5過表達(dá)載體,轉(zhuǎn)染細(xì)胞后發(fā)現(xiàn),過表達(dá) PSMB5的牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化能力增強,肌管數(shù)量增多,且MyHC蛋白表達(dá)量上調(diào),說明過表達(dá) PSMB5后能夠促進(jìn)牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的成肌分化。本研究結(jié)果表明,PSMB5對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的成肌分化過程具有顯著的調(diào)控作用,與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和小鼠神經(jīng)干細(xì)胞上研究類似,PSMB5在牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞上表現(xiàn)出了對細(xì)胞分化的調(diào)控作用,但 PSMB5在牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞上沒有表現(xiàn)出在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞上類似的對增殖的調(diào)控作用,可能是其在不同細(xì)胞類型中發(fā)揮作用的途徑不一致,具體的調(diào)控作用機制還有待進(jìn)一步研究。
本研究發(fā)現(xiàn)PSMB5蛋白對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的成肌分化過程具有顯著的調(diào)控作用。干擾PSMB5表達(dá)可以抑制牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的成肌分化進(jìn)程,而過表達(dá) PSMB5可以促進(jìn)牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞體外成肌分化進(jìn)程。研究探明了PSMB5蛋白對牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖和成肌分化的具體調(diào)控作用,為進(jìn)一步開展 PSMB5在牛成肌分化中的調(diào)控機制研究奠定了基礎(chǔ)。