徐小惠,李 銳,曾 欣,王 欣,薛炳乾,黃道超,黃 軼
重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院兒科研究所//重慶市兒童感染與免疫重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//兒童發(fā)育疾病研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//國(guó)家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心//兒童發(fā)育重大疾病國(guó)家國(guó)際科技合作基地,重慶 400014
慢性肝臟疾病主要包括病毒感染、酒精性肝病、非酒精性脂肪性肝炎和自身免疫性疾病等[1],在全球范圍內(nèi)有著很高的發(fā)病率和死亡率[2]。各種誘因誘發(fā)的慢性肝炎導(dǎo)致慢性肝損傷,可進(jìn)一步形成肝纖維化,而肝纖維化則是慢性肝炎發(fā)展為肝硬化并最終演變?yōu)楦伟┑谋亟?jīng)階段[3]。因此,探索和研究慢性肝炎引發(fā)肝損傷向肝纖維化發(fā)展的過(guò)程,有助于發(fā)掘新型預(yù)防或逆轉(zhuǎn)慢性肝病的藥物與手段。
NDUFA13又名Grim19,是線粒體氧化呼吸鏈(MRC)NADH脫氫酶復(fù)合體Ⅰ的亞單位[4],參與調(diào)控線粒體MRC復(fù)合體膜電位、線粒體呼吸氧化磷酸化、細(xì)胞凋亡及多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等[4-6]。近期研究發(fā)現(xiàn)NDUFA13在肝癌、膠質(zhì)瘤、甲狀腺癌、結(jié)直腸癌等多種惡性腫瘤中表達(dá)降低或缺失,且與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),是一種極具潛力的抑癌基因[7-10]。課題組前期研究首次發(fā)現(xiàn),胃癌組織中NDUFA13蛋白表達(dá)也顯著降低,而其過(guò)表達(dá)可抑制胃癌細(xì)胞的體內(nèi)外增殖與轉(zhuǎn)移[11]。尤其引起關(guān)注的是,慢性萎縮性胃炎(CAG)在“正常-炎癥-萎縮-腸上皮化生”的惡變病理進(jìn)程中,NDUFA13表達(dá)也呈現(xiàn)顯著的漸進(jìn)性下調(diào)[12],提示NDUFA13涉及胃癌癌前病變的炎癥惡性進(jìn)展[12]。
雖然已有研究證實(shí),肝癌組織中NDUFA13蛋白表達(dá)明顯缺失[7],但其是否涉及肝癌前期的炎癥病理甚至惡性進(jìn)展過(guò)程,仍不清楚。因此本研究旨在探索NDUFA13缺失在慢性肝炎病理進(jìn)程中的作用,為肝癌發(fā)生的早期預(yù)防與干預(yù)提供新思路。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 NDUFA13條件敲除小鼠NDUFA13fl/fl(C57BL/6小鼠背景)由賽業(yè)生物科技有限公司采用胚胎干細(xì)胞(ES細(xì)胞)打靶技術(shù)商業(yè)化制備[13]。C57BL/6小鼠購(gòu)買(mǎi)于重慶醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心。Alb-Cre轉(zhuǎn)基因小鼠[B6.Cg-Tg(Alb-cre)21Mgn/J]購(gòu)買(mǎi)于上海南方模式生物科技發(fā)展有限公司。實(shí)驗(yàn)小鼠均飼養(yǎng)于重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心。所有小鼠均在SPF級(jí)環(huán)境下(12 h/12 h光照/黑暗條件)飼養(yǎng),自由采食、飲水,所有實(shí)驗(yàn)操作均符合實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理學(xué)要求(GDY1801016)。
1.1.2 主要試劑 蛋白酶k(Roche);Grim19小鼠抗人單克隆抗體(Santa cruz),NF-κB p65小鼠抗人單克隆抗體(Santa cruz),p-NF-κB p65兔抗小鼠多克隆抗體(Santa cruz),NLRP3兔抗人多克隆抗體(Bioss),MPO兔抗小鼠多克隆抗體(Boster),CD45大鼠抗小鼠單克隆抗體(Biolegend),F(xiàn)4/80大鼠抗小鼠單克隆抗體(Biolegend),IL-33兔抗小鼠多克隆抗體(Bioss),IL-1β兔抗人多克隆抗體(Bioss),即用型免疫組化(兔)試劑盒(福建邁新),即用型免疫組化(小鼠)試劑盒(福建邁新),大鼠二步法試劑盒(中杉金橋),山羊抗兔Alexa-Fluor 555熒光二抗(Bioss),山羊抗小鼠Alexa-Fluor 647熒光二抗(Bioss),Dihydroethidium(DHE)染液(AAT),MitoSOX線粒體超氧化物紅色熒光探針(上海翊圣),其余化學(xué)試劑均購(gòu)置于Sigma公司。
1.1.3 主要儀器 凝膠電泳儀(Bio-Rad),A1R激光共聚焦顯微鏡(Nikon),Mastercycler?X50s PCR擴(kuò)增儀(Eppendorf)。
1.2.1 基因敲除鼠的鑒定 將NDUFA13fl/fl小鼠與Alb-Cre轉(zhuǎn)基因小鼠合籠,獲得肝臟特異性敲除NDUFA13fl/-;Alb-Cre小鼠(圖1A);于小鼠出生后約21 d,提取鼠尾DNA進(jìn)行小鼠PCR基因分析鑒定。并分別在4周齡、2年齡處死小鼠時(shí),留取鼠尾及少量肝組織進(jìn)行PCR基因鑒定。取小鼠3~5mm鼠尾、肝臟組織,分別加入200mL裂解緩沖液及4 μL蛋白酶k,于55℃恒溫消化過(guò)夜,離心取100 μL上清與等體積異丙醇混勻,渦旋振蕩棄上清,70%乙醇漂洗、沉淀,離心后棄上清,室溫晾干,加入100 mLddH2O溶解得到DNA溶液,用于PCR反應(yīng)及瓊脂糖凝膠電泳分析。PCR引物由北京擎科新業(yè)生物技術(shù)有限公司合成如下:
1.2.2 HE與免疫組化染色 小鼠肝組織經(jīng)4%PFA固定,脫水石蠟包埋制成4μm石蠟切片??酒蠼?jīng)二甲苯及梯度酒精脫蠟水化,后續(xù)進(jìn)行蘇木素染細(xì)胞核、伊紅染細(xì)胞漿,乙醇脫水及二甲苯透明,最后中性樹(shù)膠封片;用于免疫組化的石蠟切片,采用0.01 mol/LpH6.0枸櫞酸鈉緩沖液進(jìn)行微波抗原熱修復(fù),3% H2O2溶液孵育阻斷內(nèi)源性酶,PBS洗滌后加5% BSA室溫封閉,滴加稀釋好的一抗溶液(Grim19 1∶100,NLRP3 1∶500,NF-κB p65 1∶50,p-NF-κB p65 1∶100,MPO 1∶400,CD45 1∶200,F(xiàn)4/80 1∶400)4℃孵育過(guò)夜。PBS洗滌后,孵育山羊二抗,然后采用DAB試劑盒顯色,并復(fù)染蘇木素,最后利用中性樹(shù)脂封片,鏡下觀察。每只小鼠選取2~3個(gè)高倍視野(×400),進(jìn)行免疫組化評(píng)分分析,其中免疫細(xì)胞統(tǒng)計(jì)陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)目,其它指標(biāo)評(píng)分結(jié)合陽(yáng)性百分比與著色強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)分[14-15],結(jié)果應(yīng)用GraphPad Prism 6.0 軟件統(tǒng)計(jì)分析。
1.2.3 肝細(xì)胞ROS檢測(cè) 新鮮小鼠肝組織切成8 μm冰凍切片,加10 mmol/LDHE染液覆于組織上,37℃避光孵育30 min;加5 mmol/L MitoSOX染液覆于組織上,37℃避光孵育15 min。DAPI染液常溫避光復(fù)染細(xì)胞核20 min,采用抗熒光淬滅劑封片后,用于激光共聚焦顯微鏡采圖,DHE染料激發(fā)波長(zhǎng)518 nm,氧化型MitoSOX探針激發(fā)波長(zhǎng)510nm。
1.2.4 免疫熒光染色 4%PFA固定的小鼠肝組織,脫水石蠟包埋后制成4 μm石蠟切片,脫蠟水化,經(jīng)枸櫞酸鈉緩沖液進(jìn)行抗原修復(fù),5%BSA室溫下封閉后,滴加一抗溶液(Grim-19 1∶100,IL-33 1∶400,IL-1β 1∶200)4 ℃孵育過(guò)夜。PBS洗滌后,避光條件下滴加相應(yīng)的熒光二抗溶液(1∶200稀釋?zhuān)?,室溫下孵?0 min,洗滌后加DAPI染色液常溫避光孵育20 min,最后采用抗熒光淬滅封片劑進(jìn)行封片,激光共聚焦成像采圖。每只小鼠選取2~3個(gè)高倍視野(×400),進(jìn)行平均熒光強(qiáng)度分析,結(jié)果應(yīng)用GraphPad Prism6.0軟件統(tǒng)計(jì)分析[15]。
1.2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用GraphPad Prism 6.0和SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,組間差異行配對(duì)t檢驗(yàn)或單因素方差分析,P<0.05代表差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
采用PCR擴(kuò)增、瓊脂糖凝膠電泳鑒定合籠小鼠的基因型,鼠尾、肝臟的鑒定結(jié)果顯示(圖1B):WT小鼠Alb-Cre擴(kuò)增條帶僅野生型351 bp,NDUFA13擴(kuò)增條帶僅302 bp;NDUFA13fl/-Alb-Cre小鼠Alb-Cre擴(kuò)增同時(shí)有351 bp和150 bp兩條帶,NDUFA13擴(kuò)增同時(shí)有302 bp和382 bp兩條帶。NDUFA13fl/-Alb-cre小鼠的肝臟表達(dá)cre重組酶,從而識(shí)別LoxP位點(diǎn),使得NDUFA13基因3號(hào)外顯子被敲除。利用免疫組化分別檢測(cè)4周齡、2年齡小鼠肝臟組織中NDUFA13蛋白,結(jié)果發(fā)現(xiàn)NDUFA13fl/-Alb-cre小鼠肝臟NDUFA13蛋白表達(dá)水平均明顯低于對(duì)照小鼠(P<0.001,圖2A、B)。
圖1 NDUFA13fl/-Alb-Cre小鼠構(gòu)建及子代基因鑒定Fig.1 Construction and genetic identification of NDUFA13fl/-Alb-Cre mice.A:Route of NDUFA13fl/-Alb-Cre mice construction.B:Identification of mouse tail and liver genotypes by PCR(G for Grim19 gene and A for Alb-Cregene).
小鼠肝組織石蠟切片用于HE染色觀察(圖3),4周齡對(duì)照小鼠肝小葉結(jié)構(gòu)清楚,肝索排列整齊,匯管及肝竇清晰可見(jiàn),細(xì)胞形態(tài)及大小正常;4周齡NDUFA13fl/-小鼠肝組織可見(jiàn)肝小葉結(jié)構(gòu)不清,肝竇擴(kuò)張,肝細(xì)胞胞核皺縮,發(fā)生變形、壞死,并伴有炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn);2年齡對(duì)照小鼠肝小葉結(jié)構(gòu)完整,部分肝細(xì)胞發(fā)生水樣變性,而同組NDUFA13fl/-小鼠肝小葉結(jié)構(gòu)紊亂,大部分肝細(xì)胞水腫呈水樣變性,且可見(jiàn)淡粉色纖維組織大量增生,肝細(xì)胞輕度脂肪變。
圖2 NDUFA13fl/-Alb-Cre小鼠肝組織NDUFA13蛋白表達(dá)檢測(cè)Fig.2 Expression of NDUFA13 in NDUFA13fl/-Alb-Cre mice.A:NDUFA13 expression levels in the liver tissues of control and NDUFA13fl/-mice detected by immunohistochemical staining(Original magnification:×400).B:Statistical analysis of NDUFA13 expression in control and NDUFA13fl/-mice.***P<0.001vscontrol.
圖3 HE染色檢測(cè)4周齡、2年齡對(duì)照與NDUFA13fl/-鼠肝組織病理情況Fig.3 Pathological changes in the liver tissues of 4-week-old and 2-year-old control and NDUFA13fl/- mice analyzed by HE staining(×400).
2.3.1 NDUFA13失活激活NF-κB信號(hào)分子 小鼠肝組織石蠟切片用于抗p65、抗p-p65檢測(cè)NF-κB信號(hào)的激活情況,結(jié)果顯示,4周齡NDUFA13fl/-小鼠肝組織p65及p-p65表達(dá)相較對(duì)照小鼠顯著增強(qiáng)(P<0.001,圖4A、B);2年齡對(duì)照鼠相較4周齡對(duì)照鼠,其肝臟細(xì)胞p65及p-p65表達(dá)有一定程度增加,而2年齡NDUFA13fl/-鼠胞漿中p-65、胞核內(nèi)p-p65的表達(dá)水平顯著高于同年齡對(duì)照鼠(P<0.001,圖4A、B)。
圖4 NDUFA13失活誘導(dǎo)NF-κB信號(hào)通路激活Fig.4 NDUFA13 deficiency induces activation of NF-κB signaling pathway(×400).A:P65 expression in 4-week-old and 2-year-old control and NDUFA13fl/-mice detected by immunohistochemical staining.B:p-P65 expression in 4-week-old and 2-year-old control andNDUFA13fl/- mice detected by immunohistochemical staining.***P<0.001vscontrol.
2.3.2 NDUFA13失活促進(jìn)NLRP3炎癥小體的生成 抗NLRP3-CIAS1免疫組化染色檢測(cè)結(jié)果顯示,相比對(duì)照小鼠,4周齡NDUFA13fl/-小鼠肝組織中有明顯、散在的炎癥小體聚集;而2年齡NDUFA13fl/-小鼠肝組織中大部分肝細(xì)胞有炎癥小體的產(chǎn)生與聚集,且顯著強(qiáng)于對(duì)照組小鼠(P<0.001,圖5A、B)。
圖5 NDUFA13失活誘導(dǎo)炎癥小體產(chǎn)生Fig.5 NDUFA13 inactivation induces inflammasome production.A:NLRP3 detection of 4-week-old and 2-year-old control and NDUFA13fl/-mice(×400).B:Statistical analysis of NLRP3 production in control and NDUFA13fl/-mice.***P<0.001vscontrol.
利用DHE和MitoSOX染色試劑盒分別檢測(cè)2年齡鼠肝細(xì)胞ROS、線粒體ROS的產(chǎn)生情況。圖6結(jié)果顯示,2年齡鼠的肝細(xì)胞總ROS、線粒體ROS水平均顯著高于對(duì)照組小鼠。
圖6 NDUFA13失活后細(xì)胞ROS水平檢測(cè)Fig.6 Changes in ROS level resulting from NDUFA13 loss(×200).A:Total ROS levels in 2-year-old control and NDUFA13fl/-mice examined by DHE staining.B:Mitochondrial ROS levels in 2-year-old control and NDUFA13fl/-mice examined by Mitosox staining.
2.5.1 免疫組化檢測(cè)炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn)情況 小鼠肝組織石蠟切片用于抗CD45、MPO、F4/80免疫組化染色檢測(cè),結(jié)果顯示,與對(duì)照小鼠相比,4周齡、2年齡NDUFA13fl/-小鼠肝組織中CD45、MPO、F4/80炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn)均顯著增加(P<0.001,圖7)。
2.5.2 免疫熒光檢測(cè)炎癥因子的表達(dá)情況 小鼠肝組織用于免疫熒光檢測(cè),圖8結(jié)果顯示,與對(duì)照小鼠相比,2年齡NDUFA13fl/-小鼠肝組織中NDUFA13蛋白表達(dá)明顯降低,而IL1-β、IL-33分泌均顯著增高(P<0.001,圖8)。
NDUFA13作為線粒體呼吸鏈復(fù)合體的關(guān)鍵組分蛋白,主要表達(dá)定位在線粒體內(nèi)膜,對(duì)呼吸鏈的電子傳遞活性起重要作用。近年來(lái)諸多研究證實(shí)了NDUFA13蛋白在多種惡性腫瘤中表達(dá)紊亂的特點(diǎn)[7-10],而其在惡性病理前的慢性炎癥階段所發(fā)揮的作用尚未見(jiàn)報(bào)道。已有研究表明NDUFA13基因皮膚組織雜合敲除可促進(jìn)小鼠鱗狀癌的成瘤[13],我們的實(shí)驗(yàn)首次利用NDUFA13基因肝臟特異性敲除小鼠,對(duì)NDUFA13蛋白失活在誘導(dǎo)小鼠慢性肝炎中的作用與機(jī)制進(jìn)行探討,發(fā)現(xiàn)NDUFA13部分失活可促進(jìn)ROS釋放,激活NF-κB及炎癥小體的產(chǎn)生,引起炎癥細(xì)胞與炎癥因子聚集,從而誘導(dǎo)小鼠自發(fā)性肝損傷。
線粒體作為細(xì)胞能量供應(yīng)與代謝的中心場(chǎng)所,從多方面調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)、分裂、衰老及凋亡等生命過(guò)程,并直接或間接地參與到腫瘤細(xì)胞的代謝調(diào)控,其結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定對(duì)于細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境壓力、抑制腫瘤發(fā)生等至關(guān)重要[16]。研究報(bào)道了線粒體缺陷會(huì)影響多種組織的正常生理功能,相關(guān)的疾病往往也是毀滅性的[17]。正如我們實(shí)驗(yàn)結(jié)果所見(jiàn),NDUFA13蛋白完全敲除的小鼠后代幾乎無(wú)法存活,而NDUFA13部分敲除的小鼠則能夠存活下來(lái)。這表明NDUFA13蛋白作為線粒體的關(guān)鍵組分蛋白,其表達(dá)缺失會(huì)極大地破壞線粒體的結(jié)構(gòu)與功能,因而可能誘導(dǎo)炎癥甚至惡性病變的發(fā)生。
NDUFA13作為一種抑癌基因,其突變或失活可誘導(dǎo)包括JAK/STAT、p53及NF-κB[11,18-19]等多種信號(hào)通路的改變,因此參與多種惡性腫瘤細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡及細(xì)胞侵襲與轉(zhuǎn)移等過(guò)程的調(diào)控[20]。尤其,課題組前期研究證實(shí)了NDUFA13通過(guò)調(diào)控NF-κB信號(hào)進(jìn)而調(diào)控胃癌的侵襲與轉(zhuǎn)移[11]。NF-κB信號(hào)是目前最典型的慢性炎癥調(diào)控信號(hào)通路之一,參與調(diào)控各階段炎癥反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄激活,促進(jìn)多種炎癥細(xì)胞因子的生成,而這些促炎因子又能反向誘導(dǎo)NF-κB的激活,產(chǎn)生炎癥級(jí)聯(lián)放大作用[21]。此外,NF-κB還可直接結(jié)合Nod樣受體蛋白3(NLRP3)炎癥小體的啟動(dòng)子促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄激活,形成炎癥小體[22]。其中NLRP3屬目前研究最廣泛的一類(lèi)炎癥小體,是炎癥性疾病中由細(xì)胞內(nèi)模式識(shí)別受體(PRRs)參與組裝形成的一類(lèi)多蛋白復(fù)合體[23],受多種信號(hào)調(diào)控被激活。我們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),NDUFA13表達(dá)缺失的小鼠NF-κB信號(hào)通路持續(xù)激活,且肝臟內(nèi)NLRP3炎癥小體顯著活化,因而促進(jìn)了各類(lèi)促炎因子的成熟與分泌,伴隨的慢性炎癥反應(yīng)則會(huì)極大地破壞肝臟微環(huán)境,對(duì)肝實(shí)質(zhì)造成不可逆的損傷[24]。
活性氧ROS作為線粒體能量代謝中的主要產(chǎn)物,參與機(jī)體及細(xì)胞的氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)。課題組研究發(fā)現(xiàn)NDUFA13失活通過(guò)調(diào)節(jié)ROS氧化應(yīng)激通路而調(diào)控胃癌的轉(zhuǎn)移[25],另有研究報(bào)道了NDUFA13蛋白可降低線粒體呼吸鏈復(fù)合物I活性并減少ROS的產(chǎn)生[26]。這與我們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相一致,小鼠肝臟NDUFA13失活導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)總ROS及線粒體ROS水平均顯著增加。而相關(guān)資料表明ROS可直接或間接地調(diào)節(jié)炎癥性小體的產(chǎn)生:一方面,ROS可增加線粒體的通透性引起線粒體DNA釋放至胞漿,線粒體DNA進(jìn)一步激活NLRP3炎癥小體[27];另一方面,細(xì)胞內(nèi)ROS是激活與調(diào)控NF-κB的重要上游因子[28],通過(guò)NF-κB的激活進(jìn)一步促進(jìn)炎癥小體的生成。NF-κB的激活與NLRP3炎癥小體的形成則會(huì)誘導(dǎo)炎癥細(xì)胞的招募和炎癥因子的產(chǎn)生,最終造成對(duì)靶組織或靶器官的免疫炎癥性損傷。
我們的研究結(jié)果提示了,NDUFA13缺失促進(jìn)細(xì)胞及線粒體ROS的聚集,ROS直接地激活了NLRP3炎癥小體,或通過(guò)引起下游NF-κB p65、p-p65表達(dá)增加,間接地促進(jìn)NLRP3炎癥小體形成,從而募集CD45、MPO、F4/80等炎癥細(xì)胞,釋放IL1β、IL33等炎癥因子,導(dǎo)致肝臟慢性免疫性炎癥的形成與發(fā)展。此外,我們也注意到,2年齡對(duì)照小鼠的肝組織部分肝竇擴(kuò)張、肝細(xì)胞有水樣變性改變,且其N(xiāo)F-κB信號(hào)分子表達(dá)有一定程度增加,這可能與小鼠肝衰老的非特異性炎癥反應(yīng)有關(guān)[29],也可能因此導(dǎo)致了其N(xiāo)DUFA13蛋白的表達(dá)量明顯減少,而這有待后續(xù)進(jìn)一步的探究。
綜上所述,小鼠肝臟NDUFA13失活可以誘導(dǎo)其自發(fā)性肝炎病理進(jìn)程的發(fā)生與發(fā)展,其可能機(jī)制是NDUFA13缺失通過(guò)影響ROS的生成而調(diào)控ROS/NLRP3、ROS/NF-κB/NLRP3炎癥通路,引發(fā)慢性炎癥損傷。本研究初步闡明了NDUFA13調(diào)控慢性肝炎病理的作用與機(jī)制,對(duì)于探討慢性肝臟疾病相關(guān)的有效干預(yù)手段或藥物靶點(diǎn)具有重要的意義。
南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)2021年1期