盛蕾 蔣鳳仙 戴俊
脊髓性肌萎縮癥(spinal muscular atrophy,SMA)是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)隱性遺傳病,2018年被國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)列為第一批罕見(jiàn)病,在新生兒中發(fā)病率為1/6 000~1/10 000[1],目前我國(guó)約有5 萬(wàn)病人;其特點(diǎn)是脊髓前角α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元變性,導(dǎo)致肢體近端和軀干肌肉進(jìn)行性萎縮和癱瘓,最終因呼吸衰竭而死亡[2]。SMA 是由于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元生存基因1(SMN1)的缺失或突變導(dǎo)致不能編碼正常的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元生存蛋白(SMN)[3]。SMN 蛋白廣泛表達(dá)于各種細(xì)胞,是細(xì)胞生存的必需蛋白[4],主要協(xié)助小核糖核酸蛋白(sn-RNP)的組裝,參與前體mRNA(Pre-mRNA)的剪接過(guò)程[4-5],同時(shí)也可能參與泛素穩(wěn)態(tài)、核轉(zhuǎn)錄等過(guò)程。
目前SMA的發(fā)病機(jī)制仍不清楚,SMN蛋白缺失如何選擇性引起運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元變性一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來(lái),轉(zhuǎn)錄組學(xué)和機(jī)制研究指出腫瘤抑制基因trp53可能參與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元變性過(guò)程[6-10]。早期研究證明,SMN蛋白可以與p53相互作用,但SMN缺失后,p53 蛋白未減少[11]。Simon 等[10]的研究表明,在SMA 小鼠模型中p53 激活導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元死亡。其進(jìn)一步研究指出SMN 蛋白缺失引起snRNP組裝紊亂,導(dǎo)致p53的負(fù)調(diào)控因子Mdm2和Mdm4剪接發(fā)生改變,進(jìn)而導(dǎo)致p53激活,最終引起運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元死亡,然而,通過(guò)調(diào)控Mdm2和Mdm4剪接并未有效拯救SMA小鼠[9]。因此p53蛋白的激活可能有其他的調(diào)控機(jī)制。最近研究指出p53 下游相關(guān)基因(Fas、Noxa和Cdkn1a)轉(zhuǎn)錄水平的變化與神經(jīng)肌肉接頭的病理現(xiàn)象密切相關(guān)[8]。Reedich等[6]的研究也表明SMA中p53被激活,進(jìn)而激活下游細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1A(cyclin dependent kinase inhibitor 1A,Cdkn1a),導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯。但是對(duì)于SMN蛋白缺失調(diào)控p53信號(hào)激活的分子機(jī)制仍不明確。
為了探究SMN蛋白缺失導(dǎo)致p53信號(hào)激活的機(jī)制,我們利用慢病毒構(gòu)建了Smn敲低的穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系NSC34,深入探究SMN 蛋白缺失導(dǎo)致p53 激活的分子機(jī)制,進(jìn)一步解析SMA 小鼠運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中p53 的變化,旨在為SMA的病理機(jī)制研究提供理論基礎(chǔ)。
SMA 轉(zhuǎn)基因鼠購(gòu)自美國(guó)Jackson 實(shí)驗(yàn)室,飼養(yǎng)與繁殖按照蘇州大學(xué)動(dòng)物委員會(huì)所批準(zhǔn)的指導(dǎo)方針和規(guī)程(倫理批準(zhǔn)號(hào):202010A177)。由雜合子(Smn+/-)和溫和型SMA 小鼠(Smn-/-,SMN22TG/2TG)繁殖產(chǎn)生嚴(yán)重型SMA 小鼠模型(Smn-/-,SMN22TG/0),同窩雜合子(Smn+/-,SMN22TG/0)小鼠用于實(shí)驗(yàn)對(duì)照。所有實(shí)驗(yàn)均選擇雌鼠,以避免因性別差異引起的混淆效應(yīng)。
胎牛血清購(gòu)自美國(guó)Invitrogen公司;基因型鑒定試劑盒、逆轉(zhuǎn)錄酶試劑盒和PCR反應(yīng)試劑盒均購(gòu)自南京諾維贊生物科技有限公司;細(xì)胞周期檢測(cè)試劑盒購(gòu)自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;SMN單克隆抗體(貨號(hào):610646)購(gòu)自美國(guó)BD 公司;p53 鼠單克隆抗體(貨號(hào):ab26)、p21 兔單克隆抗體(貨號(hào):ab109520)和Noxa 鼠單克隆抗體(貨號(hào):ab13654)均購(gòu)自美國(guó)Abcam 公司;磷酸化p53(Ser18)兔單克隆抗體(貨號(hào):9284)、乙?;痯53(K382)兔單克隆抗體(貨號(hào):2525)和MDM2 兔單克隆抗體(貨號(hào):86934)均購(gòu)自美國(guó)CST公司;GAPDH鼠單克隆抗體(貨號(hào):60004)購(gòu)自武漢Proteintech 公司。pCGT7、pCI-neo、pTRIPZ、pMD2.G、pSPAX2、pREV 和pTAT 等質(zhì)粒載體由美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室Adrian R.Krainer教授惠贈(zèng)。
激光共聚焦顯微鏡(Leica,德國(guó));熒光顯微鏡(Leica,德國(guó));熒光定量PCR 儀(Applied Biosystems公司,美國(guó));化學(xué)發(fā)光儀(GE公司,美國(guó));流式細(xì)胞儀(Beckman 公司,美國(guó));RT-PCR 儀、電泳儀、轉(zhuǎn)膜槽(Bio-Rad 公司,美國(guó));SW-CJ-1F 超凈工作臺(tái)(蘇州凈化公司,中國(guó))。
利用慢病毒感染NSC34 細(xì)胞,通過(guò)嘌呤霉素篩選得到shRNA穩(wěn)定整合細(xì)胞基因組的穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系;用96 孔板篩選挑取單克隆;篩選出NSC34 穩(wěn)定株后,待細(xì)胞貼壁完全,在12 個(gè)孔中加入不同濃度多西環(huán)素(doxycycline,DOX)誘導(dǎo)基因敲低,每隔12小時(shí)于熒光顯微鏡下觀察細(xì)胞熒光表達(dá)情況,拍照記錄熒光強(qiáng)度最大的DOX最低濃度,經(jīng)過(guò)篩選最適濃度為1 mg/mL。
NSC34細(xì)胞系在添加10%胎牛血清和抗生素的DMEM 培養(yǎng)基中,置于37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。細(xì)胞培養(yǎng)至密度為80%~90%,按5×104/mL接種于六孔板中,待細(xì)胞貼壁完全后加入1 mg/mL 的DOX進(jìn)行誘導(dǎo),1~5天后進(jìn)行基因和蛋白水平、免疫熒光染色和細(xì)胞周期等檢測(cè)。
按照RNA 提取試劑盒說(shuō)明書(shū)對(duì)收集的細(xì)胞進(jìn)行RNA 提??;檢測(cè)RNA 的純度與濃度后將RNA 逆轉(zhuǎn)錄為cDNA;進(jìn)行熒光定量PCR;通過(guò)2-△△Ct計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量。相關(guān)引物序列見(jiàn)表1。
表1 引物序列
細(xì)胞裂解液收集細(xì)胞后,用10%SDS-PAGE 分離蛋白樣品。用5%脫脂牛奶孵育2 h,然后一抗4 ℃孵育過(guò)夜:SMN(1∶1 000)、p53(1∶1 000)、GAPDH(1∶5 000)、p-p53(Ser18)(1∶1 000)、MDM2(1∶1 000)、p21(1∶1 000)、Noxa(1∶1 000)和Acetyl-p53(Lys382)(1∶1 000)。TBST 洗滌3 次,室溫孵育二抗1 h 后通過(guò)發(fā)光儀進(jìn)行檢測(cè)并保存分析數(shù)據(jù)。
DOX 誘導(dǎo)48 h 后進(jìn)行免疫共沉淀(IP)。收集細(xì)胞,加入適量細(xì)胞裂解液,冰上裂解30 min,離心30 min 后取上清;取少量上清液作為input 以備Western Blot 分析,剩余上清液中加p53抗體,4 ℃孵育1 h;取40 μL protein A/G瓊脂糖珠,裂解緩沖液洗3 次,每次3 000 rpm 離心3 min;將預(yù)處理過(guò)的40 μL protein A/G 瓊脂糖珠加入到和抗體孵育的細(xì)胞裂解液中,4 ℃緩慢搖晃孵育過(guò)夜;免疫沉淀反應(yīng)后,在4 ℃以3 000 rpm 速度離心3 min,將瓊脂糖珠離心至管底;將上清小心吸去,瓊脂糖珠用1 mL 裂解緩沖液洗3~4 次;最后加入適量裂解液和上樣緩沖液,沸水煮5 min;進(jìn)行Western Blot分析。
按照細(xì)胞周期檢測(cè)試劑盒處理細(xì)胞后,進(jìn)行流式細(xì)胞儀分析。用FlowJo_V10 軟件(BD Biosciences)對(duì)不同細(xì)胞周期階段細(xì)胞的分布進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。
小鼠出生后5天用CO2窒息法處死,取脊髓組織樣本,組織立即用生理鹽水沖洗,放入液氮中冷凍,后儲(chǔ)存于零下80 ℃冰箱,進(jìn)行基因和蛋白檢測(cè)。進(jìn)行免疫熒光染色的樣本,取材后放入4%多聚甲醛中4 ℃固定24 h。在PBS中清洗3次,進(jìn)行石蠟包埋切片;組織切片56 ℃加熱20 min后進(jìn)行不同濃度乙醇脫水;將切片放入檸檬酸鈉緩沖液中,放入壓力鍋中,高壓15 min;將切片放入TBS 中20 min;將切片放入封閉液中通透1 h;孵育一抗單克隆抗體ChAT,4 ℃過(guò)夜;孵育二抗,室溫2 h;TBS清洗3次,將切片晾干,封閉;激光共聚焦顯微鏡下觀察。
所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析均采用GraphPad Prism 8.0 軟件(GraphPad Software公司,美國(guó))和SPSS 26.0軟件(IBM公司,美國(guó))進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,分別采用Student'st檢驗(yàn)進(jìn)行兩組間差異分析或單因素方差分析進(jìn)行組間差異分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
在構(gòu)建的Smn敲低的NSC34 細(xì)胞中,第1 天Smn敲低效率為80%左右,第3 天效率為85%左右,第5天效率為90%左右(圖1 a)。
圖1 SMN 蛋白缺失導(dǎo)致p53 積累 a:構(gòu)建的NSC34 細(xì)胞中,誘導(dǎo)1~5 天的Smn 基因敲低效率;b:誘導(dǎo)后1~4 天trp53 基因表達(dá)未變化,第5 天表達(dá)上調(diào);c:構(gòu)建的NSC34 細(xì)胞中SMN 蛋白表達(dá)下調(diào),p53 蛋白表達(dá)增加;d、e:SMN 和p53 蛋白灰度值定量分析柱狀圖(與對(duì)照組比較,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001)
我們檢測(cè)了SMN 蛋白缺失的NSC34 細(xì)胞中不同時(shí)間點(diǎn)trp53基因水平的變化,與對(duì)照組相比,在早期,SMN 的缺失并沒(méi)有改變trp53mRNA 的豐度;在誘導(dǎo)的晚期第5 天表達(dá)增加(圖1 b,P<0.05),但是由于p53 蛋白水平的變化遠(yuǎn)早于基因水平的變化,故不考慮晚期基因水平的改變。
在NSC34 細(xì)胞中的SMN 蛋白在第2 天、第3 天和第5 天分別降低了70%、85%和97%;而p53 蛋白水平在第2、3、5 天分別上調(diào)了3、8、6 倍(圖1 c~e,P<0.05)。
以上結(jié)果證實(shí)在SMA 細(xì)胞模型中SMN 蛋白缺失會(huì)導(dǎo)致p53蛋白積累,但其基因水平未發(fā)生變化。
考慮到trp53早期轉(zhuǎn)錄水平?jīng)]有變化,我們推測(cè)SMN缺乏可能會(huì)影響p53的穩(wěn)定性。蛋白合成抑制劑放線菌酮(Cycloheximide,CHX)處理NSC34 細(xì)胞12 h后,p53蛋白水平下降了28%;然而,在Smn敲低組中只觀察到p53蛋白水平輕微下降(圖2 a、b,P<0.05)。以上結(jié)果提示,SMN蛋白缺失抑制p53的降解進(jìn)而導(dǎo)致其積累。p53是通過(guò)泛素化途徑進(jìn)行降解,MDM2 作為p53 最主要的E3 泛素連接酶和下游調(diào)控靶點(diǎn)。Smn敲低組中p53 蛋白水平升高后,MDM2 基因和蛋白表達(dá)均顯著上升(圖2 c~e,P<0.05),但是免疫共沉淀發(fā)現(xiàn)MDM2 與p53 的相互結(jié)合顯著減少(圖2 f)。以上結(jié)果表明,SMN蛋白缺失后通過(guò)抑制p53泛素化降解途徑導(dǎo)致其積累。
圖2 SMN 蛋白缺失抑制p53 降解 a:NSC34細(xì)胞中,CHX抑制蛋白合成后,p53蛋白發(fā)生降解,蛋白水平下降,Smn 敲低組的p53 蛋白水平未發(fā)生顯著變化;b:p53 蛋白灰度值定量分析柱狀圖;c:Smn敲低組中,MDM2 基因相對(duì)表達(dá)上升;d:Smn 敲低組的MDM2 蛋白表達(dá)增加;e:MDM2 蛋白灰度值定量分析柱狀圖;f:IP檢測(cè)p53 與MDM2 結(jié)合情況(與對(duì)照組比較,*P<0.05,**P<0.01)
敲低Smn后,NSC34 細(xì)胞中p-p53(Ser18)蛋白水平顯著升高(圖3 a),免疫熒光染色也發(fā)現(xiàn)其在細(xì)胞核中發(fā)生積累(圖3 d)。p-p53(Ser18)蛋白水平升高會(huì)激活下游k382乙酰化,而泛素化和乙?;Y(jié)合的賴氨酸位點(diǎn)是相互競(jìng)爭(zhēng),我們檢測(cè)到acetyl-p53(K382)水平顯著上升(圖3 a~c)。以上結(jié)果表明:p53 磷酸化和乙酰化的激活抑制了MDM2 與p53 的結(jié)合,最終抑制其泛素化降解。
圖3 SMN蛋白缺失導(dǎo)致p53磷酸化和乙?;揎椝皆黾?a:NSC34 細(xì)胞中,SMN 蛋白缺失后p-p53(Ser18)和acetylp53(K382)蛋白表達(dá)上調(diào);b、c:p-p53(Ser18)和acetyl-p53(K382)蛋白灰度值定量分析柱狀圖;d:免疫熒光染色在Smn敲低的NSC3 中p-p53(Ser18)蛋白表達(dá)增加(與對(duì)照組比較,***P<0.001)
p53蛋白積累必然會(huì)引起下游細(xì)胞周期阻滯和細(xì)胞凋亡。SMN 蛋白缺失后,G0/G1 期細(xì)胞數(shù)量減少,但S 期的細(xì)胞數(shù)量顯著增高,G2/M 期的細(xì)胞數(shù)量顯著減少(圖4 a、b,P<0.05)。細(xì)胞周期抑制基因Cdkn1a顯著上升,同時(shí)凋亡相關(guān)基因Bax、Noxa和PUMA顯著上升(圖4 c,P<0.05)。為了驗(yàn)證SMA 中運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的變化,通過(guò)免疫熒光發(fā)現(xiàn)在SMA 小鼠模型中腰髓L1~L2段運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元數(shù)量顯著減少(圖4 d)。在SMA小鼠脊髓組織中同樣檢測(cè)到細(xì)胞周期抑制基因Cdkn1a顯著上升,凋亡相關(guān)基因Bax、Noxa和PUMA顯著上升;且p-p53(Ser18)和acetyl-p53(K382)蛋白水平顯著增加,p53 下游抑制細(xì)胞增殖和促進(jìn)細(xì)胞凋亡的p21和Noxa蛋白高表達(dá)(圖4 e、f,P<0.05)。
圖4 p53蛋白積累導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯和細(xì)胞凋亡 a:流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞周期分布;b:細(xì)胞周期分布統(tǒng)計(jì)圖,S 期細(xì)胞數(shù)量增多,G2/M 期細(xì)胞數(shù)量減少;c:NSC34細(xì)胞中Smn 敲低后Cdkn1a、Bax、Noxa 和PUMA 基 因 表 達(dá) 增 高;d:SMA 小鼠模型的脊髓組織運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元染色;e:SMA 小鼠模型的脊髓組織中Cdkn1a、Bax、Noxa和PUMA 基因的表達(dá)水平上調(diào);f:SMA小鼠模型的脊髓組織中p53 相關(guān)蛋白均表達(dá)增加(與對(duì)照 組 比 較,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001)
SMA 是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)隱性遺傳病,它是由SMN1基因的缺失或突變導(dǎo)致不能正常編碼SMN 蛋白導(dǎo)致。針對(duì)其致病基因,目前臨床上用于治療SMA的藥物有反義寡核苷酸藥物Nusinersen及腺相關(guān)病毒基因療法Zolgensma。但是對(duì)于SMN 蛋白缺失是如何引起運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元死亡的病理機(jī)制尚不完全清楚,且運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元死亡的分子機(jī)制一直是研究的熱點(diǎn)。前期研究指出在SMA小鼠模型中p53的激活導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的死亡。但是關(guān)于SMN蛋白調(diào)控p53的分子機(jī)制鮮有報(bào)道,因此本研究致力于探究SMN蛋白缺失導(dǎo)致p53激活的分子機(jī)制。
正常情況下,細(xì)胞內(nèi)p53通過(guò)泛素-蛋白酶體降解途徑維持在較低水平,但在DNA損傷或細(xì)胞應(yīng)激情況下會(huì)迅速激活并穩(wěn)定[12]。在本研究中我們發(fā)現(xiàn),SMN 蛋白缺失會(huì)抑制p53 降解,提高蛋白穩(wěn)定性。研究表明,SMA 小鼠模型中存在泛素穩(wěn)態(tài)失衡,SMN蛋白與泛素蛋白酶體系統(tǒng)相互作用不僅調(diào)節(jié)自身穩(wěn)定性,其缺失還導(dǎo)致神經(jīng)肌肉發(fā)病[13-16]。其中,SMN缺失降低泛素樣修飾物激活酶1(UBA1)的水平,通過(guò)破壞泛素穩(wěn)態(tài)促進(jìn)神經(jīng)退行性病變[13]。作為去泛素化酶泛素羧基末端水解酶家族的一員,泛素羧基末端水解酶L1(UCHL1)在SMA 病人中表達(dá)顯著上調(diào)[16]。Reddy 等[17]研究表明,UCHL1 表達(dá)升高后通過(guò)穩(wěn)定p53導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞凋亡。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),UCHL1 與阿爾茨海默病、帕金森病以及其他神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[18]。因此,SMN蛋白缺失導(dǎo)致p53蛋白穩(wěn)定性的增加可能是由泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的破壞引起的。
除了上述泛素樣修飾物激活酶和去泛素化酶參與調(diào)控蛋白泛素化降解,E3泛素連接酶決定靶蛋白的特異性識(shí)別,在泛素途徑中具有重要的作用。MDM2作為p53最主要的E3泛素連接酶和下游調(diào)控靶點(diǎn),通過(guò)形成負(fù)反饋環(huán)路來(lái)調(diào)節(jié)p53 的功能[19-20]。我們的研究顯示p53 表達(dá)上調(diào)后MDM2 顯著上升。正常情況下MDM2 的上升會(huì)促進(jìn)p53 泛素化降解,但是p53 與MDM2 的相互結(jié)合顯著減少。p53 的穩(wěn)定性和功能受到翻譯后修飾的調(diào)控,包括泛素化、磷酸化和乙?;?9,21]。p53 在Ser15(小鼠是Ser18)位點(diǎn)的磷酸化被認(rèn)為是p53 激活的啟動(dòng)事件,可以保護(hù)p53 不受其主要負(fù)調(diào)控因子MDM2 的影響,從而提高其穩(wěn)定性和功能;且p-p53(Ser18)可以調(diào)控細(xì)胞周期和凋亡[22]。本研究中我們發(fā)現(xiàn),SMN蛋白缺失后,p-p53(Ser18)水平顯著升高,細(xì)胞周期G2/M期發(fā)生阻滯且細(xì)胞凋亡增加,證實(shí)p53 的穩(wěn)定性增加及功能受到磷酸化水平影響。此外,p53在Ser15位點(diǎn)磷酸化可以通過(guò)招募CBP/p300 促進(jìn)乙?;?3]。乙酰化和泛素化可以修飾p53碳端相同的賴氨酸殘基,包括K370、K372、K373、K381、K382 和K386,這些位點(diǎn)的乙?;梢宰柚筽53 被泛素化,從而增加其穩(wěn)定性[24-26]。我們的研究發(fā)現(xiàn),在SMA 小鼠模型的脊髓組織和Smn敲低的NSC34 細(xì)胞中p53 的K382 乙酰化水平增加。表明SMN 蛋白缺失是通過(guò)激活p-p53(Ser18)和acetyl-p53(K382)修飾干擾p53和MDM2之間相互作用,抑制泛素化降解,進(jìn)而導(dǎo)致p53蛋白積累。
本研究中,我們采用了Smn敲低的NSC34 細(xì)胞去探究p53 積累的分子機(jī)制,并且在SMA 小鼠模型的脊髓組織中進(jìn)行了驗(yàn)證。然而我們必須認(rèn)識(shí)到該研究存在一定局限性,如:我們對(duì)p53積累未在SMA小鼠脊髓組織中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中進(jìn)行驗(yàn)證,且未在SMA病人來(lái)源的細(xì)胞中進(jìn)行驗(yàn)證。因此,下一步我們將分別從SMA 小鼠模型脊髓組織的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和病人來(lái)源的細(xì)胞對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。
綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)SMN 蛋白缺失導(dǎo)致p53蛋白p-p53(Ser18)和acetyl-p53(K382)水平增加,抑制p53 與MDM2 結(jié)合,進(jìn)而抑制p53 泛素化降解,最終導(dǎo)致p53 蛋白積累,引起細(xì)胞周期阻滯和細(xì)胞凋亡(圖5)。靶向調(diào)控p53 的泛素化降解途徑可能為SMA的治療提供新的思路。
圖5 SMN蛋白缺失導(dǎo)致p53積累的分子機(jī)制圖