泛素特異性蛋白酶10在低氧性肺動(dòng)脈高壓中的表達(dá)及對(duì)USP10-AMPK信號(hào)通路的調(diào)控作用*

岳珍珍, 郭森, 焦義明

1鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院鄭東院區(qū)心臟重癥監(jiān)護(hù)病房(河南鄭州 450052)； 2鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科(河南鄭州 450000)； 3鄭州大學(xué)第二附屬醫(yī)院體檢科(河南鄭州 450014)

肺動(dòng)脈高壓(pulmonary hypertension，PAH)是以肺動(dòng)脈壓力增高、伴或不伴有肺小動(dòng)脈病變的一種血流動(dòng)力學(xué)和病理生理狀態(tài)，可引起肺循環(huán)淤阻及右心衰竭，是各種肺源性心臟病和高山性心臟病的重要發(fā)病環(huán)節(jié)和致死原因，具有較高的致殘、致死率[1-2]。了解PAH的發(fā)生機(jī)制，對(duì)于制定有效的防治措施，降低PAH病殘、病死率有重要意義。泛素特異性蛋白酶10(ubiquitin-specific protease 10，USP10)能調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)周期，通過(guò)多種途徑調(diào)控細(xì)胞的生理病理變化[3]。單磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是機(jī)體重要的能量代謝受體。研究顯示[4-5]，USP10可特異性地去除AMPKα的泛素化，引起AMPK的不當(dāng)激活和多種代謝缺陷，AMPK/磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K)/蛋白激酶B(prtein kinase B，Akt)途徑是包括PAH在內(nèi)的多種心血管疾病的調(diào)控途徑。既往對(duì)于USP10的研究多與癌癥相關(guān)，關(guān)于USP10在PAH中的研究尚少。為此，本研究2018年9月至2019年2月對(duì)USP10在低氧性PAH中表達(dá)的意義及對(duì)USP10-AMPK信號(hào)通路的調(diào)控作用進(jìn)行探討，以期為PAH的防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 SD大鼠，雄性，40只，6～8周齡，體重200～220 g，購(gòu)自廣東省醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，許可證號(hào)SCXK(粵)2018-0034。

1.2 藥物、試劑及儀器 USP10基因短發(fā)夾結(jié)構(gòu)RNA慢病毒載體構(gòu)建(上海吉?jiǎng)P基因化學(xué)技術(shù)有限公司)，水合氯醛(青島宇龍海藻有限公司)，肝素鈉(常州千紅生化制藥股份有限公司)，USP10鼠單克隆抗體(美國(guó)Santa Cruz公司)，磷酸化AMPK(p-AMPK)/AMPK、磷酸化PI3K(p-PI3K)/PI3K、磷酸化Akt(p-Akt)/Akt、磷酸化eNOS(p-eNOS)/內(nèi)皮細(xì)胞型一氧化氮合成酶(endothelialnitric oxide synthase，eNOS)抗體(美國(guó)BD公司)，逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(日本Takara公司)，BCA蛋白定量試劑盒(上海如吉生物科技發(fā)展有限公司)，辣根過(guò)氧化物酶(horseradish Peroxidase，HRP)標(biāo)記一抗(兔抗鼠)、HRP標(biāo)記二抗(羊抗兔)、DAB顯色試劑盒(上海聯(lián)邁生物工程有限公司)，SP免疫組化試劑盒、蘇木素-伊紅(hematoxylin and eosin HE)染色試劑盒、NanoDrop 2000紫外可見(jiàn)光分光度計(jì)(賽默飛世爾科技中國(guó)有限公司)，Prism7500實(shí)時(shí)熒光定量(polymerase chain reaction，PCR)儀(美國(guó)AIB公司)，Elx800酶標(biāo)儀(美國(guó)Bio-Tek公司)，石蠟切片機(jī)(德國(guó)SLEE公司)，光學(xué)顯微鏡(日本NiKon公司)。

1.3 方法

1.3.1 低氧性PAH模型構(gòu)建與干預(yù) 40只大鼠分隨機(jī)分為4組，每組10只，分別為對(duì)照組、模型組、空載組和沉默組。以3 mL/kg 10%水合氯醛腹腔麻醉后固定于木板，止血鉗牽拉舌尖，暴露聲門(mén)，1.5×108TU/100 g量(USP10-lentivirus)分3次，緩慢滴入沉默組大鼠氣管內(nèi)，1次/d，滴注后向氣道內(nèi)注入少量空氣并捏住鼻孔，促進(jìn)大鼠嗆咳使慢病毒流入肺部，空載組以等量的NC-lentivirus滴入，對(duì)照組與模型組以等量生理鹽水滴入。滴入完畢待感染宿主3 d后，模型組、空載組和沉默組置于10%氧濃度的缺氧箱中飼養(yǎng)3周，間斷缺氧8 h/d(密切觀察大鼠生存情況，避免因急性缺氧而猝死)，對(duì)照組正常環(huán)境飼養(yǎng)(正常呼吸室內(nèi)空氣)，4組大鼠均放于同一房間予以相同飲食飼養(yǎng)。

1.3.2 一般情況觀察及指標(biāo)測(cè)量 觀察4組大鼠干預(yù)期間的精神狀態(tài)、活動(dòng)量、毛色、呼吸變化。建模完成后各組大鼠以10%濃度水合氯醛(3 mL/kg)腹腔內(nèi)麻醉，仰臥固定于木板，分離大鼠右側(cè)頸外靜脈，使用1.2-F壓力測(cè)定導(dǎo)管，3%肝素鈉沖洗后，從大鼠右側(cè)頸外靜脈、右心房、右心室進(jìn)入肺動(dòng)脈，取出管芯，連接PowerLab壓力記錄分析系統(tǒng)，測(cè)量平均肺動(dòng)脈壓(mean pulmonary arterial presure，MPAP)與右心室收縮壓(right ventricular systolic presure，RVSP)。肺動(dòng)脈壓力測(cè)量后，實(shí)施氣管插管，扎線固定注射器，右肺以絲線結(jié)扎。放血處死大鼠，2 mL 4%多聚甲醛經(jīng)氣管插管注入固定左肺，結(jié)扎左肺后取出，以4%多聚甲醛固定過(guò)夜。取出大鼠心臟，PBS緩沖液沖洗干凈，剖開(kāi)左心房和室間隔，以濾紙吸干后，電子天平分別稱量右心室(right ventricle，RV)和左心室加室間隔(left ventricle pius septum，LV+S)，計(jì)算右心肥大指數(shù)(right ventricular hypertrophy index，RVHI)，RVHI= [RV/(LV+S)]。

1.3.3 病理學(xué)觀察 大鼠肺臟組織標(biāo)本行石蠟包埋切片，厚度4 μm，常規(guī)HE染色，中性樹(shù)膠封片，于光學(xué)顯微鏡下觀察肺動(dòng)脈血管組織病理改變。以圖像采集系統(tǒng)測(cè)量肺血管(直徑<300 μm)管壁厚度，計(jì)算管壁相對(duì)厚度指數(shù)(relative thickness index，RTI)，RTI=(1-血管壁內(nèi)徑/血管外徑)×100%。

1.3.4 肺組織USP10、AMPK、PI3K、Akt、eNOS mRNA相對(duì)表達(dá)量鑒定 取肺組織90 mg，Trizol法提取總RNA，逆轉(zhuǎn)錄試劑盒得到cDNA，RT-PCR檢測(cè)相關(guān)基因的表達(dá)水平，Takara SYBR Green熒光定量試劑盒設(shè)定反應(yīng)體系：Master Mix 10 μL，上下游引物各2 μL，cDNA模板2 μL，ddH2O 10 μL；反應(yīng)條件：95℃預(yù)變性10 min；95℃變性25 s，60℃退火40 s，60℃延伸50 s，重復(fù)45個(gè)循環(huán)。β-actin為管家基因，2-ΔΔCt為目的基因的相對(duì)表達(dá)量。每個(gè)反應(yīng)重復(fù)3次，取3次結(jié)果的平均值。各基因引物序列見(jiàn)表1。

1.3.5 肺組織USP10、AMPK、PI3K、Akt、eNOS蛋白相對(duì)表達(dá)量鑒定 90 mg肺組織，Western blot法檢測(cè)蛋白定量，取50 μg樣本蛋白混合等體積上樣buffer，100℃水浴5 min，離心取上清液，電泳分離后電轉(zhuǎn)60 min將蛋白轉(zhuǎn)至硝酸纖維素膜上，封閉液封閉后于室溫孵育2 h，加入一抗(1∶800)，4℃搖床孵育過(guò)夜，TTBS液洗膜3次，二抗(1∶10 000)室溫孵育2 h，漂洗后暗室中曝光，計(jì)算肺組織中USP10蛋白相對(duì)表達(dá)量及p-AMPK/AMPK、p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt、p-eNOS/eNOS蛋白比值。

1.4 觀察指標(biāo) (1)大鼠一般情況觀察；(2)大鼠肺動(dòng)脈血管組織病理改變；(3)各組MPAP、RVSP、RTI、RVHI對(duì)比；(4)各組USP10、AMPK、PI3K、Akt、eNOS mRNA相對(duì)表達(dá)量對(duì)比；(5)各組USP10蛋白相對(duì)表達(dá)量及p-AMPK/AMPK、p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt、p-eNOS/eNOS蛋白比值對(duì)比。

2 結(jié)果

2.1 大鼠一般情況觀察 造模期間，沉默組、模型組與空載組較對(duì)照組大鼠精神狀態(tài)變差，活動(dòng)量減少，毛發(fā)暗淡，口唇、眼眶發(fā)紫，呼吸急促，沉默組上述情況更為嚴(yán)重。

2.2 大鼠肺動(dòng)脈血管組織病理改變 鏡下觀察，除對(duì)照組外，其余3組血管管壁增厚，管腔變窄，伴有平滑肌和彈力纖維層增厚，沉默組變化更為明顯。見(jiàn)圖1。

注：A：空載組；B：沉默組；C：模型組；D：對(duì)照組

2.3 各組MPAP、RVSP、RTI、RVHI對(duì)比 各組MPAP、RVSP、RTI、RVHI比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；模型組、空載組、沉默組的MPAP、RVSP、RTI、RVHI均大于對(duì)照組(P<0.05)，沉默組各指標(biāo)均大于模型組與空載組(P<0.05)，模型組與空載組各指標(biāo)比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表2。

表2 各組MPAP、RVSP、RTI、RVHI比較

2.4 各組USP10、AMPK、PI3K、Akt、eNOS mRNA相對(duì)表達(dá)量對(duì)比 各組USP10 mRNA相對(duì)表達(dá)量比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；與對(duì)照組比較，其余3組的USP10 mRNA相對(duì)表達(dá)量均下降(P<0.05)，沉默組均低于模型組與空載組(P<0.05)，模型組與空載組比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；各組的AMPK、PI3K、Akt、eNOS mRNA相對(duì)表達(dá)量比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表3。

表3 各組USP10、AMPK、PI3K、Akt、eNOS mRNA相對(duì)表達(dá)量對(duì)比

2.5 各組USP10蛋白相對(duì)表達(dá)量及p-AMPK/AMPK、p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt、p-eNOS/eNOS蛋白比值對(duì)比 各組USP10蛋白相對(duì)表達(dá)量及p-AMPK/AMPK、p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt、p-eNOS/eNOS蛋白比值比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；與對(duì)照組比較，其余3組的USP10蛋白相對(duì)表達(dá)量及p-AMPK/AMPK、p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt、p-eNOS/eNOS蛋白比值均下降(P<0.05)，沉默組均低于模型組與空載組(P<0.05)，模型組與空載組比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)圖2、表4。

圖2 各組USP10、p-AMPK、AMPK、p-PI3K、PI3K、p-Akt、Akt、p-eNOS、eNOS檢測(cè)結(jié)果

表4 USP10蛋白相對(duì)表達(dá)量及p-AMPK/AMPK、p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt、p-eNOS/eNOS蛋白比值對(duì)比

3 討論

肺血管阻力增加、收縮、彈性降低及血液黏稠度增加等情況下可導(dǎo)致肺動(dòng)脈壓力升高，肺小動(dòng)脈和肌型小動(dòng)脈出現(xiàn)解剖學(xué)變化，肺血管的順應(yīng)性下降、心輸出量不足，并引起慢性阻塞性肺氣腫、慢性肺源性心臟病及右心衰竭等并發(fā)癥，對(duì)機(jī)體健康造成嚴(yán)重影響[6-7]。PAH是長(zhǎng)期慢性積累的綜合征，其病因多樣，發(fā)病機(jī)制比較復(fù)雜，涉及細(xì)胞、液體因子及分子遺傳等多個(gè)途徑的病理生理過(guò)程[8]。研究顯示[9]，肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的過(guò)度增殖、凋亡在PAH的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中有重要作用。而USP10參與細(xì)胞的分裂、增殖、凋亡等生命周期，并能通過(guò)USP10-AMPK信號(hào)通路參與心血管疾病的病理過(guò)程。因此了解USP10在低氧性PAH中的表達(dá)及USP10-AMPK信號(hào)通路的調(diào)控作用，對(duì)于PAH的防治有重要意義。

在細(xì)胞內(nèi)的生理調(diào)控機(jī)制中，蛋白質(zhì)的泛素化修飾是基本調(diào)控機(jī)制，參與某些重要蛋白質(zhì)的修飾后翻譯、細(xì)胞周期DNA的修復(fù)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄活化等多種生命進(jìn)程[10]。泛素化與去泛素化對(duì)于維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞存活有重要意義，泛素-蛋白酶途徑是真核細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的重要途徑，對(duì)于維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞存活有重要意義，廣泛參與機(jī)體的多種代謝活動(dòng)。USP10是USP家族中的重要成員之一，分子功能為半胱氨酸型內(nèi)肽酶和泛素巰基酯酶，參與泛素依賴的蛋白質(zhì)分解代謝及泛素周期的生命過(guò)程，能通過(guò)本身的去泛素化，調(diào)控細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡、DNA損傷修復(fù)、細(xì)胞免疫及神經(jīng)元退化等多種生物學(xué)功能[11]。研究顯示[12-13]，USP10的蛋白下調(diào)能影響宮頸鱗癌的惡性程度及預(yù)后，參與調(diào)節(jié)肝臟脂肪變性、胰島素抵抗及炎癥反應(yīng)。彭清等[14]研究證實(shí)，包括USP10、USP7等USP家族成員在內(nèi)的異常表達(dá)及活性改變，參與多種疾病及腫瘤的發(fā)生發(fā)展，可參與上皮細(xì)胞-間充質(zhì)改變，促進(jìn)肺纖維化的形成。本研究結(jié)果中，與模型組和空載組大鼠相比，USP10沉默組大鼠的臨床指征較為顯著，肺血管管壁增厚、管腔變窄，平滑肌和彈力纖維層增厚情況更為嚴(yán)重，RTI指數(shù)更高，同時(shí)，USP10沉默組大鼠MPAP、PVR、RVHI等指標(biāo)均顯著高于模型組和空載組。以上結(jié)果說(shuō)明沉默USP10可促進(jìn)低氧性PAH的發(fā)展，影響大鼠的心室重構(gòu)。

低氧性PAH是PAH最常見(jiàn)的類型，研究顯示[15]，早期低氧性肺動(dòng)脈收縮反應(yīng)與后期合并肺動(dòng)脈結(jié)構(gòu)重建是PAH發(fā)病的重要環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期的低氧條件能影響大鼠肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞生成一氧化氮(nitric oxide，NO)，導(dǎo)致血管內(nèi)皮舒縮障礙、血管內(nèi)皮功能損傷，進(jìn)而促進(jìn)肺動(dòng)脈血管的重建。eNOS是合成NO的關(guān)鍵酶，其活化能促進(jìn)NO的合成，促進(jìn)血管的舒張，抑制血管內(nèi)皮功能失調(diào)[16]。AMPK是一種高度保守的細(xì)胞能量代謝調(diào)控器，由催化亞基(α1、α2、β1、β2)和調(diào)節(jié)亞基(γ1、γ2、γ3)組成，在各種代謝相關(guān)的器官中均有表達(dá)，能被機(jī)體各種刺激激活，并磷酸化激活大量的下游靶分子，減少三磷酸腺苷的利用，影響細(xì)胞內(nèi)能量代謝。研究顯示[17]，USP10特異性地去除AMPKα的泛素化，促進(jìn)AMPKα磷酸化，在能量脅迫下，通過(guò)AMPK介導(dǎo)的USP10 Ser76磷酸化，增強(qiáng)USP10的活性，USP10與AMPK形成了一個(gè)關(guān)鍵前饋環(huán)路，保證了AMPK激活響應(yīng)于細(xì)胞能量狀態(tài)的波動(dòng)而放大響應(yīng)細(xì)胞能量狀態(tài)的波動(dòng)，因此USP10-AMPK通路的異?？蓪?dǎo)致AMPK激活不正常和多種代謝缺陷。另有研究表明[18]，AMPK信號(hào)通路的失調(diào)能影響NO的生成，促進(jìn)內(nèi)皮功能障礙的發(fā)展。PI3K/Akt是具有代表性的增殖、遷移、歸巢相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，PI3K的激活可誘導(dǎo)Akt的活化其下游信號(hào)分子eNOS的絲氨酸磷酸化，促進(jìn)NO的合成，從而介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移[19]。左曉利等[20]認(rèn)為，AMPK的活化可磷酸化eNOS Ser1177位點(diǎn)，促進(jìn)NO的合成與釋放，改善血管內(nèi)皮功能。AMPK及其下游級(jí)聯(lián)PI3K-Akt-eNOS對(duì)于內(nèi)皮細(xì)胞具有重要的調(diào)控作用，內(nèi)皮細(xì)胞通過(guò)AMPK/PI3K/Akt/eNOS通路生成NO，維持血管舒張。本研究結(jié)果中，與對(duì)照組比較，各組的USP10 mRNA、蛋白相對(duì)表達(dá)量及p-AMPK/AMPK、p-PI3K/PI3K、p-eNOS/eNOS蛋白比值均下降；與模型組及空載組比較，沉默組的USP10 mRNA、蛋白相對(duì)表達(dá)量及p-AMPK/AMPK、p-PI3K/PI3K、p-eNOS/eNOS蛋白比值更低，說(shuō)明沉默USP10，能抑制AMPK/PI3K/Akt/eNOS信號(hào)級(jí)聯(lián)，促進(jìn)低氧性PAH的發(fā)展。

綜上所述，USP10在低氧性PAH中的表達(dá)下調(diào)參與病情的進(jìn)展，其機(jī)制可能與抑制AMPK/PI3K/Akt/eNOS信號(hào)通路有關(guān)。在今后對(duì)PAH的基因治療研究中，可考慮從AMPK/PI3K/Akt/eNOS信號(hào)級(jí)聯(lián)激活入手。