嚴(yán)云勤,滕懷昕,佟慧麗,李樹(shù)峰,李 爽
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150030)
骨骼肌是人體重要器官,其強(qiáng)大的再生能力依賴于骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞。肌肉衛(wèi)星細(xì)胞是位于肌纖維膜和基底膜之間的肌源性干細(xì)胞[1]。在正常生理?xiàng)l件下,肌肉衛(wèi)星細(xì)胞處于靜息狀態(tài)。當(dāng)受到生理刺激時(shí),如體育鍛煉、急性肌肉損傷或病理?xiàng)l件等,靜息的肌肉衛(wèi)星細(xì)胞被激活,發(fā)生增殖、遷移、分化、融合等行為,形成新的多核肌管進(jìn)而形成肌纖維[2]。其中轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子家族(Muscle regulatory factors,MRFs)對(duì)細(xì)胞分化至關(guān)重要,肌細(xì)胞生成素(Myogenin,MyoG)基因[3],一種轉(zhuǎn)錄因子家族成員,在肌肉衛(wèi)星細(xì)胞分化早期表達(dá)。肌球蛋白重鏈(Myosin heavy chain,MHC)是細(xì)胞終末分化標(biāo)志基因,是骨骼肌發(fā)育關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[4]。
PI3K、Wnt、Notch 及許多信號(hào)通路均影響骨骼肌發(fā)育[5]。PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路是調(diào)控骨骼肌分化的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,參與肌肉生長(zhǎng)發(fā)育、蛋白質(zhì)合成、穩(wěn)態(tài)維持等生物學(xué)過(guò)程[6]。磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)是組成磷脂酰肌醇激酶的重要組分,PI3K由兩部分組成:調(diào)節(jié)亞基p85和催化亞基p110,調(diào)節(jié)亞基p85具有SH2和SH3結(jié)構(gòu)域。蛋白激酶B(PKB,即AKT)是PI3K 主要下游靶點(diǎn),AKT 磷酸化從而激活PI3K/AKT 信號(hào)通路[7]。已有研究表明,PI3K/AKT 信號(hào)通路促進(jìn)肌肉衛(wèi)星細(xì)胞增殖,抑制該途徑后促使肌肉衛(wèi)星細(xì)胞相互融合進(jìn)而分化[8]。
PI3K相互作用蛋白1(Pik3ip1)被認(rèn)為是一種與PI3K 調(diào) 節(jié) 亞 基p85 同 源 的 跨 膜 蛋 白[9]。Pik3ip1 是PI3K負(fù)調(diào)控因子,Li等研究表明,Pik3ip1在C2C12細(xì)胞分化過(guò)程中表達(dá)升高,促進(jìn)C2C12 細(xì)胞分化[10]。新生大鼠細(xì)胞免疫共沉淀結(jié)果顯示Pik3ip1與心肌細(xì)胞中p110 亞單位相互作用,Pik3ip1 敲低35%即可誘導(dǎo)心臟肥大[11]。Song等表明Pik3ip1缺陷導(dǎo)致PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路激活,蛋白質(zhì)合成增加,細(xì)胞變大。腺病毒介導(dǎo)的Pik3ip1 過(guò)度表達(dá)可減輕PI3K 介導(dǎo)的心肌肥大[12]。PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路在細(xì)胞增殖中發(fā)揮重要作用[13]。
本研究旨在探討Pik3ip1 在牛MDSCs 分化過(guò)程中的表達(dá),進(jìn)一步將CRISPR/Cas9技術(shù)應(yīng)用于上調(diào)和下調(diào)Pik3ip1表達(dá),以探究Pik3ip1對(duì)牛MDSCs分化的影響,依賴Pik3ip1 與p110α 相互作用,并通過(guò)PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路影響牛MDSCs 分化,為提高牛肉品質(zhì)提供理論依據(jù)。
本試驗(yàn)所用牛骨骼肌取自新生犢牛后腿部肌肉,在無(wú)菌條件下分離出細(xì)胞,培養(yǎng)出的細(xì)胞在液氮中凍存?zhèn)溆谩?/p>
大腸桿菌(E.coli)DH5α 購(gòu)自南京諾唯贊生物科技有限公司;pSPg-RNA、SP-dCas9-VPR、SPdCas9質(zhì)粒購(gòu)自美國(guó)Addgene公司。高糖DMEM 培養(yǎng)液、opti-MEM 購(gòu)自Gibco 公司;胎牛血清、馬血清、青霉素、鏈霉素購(gòu)自Biological Industries 公司;膠原酶Ⅰ、胰蛋白酶、DMSO 構(gòu)自Sigma 公司;PEI 轉(zhuǎn)染試劑購(gòu)自Yeasen Biotechnology 公司(40816ES02);去內(nèi)毒素質(zhì)粒提取試劑盒購(gòu)自O(shè)MEGA 公司;BbsⅠ、T4DNA Ligase 內(nèi)切酶購(gòu)自NEB 公司;抗熒光猝滅封片劑、RIPA 裂解液、DAPI、免疫沉淀兔IgG抗體購(gòu)自碧云天生物技術(shù)公司;膠回收試劑盒購(gòu)自北京全式金生物技術(shù)有限公司(EG101-01);兔源GAPDH 抗體購(gòu)自Abcam公司(ab9485);兔源MyoG 抗體購(gòu)自Santa Cruz 公司(SC-52903),兔源p110α 抗體、辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的羊抗兔IgG、FITC的羊抗兔熒光二抗購(gòu)自北京Bioss 公司;兔源MHC 抗體購(gòu)自Proteintech公司;Co-IP 實(shí)驗(yàn)所用磁珠購(gòu)自美國(guó)MCE 公司(HY-K0202);PVDF 膜(0.45 μm)購(gòu)自Millipore Corporation 公司;25 mL 細(xì)胞培養(yǎng)瓶、六孔細(xì)胞培養(yǎng)板購(gòu)自NEST 公司;引物序列合成、基因測(cè)序由上海生工生物工程有限公司完成。
本研究中使用的細(xì)胞是從新生犢牛(n=3)腿部肌肉中分離獲得。將獲得的腿部肌肉在無(wú)菌操作臺(tái)中剪成肉糜狀,用0.1%膠原酶Ⅰ和0.25%胰蛋白酶處理消化,采用差速貼壁方法純化牛MDSCs。將上述分離獲得的牛MDSCs 用10%FBS 的DMEM 培養(yǎng)基于37 ℃、5%CO2恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。細(xì)胞密度達(dá)到60%~70%后進(jìn)行傳代,用0.1%胰蛋白酶消化,接種到六孔板中。培養(yǎng)24 h后,細(xì)胞密度達(dá)到70%,用于細(xì)胞分化或細(xì)胞轉(zhuǎn)染。分化時(shí),使用含2%馬血清的DMEM培養(yǎng)基誘導(dǎo)分化。
針對(duì)Pik3ip1(NCBI 基因ID:512082)基因,設(shè)計(jì)三個(gè)靶向Pik3ip1 啟動(dòng)子預(yù)測(cè)區(qū)的sgRNAs 序列,每個(gè)靶序列5′端添加BbsⅠ酶切位點(diǎn)“CACC”,合成后對(duì)其進(jìn)行退火并連接到pSPgRNA 表達(dá)載體,并將表達(dá)載體命名為pSPgRNA-P1、pSPgRNA-P2、pSPgRNA-P3。
轉(zhuǎn)染前,將牛MDSCs 接種到六孔板中。當(dāng)貼壁細(xì)胞密度達(dá)到約70%時(shí),將三個(gè)sgRNA 載體和2 μg SP-dCas9-VPR質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染至牛MDSCs以激活Pik3ip1 基因表達(dá),或?qū)⑷齻€(gè)sgRNA 載體和2 μg SP-dCas9質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染,抑制Pik3ip1基因表達(dá)。
將牛MDSCs于4 ℃下冷甲醇中固定20 min,去除冷甲醇,用PBST(含0.5%Triton X-100的PBS)洗滌3 次。細(xì)胞在37 ℃下與封閉溶液(含5%BSA 的PBST)孵育60 min。將細(xì)胞在4 ℃下用Pik3ip1 一抗(1∶100)或結(jié)蛋白一抗(1∶50)孵育過(guò)夜。在一抗孵育過(guò)后,PBST 搖床清洗細(xì)胞3 次,每次5 min,然后用FITC 標(biāo)記的二抗在37 ℃下孵育1 h,滴加二抗后的所有步驟均需在避光條件下進(jìn)行。二抗孵育完成后,PBST 搖床清洗細(xì)胞3 次,每次5 min。最后,在室溫下用DAPI 染色3~5 min,用PBST搖床清洗細(xì)胞3次,每次3 min,然后采集圖像。
將含有蛋白酶抑制劑的RIPA 裂解液滴入細(xì)胞中進(jìn)行裂解,收取細(xì)胞總蛋白。使用BCA 蛋白質(zhì)測(cè)定法測(cè)定蛋白質(zhì)濃度。SDS-PAGE凝膠電泳用于蛋白質(zhì)分離,在冰浴條件下將目的蛋白轉(zhuǎn)移至PVDF膜。用5%脫脂奶粉37 ℃封閉1 h,在4 ℃條件下一抗孵育過(guò)夜。一抗包括Pik3ip1(1∶500)、MyoG(1∶500)、MHC(1∶1 000)和GAPDH(1∶1 000)。一抗孵育完成后,PBST 搖床清洗4 次,每次5 min。隨后,將膜與HRP標(biāo)記的二抗(1∶2 000)在37 ℃下孵育1 h,用PBST 搖床清洗4 次,每次5 min。使用Super ECL Plus 檢測(cè)試劑盒檢測(cè)目的蛋白,用化學(xué)發(fā)光成像獲得圖像,分析系統(tǒng)為Minichemi Sagecreation 發(fā)光成像系統(tǒng)。最后,使用Image J軟件分析條帶。
將牛MDSCs 誘導(dǎo)分化48 h,PBS洗滌2次。含有蛋白酶抑制劑的RIPA 裂解液裂解細(xì)胞,取出100 μL 蛋白裂解物作為陽(yáng)性對(duì)照,將剩余蛋白裂解物平分。用p110α(2 μg)抗體和Protein A/G 磁珠結(jié)合形成抗體-磁珠復(fù)合體。用兔IgG抗體(2 μg)和Protein A/G 磁珠作為陰性對(duì)照,在4 ℃下?lián)u床2 h。然后將樣品12 880 r·min-1,10 min 在4 ℃下離心,去除抗體,樣品加入磁珠,形成抗原-抗體-磁珠復(fù)合體,在4 ℃下?lián)u床孵育2 h。最后加入SDS上樣緩沖液,煮沸樣品以洗脫結(jié)合蛋白,進(jìn)行Western blot檢驗(yàn)。Pik3ip1免疫沉淀方法同上。
所有結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。從獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中選擇具有代表性的免疫蛋白印跡,當(dāng)數(shù)據(jù)接近正態(tài)分布時(shí),兩組之間使用t 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)評(píng)估。NS:無(wú)顯著性差異,*P<0.05 代表顯著性差異,**P<0.01 代表極顯著性差異,被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。使用Prism軟件分析所有統(tǒng)計(jì)測(cè)試。
利用免疫熒光和Western blot 檢測(cè)Pik3ip1在牛MDSCs 分化過(guò)程中的表達(dá)。誘導(dǎo)牛MDSCs 分化,于分化第0、1、3和5天固定細(xì)胞,進(jìn)行免疫熒光染色,結(jié)果如圖1A所示,當(dāng)牛MDSCs在增殖培養(yǎng)基(0 d)中培養(yǎng)時(shí),無(wú)肌管形成,Pik3ip1 特異熒光非常弱。隨分化天數(shù)增加,細(xì)胞逐漸融合形成肌管,Pik3ip1 熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。使用Western blot檢測(cè)Pik3ip1在牛MDSCs 分化過(guò)程中的表達(dá)。隨分化天數(shù)增加,Pik3ip1表達(dá)(見(jiàn)圖1B和1C)及肌分化標(biāo)志基因MyoG和MHC表達(dá)均顯著升高(見(jiàn)圖1D和1E)。結(jié)果表明,Pik3ip1 表達(dá)隨牛MDSCs 分化而增加。
圖1 Pik3ip1在牛MDSCs分化過(guò)程中的表達(dá)Fig.1 Expression of Pik3ip1 during bovine MDSCs differentiation
2.2.1 激活Pik3ip1對(duì)牛MDSCs分化的影響
為研究Pik3ip1 對(duì)牛MDSCs 分化的影響,使用CRISPR/dCas9 方法激活Pik3ip1 表達(dá)。首先,構(gòu)建靶向Pik3ip1啟動(dòng)子的sgRNA載體。將重組后sgRNA載體與SP-dCas9-VPR載體共轉(zhuǎn)染牛MDSCs,分化培養(yǎng)48 h。利用Western blot 檢測(cè)選擇Pik3ip1 激活后表達(dá)效果最好的載體。對(duì)照組為sgRNA 空載與SP-dCas9-VPR 載體共轉(zhuǎn)染牛MDSCs,與對(duì)照組相比pSPgRNA-P3 組具有最顯著的激活效果(見(jiàn)圖2A和2B)。因此,選擇pSPgRNA-P3用于后續(xù)相關(guān)試驗(yàn)。
圖2 激活Pik3ip1對(duì)牛MDSCs分化的影響Fig.2 Activation of Pik3ip1 affectted differentiation of bovine MDSCs
將對(duì)照組sgRNA載體和pSPgRNA-P3載體分別與SP-dCas9-VPR 載體共轉(zhuǎn)染,轉(zhuǎn)染后分化48 h。免疫熒光和免疫印跡法檢測(cè)細(xì)胞分化情況。免疫熒光結(jié)果表明,Pik3ip1 被激活后,肌管數(shù)量顯著增加(見(jiàn)圖2C),肌管融合率提高42.32%,差異極顯著(見(jiàn)圖2D)。激活Pik3ip1 后,MyoG 和MHC 表達(dá)顯著增加(見(jiàn)圖2E~2H)。上述結(jié)果表明,激活Pik3ip1表達(dá)促進(jìn)牛MDSCs分化。
2.2.2 抑制Pik3ip1對(duì)牛MDSCs分化的影響
將SP-dCas9 和pSPgRNA 或pSPgRNA-Pn 共轉(zhuǎn)染牛MDSCs,通過(guò)Western blot 檢測(cè)Pik3ip1蛋白表達(dá)量,篩選出抑制效果最顯著的載體。結(jié)果如圖3所示,pSPgRNA與SP-dCas9載體共轉(zhuǎn)染牛MDSCs作為對(duì)照組,pSPgRNA-P2抑制載體組中Pik3ip1表達(dá)顯著低于對(duì)照組(見(jiàn)圖3A 和3B)。因此,選擇pSPgRNA-P2抑制載體進(jìn)行后續(xù)相關(guān)試驗(yàn)。
圖3 抑制Pik3ip1對(duì)牛MDSCs分化的影響Fig.3 Inhibition of Pik3ip1 affectted differentiation of bovine MDSCs
在牛MDSCs 中抑制Pik3ip1 表達(dá),使用免疫熒光和Western blot 檢測(cè)細(xì)胞分化情況。免疫熒光結(jié)果顯示,抑制Pik3ip1表達(dá)后,肌管顯著減少(見(jiàn)圖3C)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比肌管融合率下降21.67%,差異極顯著(見(jiàn)圖3D)。Western blot 結(jié)果表明,Pik3ip1被抑制后,MyoG和MHC表達(dá)顯著降低(見(jiàn)圖3E~H)。以上結(jié)果表明,抑制Pik3ip1的表達(dá)導(dǎo)致牛MDSCs分化減少。
為進(jìn)一步明確Pik3ip1 與PI3K 亞單位p110α 之間關(guān)系,將牛MDSCs 誘導(dǎo)分化48 h 收集蛋白樣品進(jìn)行免疫共沉淀。用Pik3ip1 抗體和p110α 抗體分別免疫沉淀并進(jìn)行Western blot 檢測(cè),結(jié)果顯示,使用Pik3ip1 抗體進(jìn)行免疫沉淀后,收集的樣品中可檢測(cè)出p110α 蛋白(見(jiàn)圖4A);使用p110α 抗體進(jìn)行免疫沉淀后,所得樣品中可檢測(cè)到Pik3ip1 蛋白(見(jiàn)圖4B)。表明Pik3ip1在牛MDSCs 分化過(guò)程中與p110α蛋白相互作用。
圖4 Pik3ip1與p110α在牛MDSCs分化過(guò)程中結(jié)合Fig.4 Pik3ip1 binds to p110α during bovine MDSCs differentiation
為研究Pik3ip1與PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路對(duì)肌肉分化的影響,本試驗(yàn)激活或抑制Pik3ip1 后誘導(dǎo)牛MDSCs分化48 h,Western blot檢測(cè)PI3K、AKT和mTOR 磷酸化狀態(tài)以及分化標(biāo)志基因MyoG 和MHC 表達(dá)。結(jié)果如圖5 所示,當(dāng)Pik3ip1 被激活,信號(hào)通路中PI3K、AKT 和mTOR 磷酸化水平顯著降低(見(jiàn)圖5A~E),MyoG和MHC表達(dá)量均增加(見(jiàn)圖5F 和G),表明激活Pik3ip1 使PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路被抑制,促進(jìn)牛MDSCs分化。
圖5 激活Pik3ip1對(duì)PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路及牛MDSCs分化的影響Fig.5 Activation of Pik3ip1 affectted PI3K/AKT/mTOR signaling pathway and bovine MDSCs differentiation
相反,當(dāng)Pik3ip1 表達(dá)受到抑制,PI3K、AKT和mTOR 磷酸化水平升高(見(jiàn)圖6A~E),MyoG 和MHC 表達(dá)量均顯著增加(見(jiàn)圖6F 和G)。研究結(jié)果表明,Pik3ip1通過(guò)抑制PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路促進(jìn)牛MDSCs分化。
圖6 抑制Pik3ip1對(duì)PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路及牛MDSCs分化的影響Fig.6 Inhibition of Pik3ip1 affectted PI3K/AKT/mTOR signaling pathway and bovine MDSCs differentiation
本研究首次描述Pik3ip1作為牛MDSCs 分化負(fù)調(diào)控因子的功能及表達(dá)。本試驗(yàn)室前期研究結(jié)果表明,牛MDSCs 分化中RNA 高通量測(cè)序結(jié)果顯示,分化 第3 天牛MDSCs 中Pik3ip1 的mRNA 水平顯著高于未分化牛MDSCs 的mRNA 表達(dá)[14]。因此,推測(cè)Pik3ip1與牛MDSCs 分化密切相關(guān)。為明確Pik3ip1對(duì)牛MDSCs 分化的影響,本研究分離牛MDSCs 并誘導(dǎo)分化,結(jié)果顯示,Pik3ip1 蛋白隨牛MDSCs 分化過(guò)程表達(dá)增加。表明Pik3ip1 與牛MDSCs 分化存在一定關(guān)聯(lián)。與Li 等發(fā)現(xiàn)Pik3ip1 隨小鼠C2C12細(xì)胞分化表達(dá)增加的研究結(jié)果相似[10]。
為明確Pik3ip1對(duì)牛MDSCs 分化的影響,采用CRISPR/dCas9 系統(tǒng)達(dá)到調(diào)控Pik3ip1 表達(dá)目的,根據(jù)前期研究該系統(tǒng)可有效激活或抑制基因表達(dá)[15]。結(jié)果表明轉(zhuǎn)染Pik3ip1 表達(dá)載體后,Pik3ip1 表達(dá)可被體外激活或抑制。表達(dá)載體的成功構(gòu)建為后續(xù)試驗(yàn)提供參考。此外,激活Pik3ip1 促進(jìn)牛MDSCs分化,抑制該基因后分化程度降低,說(shuō)明Pik3ip1正向調(diào)控牛MDSCs 分化,在牛MDSCs 發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
研究表明,Pik3ip1 通過(guò)其細(xì)胞內(nèi)p85 結(jié)構(gòu)域與PI3K的p110催化亞單位結(jié)合,下調(diào)人類肝癌細(xì)胞和小鼠心肌細(xì)胞中PI3K 活性,抑制AKT 活性[16-17]。免疫共沉淀結(jié)果顯示,Pik3ip1在牛MDSCs分化過(guò)程中與p110α相互作用,與其他物種細(xì)胞中Pik3ip1 研 究 結(jié) 果 一 致。Pik3ip1 在 牛MDSCs 中 對(duì)PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路的調(diào)控作用目前尚無(wú)相關(guān)研究,本研究通過(guò)激活和抑制Pik3ip1 表達(dá),發(fā)現(xiàn)Pik3ip1對(duì)PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路發(fā)揮負(fù)向調(diào)控作用。PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路是最重要的細(xì)胞內(nèi)途徑之一,在細(xì)胞增殖、黏附、遷移、蛋白質(zhì)合成以及細(xì)胞存活過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用,同樣可被視為癌癥主要調(diào)節(jié)因子[18]。PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路上調(diào),在肌肉發(fā)育過(guò)程中促進(jìn)C2C12 細(xì)胞增殖且抑制分化[10];Oh 等研究表明,韭菜中分離的化合物可促進(jìn)小鼠骨骼肌生長(zhǎng)分化并上調(diào)PI3K/AKT/mTOR 信 號(hào) 通 路[19],PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路在骨骼肌細(xì)胞分化過(guò)程中的作用目前存在爭(zhēng)議。然而,該信號(hào)通路對(duì)牛MDSCs分化的影響尚不清楚。激活Pik3ip1 表達(dá)后,抑制PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路并促進(jìn)牛MDSCs分化,反之亦然。本研究推測(cè)PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路可能抑制牛MDSCs分化過(guò)程,這與C2C12 細(xì)胞在骨骼肌發(fā)育過(guò)程中部分結(jié)論一致。為進(jìn)一步探討PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路在牛MDSCs 發(fā)育中功能,需在后續(xù)試驗(yàn)中添加信號(hào)通路激活劑或抑制劑深入研究。
本研究表明,Pik3ip1通過(guò)抑制PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路,促進(jìn)牛MDSCs 分化。本研究加深對(duì)肌肉發(fā)育機(jī)制的了解,為改善牛肉品質(zhì)提供新視角。
本研究發(fā)現(xiàn)Pik3ip1和PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路在牛MDSCs 分化過(guò)程中發(fā)揮重要作用。Pik3ip1通過(guò)抑制PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路促進(jìn)牛MDSCs分化,為今后研究和改善牛肉品質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。