黃曉佳,李 靜,許 瀟,李永金
(江蘇大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院藥理學(xué)系,江蘇鎮(zhèn)江 212013)
星形膠質(zhì)細(xì)胞是大腦神經(jīng)細(xì)胞中比例最高的一種神經(jīng)細(xì)胞,對(duì)神經(jīng)元可起到營養(yǎng)、支持、清除毒性氨基酸而保護(hù)神經(jīng)元的作用[1-2]。近年來研究表明,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生損傷時(shí),星形膠質(zhì)細(xì)胞可產(chǎn)生并分泌許多炎癥介質(zhì),如細(xì)胞因子和趨化因子,繼而調(diào)節(jié)神經(jīng)元的功能[3-4]。在腦損傷后的恢復(fù)期,星形膠質(zhì)細(xì)胞可被激活而增殖,產(chǎn)生膠質(zhì)疤痕,該作用也與其分泌的活性物質(zhì)有關(guān)。
近年來,研究發(fā)現(xiàn)一種趨化因子:間質(zhì)細(xì)胞來源因子-1(stromal cell-derived factor-1,SDF-1)在神經(jīng)系統(tǒng)中具有一定的功能,參與了一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生過程,如急性腦缺血、外傷性腦損傷、大腦感染等。SDF-1最初在B細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn),對(duì)T淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等具有趨化作用[5-6]。根據(jù)基因剪切的不同,SDF-1有二種異構(gòu)體:SDF-1α和SDF-1β[6]。SDF-1氨基酸序列在各物種間高度保守,人和小鼠的SDF-1α和SDF-1β蛋白氨基酸序列分別有99%和97%的相似度[7]。除對(duì)血液系統(tǒng)的作用,SDF-1也可調(diào)節(jié)心臟細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞的功能,具有促進(jìn)細(xì)胞增殖的作用。SDF-1通過與其受體結(jié)合發(fā)揮作用,其受體包括CXCR-4和CXCR-7。CXCR-4受體參與了腫瘤細(xì)胞的生長、遷移、浸潤等過程[8];CXCR-7受體表達(dá)于造血系統(tǒng)、心臟、血管、骨骼、腎臟等處,其對(duì)SDF-1的結(jié)合力高于CXCR-4受體[9-10]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng),SDF-1及其受體CXCR-4和CXCR7在神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、施旺細(xì)胞中均有表達(dá),可調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)和一些激素的釋放[11]。但SDF-1對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞具有哪些作用,其作用產(chǎn)生的分子機(jī)制目前仍不明確。
在本實(shí)驗(yàn)中,我們采用原代培養(yǎng)的大鼠大腦皮層星形膠質(zhì)細(xì)胞作為工具,用重組人SDF-1α進(jìn)行刺激,觀察SDF-1α對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的作用,并研究其作用的相關(guān)分子信號(hào)通路。
1.1 試劑與材料 新生大鼠(出生24 h以內(nèi))來自于江蘇大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,高糖DMEM細(xì)胞培養(yǎng)基、青霉素、鏈霉素購自Gibco公司,胎牛血清購自杭州四季青生物工程材料有限公司。重組人SDF-1α購自美國R&D公司;胰酶、臺(tái)盼藍(lán)染液、細(xì)胞裂解液購自美國Sigma公司;溴化去氧尿苷(5-bromo-2′-deoxyuridine,BrdU)和小鼠抗 GFAP單克隆抗體購自美國Sigma公司;小鼠抗BrdU單克隆抗體購自美國B&D公司;Alexa488和Alexa594結(jié)合兔抗小鼠熒光二抗均購自美國Jackson Immuno Research公司;鈣離子熒光探針(Fluo-3/AM)購自美國Molecular Probe公司;兔抗細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)1/2單克隆抗體(No.4695)、兔抗磷酸化ERK1/2單克隆抗體(No.4376)購自美國Cell Signaling Technology公司;小鼠抗甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)單克隆抗體購自上??党巧镌噭┯邢薰尽<?xì)胞周期與細(xì)胞凋亡檢測(cè)試劑盒購自碧云天生物技術(shù)研究所。細(xì)胞RNA提取試劑盒(RNeasymini kit)、大鼠 Cylin A2、Cyclin B1、Cyclophillin引物均購自美國Qiagen公司。cDNA逆轉(zhuǎn)錄試劑盒和定量PCR試劑盒均購自美國ABI公司。定量PCR儀為美國ABI公司產(chǎn)品,激光共聚焦顯微鏡Zeiss LSM-510為德國Zeiss公司產(chǎn)品。
1.2 細(xì)胞培養(yǎng) 按照文獻(xiàn)方法稍作修改,進(jìn)行大鼠皮質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的分離和培養(yǎng)[12]。將出生24 h內(nèi)的新生大鼠斷頸,剝離腦膜,去除小腦和延腦,將大腦皮層搗碎后加入0.25%胰酶于37°C消化15 min。將吹打后的細(xì)胞懸液過100目金屬篩,將含細(xì)胞的濾液培養(yǎng)于含10%胎牛血清、1×105U·L-1青霉素、100 mg·L-1鏈霉素和2 mmol·L-1谷氨酰胺的高糖DMEM中。培養(yǎng)24 h后,換液以去除非貼壁細(xì)胞,此后每周更換2次培養(yǎng)液。于12 d后,將培養(yǎng)瓶至于37℃恒溫?fù)u床上以200 r·min-1振搖過夜,去除小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞等混雜細(xì)胞。將貼壁細(xì)胞消化種于培養(yǎng)板中進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。此細(xì)胞經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞酸性蛋白抗體免疫組化染色鑒定后,95%以上的細(xì)胞為星形膠質(zhì)細(xì)胞。
1.3 細(xì)胞計(jì)數(shù) 將星形膠質(zhì)細(xì)胞以2×108·L-1密度種植于24孔板上,以含0.5%血清培養(yǎng)進(jìn)行細(xì)胞周期同步化48 h,之后以不同濃度SDF-1α進(jìn)行處理。48 h后消化細(xì)胞,以0.4%臺(tái)盼藍(lán)染液進(jìn)行染色和細(xì)胞計(jì)數(shù)。
1.4 細(xì)胞增殖檢測(cè) 將星形膠質(zhì)細(xì)胞種植于玻璃片上,加入BrdU作用12 h,冷甲醇固定5 min,吹干后以PBS洗滌3次。加入抗BrdU抗體(1∶5)和抗GFAP抗體(1∶600)于4℃孵育過夜,PBS洗滌后與熒光二抗(1∶800)于室溫下作用1 h,用熒光顯微鏡拍照觀察陽性細(xì)胞,每張玻璃片選取5個(gè)不同視野,至少選取10 000個(gè)細(xì)胞,以陽性細(xì)胞占總細(xì)胞數(shù)的比例作為數(shù)據(jù)。
1.5 細(xì)胞內(nèi)鈣離子測(cè)定 在貼壁細(xì)胞培養(yǎng)液中加入熒光離子探針Fluo-3/AM(終濃度為10μmol·L-1),在37℃下避光孵育 40 min。之后,用 Hank′s溶液將細(xì)胞洗滌3次以去除多余的Fluo-3,以激光共聚焦顯微鏡掃描細(xì)胞,激發(fā)光波長為488 nm,發(fā)射光為550 nm,連續(xù)掃描400次,掃描頻率為2 s/次。給藥前掃描30次,給予相應(yīng)藥物后繼續(xù)掃描。使用ZEISS-SP2軟件計(jì)算鈣離子熒光強(qiáng)度。以各個(gè)時(shí)間點(diǎn)熒光強(qiáng)度與初始熒光強(qiáng)度比值作為細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度[Ca2+]i的相對(duì)值。
1.6 W estern blot檢測(cè) 各組細(xì)胞經(jīng)處理后,以PBS吹打收集,加入細(xì)胞裂解液裂解細(xì)胞,以10 000×g于4℃離心20 min,取上清作為蛋白質(zhì)樣本。配制10%的SDS-PAGE膠,以30μg蛋白質(zhì)上樣進(jìn)行蛋白質(zhì)電泳。電泳結(jié)束后電轉(zhuǎn)于醋酸纖維素膜上,用5%脫脂奶粉于室溫下封閉1 h,于4℃與一抗(anti-ERK抗體1∶2 000,anti-ERK抗體1∶3 000,anti-GAPDH抗體1∶5 000)反應(yīng)過夜,經(jīng)洗滌后于室溫下與相應(yīng)二抗反應(yīng)1 h。進(jìn)行ECL發(fā)光反應(yīng)使底片曝光,掃描蛋白質(zhì)條帶灰度值并進(jìn)行分析。
1.7 細(xì)胞周期檢測(cè) 將星形膠質(zhì)細(xì)胞按2×108·L-1密度接種于6孔板,經(jīng)處理24 h后收集細(xì)胞,冷PBS洗滌2次,加入1 ml預(yù)冷70%乙醇中于4℃固定過夜,離心后棄上清。按照試劑盒說明書加入PI染色液(含 RNase A),混勻,于37℃避光孵育30 min后進(jìn)行流式細(xì)胞儀檢測(cè)。
1.8 細(xì)胞周期蛋白基因表達(dá)檢測(cè) 采用試劑盒提取細(xì)胞總mRNA,并采用DNA酶I進(jìn)行消化。mRNA經(jīng)純化后進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄成cDNA,進(jìn)行定量RTPCR檢測(cè)。用Cyclophillin基因作為內(nèi)參,以mRNA相對(duì)表達(dá)量作為指標(biāo)。
1.9 統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以ˉx±s表示,采用SPSS 11.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析,多組間均數(shù)比較采用單因素方差分析。
Fig 1 Effects of SDF-1αon cell proliferation in rat astrocytes(ˉ±s,n=6)A:Representative image of BrdU/GFAP double staining in astrocytes after 48 h-SDF-1αchallenge;B:Cell counting analysis revealsastrocytes underwent proliferation at48 h after the treatmentwith SDF-1α;C:BrdU incorporation assay shows the increased DNA synthesis in astrocytes after the treatmentwith SDF-1αfor 48 h.The arrows indicate the BrdU+nuclei.*P<0.05,**P<0.01 vs control.Bar in A=25μm.
2.1 SDF-1α對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖的作用 在本實(shí)驗(yàn)中,采用細(xì)胞計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定細(xì)胞增殖。如Fig 1所示,星形膠質(zhì)細(xì)胞經(jīng)血清饑餓48 h后,以不同濃度的 SDF-1α處理 48 h,SDF-1α(10~40 nmol·L-1)可明顯的促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的增殖,而5 nmol·L-1SDF-1α對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞沒有作用。同時(shí),BrdU參入實(shí)驗(yàn)也證明,SDF-1α(10~40 nmol·L-1)可劑量依賴性地增加星形膠質(zhì)細(xì)胞的DNA合成。
2.2 SDF-1α對(duì)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的作用 趨化因子可通過激活其受體導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增加,并誘導(dǎo)相關(guān)生化反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)中,通過使用鈣離子熒光探針,測(cè)定了SDF-1α對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的作用。如Fig 2所示,靜息狀態(tài)下,星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度處于穩(wěn)定的狀態(tài),加入SDF-1α(20 nmol·L-1)后,細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度明顯增加,約20 s后達(dá)到峰值,后逐漸降低至正常水平。而溶劑對(duì)照組細(xì)胞鈣離子濃度無明顯變化。
Fig 2 Effect of SDF-1αon intracellular calcium concentration in astrocytesThe intracellular calcium concentration in astrocytes was increased,with a peak at10 s after SDF-1αchallenge
2.3 SDF-1α對(duì)細(xì)胞ERK信號(hào)的作用 在細(xì)胞增殖的過程中,ERK信號(hào)通路發(fā)揮了重要的作用。在神經(jīng)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中,SDF-1α通過激動(dòng)其受體而導(dǎo)致了 ERK1/2的磷酸化,繼而促使細(xì)胞發(fā)生增殖[13]。在本實(shí)驗(yàn)中,通過 Western blot的方法檢測(cè)了ERK1/2的磷酸化。如Fig 3所示,靜息狀態(tài)下星形膠質(zhì)細(xì)胞低表達(dá)磷酸化ERK1/2,而20 nmol·L-1SDF-1α可明顯提高ERK1/2的磷酸化水平,該作用從10 min開始,持續(xù)至60 min。
2.4 SDF-1α對(duì)細(xì)胞周期的作用 通過用流式細(xì)胞儀對(duì)細(xì)胞周期的檢測(cè),如Fig 4A所示,對(duì)照組細(xì)胞95%處于G0期;20 nmol·L-1SDF-1α可明顯增加處于S期和G2/M期的細(xì)胞,促使細(xì)胞由G0期進(jìn)入了S期和M期。
2.5 SDF-1α對(duì)細(xì)胞周期蛋白基因表達(dá)的作用 細(xì)胞周期蛋白對(duì)細(xì)胞周期的調(diào)控具有重要的作用,在細(xì)胞周期轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮了調(diào)控功能。在細(xì)胞進(jìn)入S期后,cyclin表達(dá)發(fā)生變化,促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)入下一個(gè)細(xì)胞周期。通過定量RT-PCR檢測(cè),如Fig 4B所示,經(jīng)20 nmol·L-1SDF-1α處理48 h后,Cyclin A2、Cyclin B1的基因表達(dá)明顯增加。
Fig 3 Effects of SDF-1αon the phosphorylation of ERK1/2 in astrocytes±s,n=4)After treatment with SDF-1α,the expression of pERK1/2 was increased,lasting from 10 min to 60 min.*P<0.05,**P<0.01 vs control.
Fig 4 Effects of SDF-1αon the cell cycle transition and expressions of Cyclin A2 and Cyclin B1 in astrocytes(±s,n=4)After the treatmentwith SDF-1αfor 48 h,the percentage of the astrocytes in S phase and M phase was increased;A:ThemRNA expressions of Cyclin A2 and Cyclin B1 were induced by the treatmentwith SDF-1αfor 48 h as well B:**P<0.01 vs control.
本研究表明,外源性給予SDF-1α可明顯促進(jìn)原代培養(yǎng)大鼠星形細(xì)胞增殖。同時(shí),SDF-1α可促進(jìn)鈣離子內(nèi)流,激活細(xì)胞內(nèi)ERK信號(hào)通路,使細(xì)胞周期由G0期進(jìn)入S期和M期;細(xì)胞周期相關(guān)蛋白Cylin A2和Cyclin B1的基因表達(dá)也上調(diào)。這些結(jié)果表明,SDF-1α可通過促進(jìn)鈣離子內(nèi)流,使ERK信號(hào)通路激活,導(dǎo)致細(xì)胞進(jìn)入DNA合成期和細(xì)胞分裂期,從而使細(xì)胞增殖。該結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果相一致,提示SDF-1α具有生長因子樣作用,可促進(jìn)細(xì)胞增殖。
在與細(xì)胞增殖有關(guān)的細(xì)胞通路中,ERK1/2通路具有重要的作用。ERK1/2在細(xì)胞內(nèi)廣泛表達(dá),可被具有有絲分裂原樣作用的因子,如細(xì)胞因子和趨化因子所磷酸化。被磷酸化激活后,ERK1/2可磷酸化一系列底物,包括蛋白激酶、受體、細(xì)胞骨架蛋白和轉(zhuǎn)錄因子,從而產(chǎn)生調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖的作用[14-15]。使用反義寡核苷酸或抑制劑抑制ERK1/2的表達(dá)可起到抑制細(xì)胞增殖的作用,如成纖維細(xì)胞、T細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、干細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞[14]。相反,在細(xì)胞內(nèi)上調(diào)ERK1/2的活性則可減低細(xì)胞對(duì)生長因子的依賴性,并促進(jìn)其增殖[16]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,星形膠質(zhì)細(xì)胞經(jīng)SDF-1α刺激后,細(xì)胞內(nèi)ERK1/2迅速被磷酸化,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞增殖,進(jìn)一步證實(shí)了ERK1/2在細(xì)胞增殖中的作用[17]。
此外,ERK1/2通路也可調(diào)節(jié)細(xì)胞周期轉(zhuǎn)變過程。靜息狀態(tài)下,ERK存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi),呈無活性狀態(tài)。當(dāng)受到促有絲分裂因子刺激后,ERK1/2迅速被磷酸化,繼而在后續(xù)的數(shù)小時(shí)內(nèi)呈現(xiàn)出高活性狀態(tài),直到G1后期[18]。ERK信號(hào)被激活后,Cyclin D1表達(dá)上調(diào),Cyclin A2和Cyclin B1的表達(dá)也增高,共同起到促進(jìn)細(xì)胞周期轉(zhuǎn)變的作用[19]。ERK1/2也可轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi),促進(jìn)與細(xì)胞周期轉(zhuǎn)變有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá),從而促進(jìn)細(xì)胞生長周期的轉(zhuǎn)變[20]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,SDF-1α可促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞由G0期向S期和M期轉(zhuǎn)變,同時(shí)Cyclin A2和Cyclin B1的基因表達(dá)也出現(xiàn)增高。
目前,研究已證實(shí),SDF-1α不僅可通過調(diào)節(jié)造血細(xì)胞的功能,如促進(jìn)前體細(xì)胞遷移和B淋巴細(xì)胞前體細(xì)胞增殖;還具有調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞增殖和遷移的作用,如促進(jìn)小腦神經(jīng)細(xì)胞的遷移,促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞的增殖[11]。CXCR4受體阻斷藥 AMD3100可阻斷SDF-1所引發(fā)的細(xì)胞遷移和增殖的作用,表明SDF-1α的作用可能由CXCR4受體所介導(dǎo)[21]。同時(shí),SDF-1通過激動(dòng)CXCR4受體,使腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖,CXCR4受體在腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞中高表達(dá),和腫瘤惡性程度正相關(guān)[12]。這些結(jié)果均表明SDF-1通過其受體調(diào)節(jié)了部分神經(jīng)和腫瘤細(xì)胞的增殖和遷移。近年來部分研究表明,CXCR4和CXCR7受體可產(chǎn)生二聚體,其作用可能會(huì)部分重合,甚至相互干擾[22]。CXCR4激活后可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高,而CXCR7卻不具備該作用,提示需采用RNA干擾等高特異性的方法來研究SDF-1受體介導(dǎo)的生理學(xué)效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,SDF-1α可促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣離子內(nèi)流,推測(cè)可能是由CXCR4受體介導(dǎo)了該效應(yīng),在今后的研究中該問題將得到進(jìn)一步驗(yàn)證和闡明。
綜上,本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SDF-1α可增加原代培養(yǎng)大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度,磷酸化ERK1/2蛋白,促使細(xì)胞進(jìn)入S期和M期,并可促進(jìn)細(xì)胞周期相關(guān)蛋白如Cyclin A2和Cyclin B1的基因表達(dá),具有明顯促細(xì)胞增殖的作用。該結(jié)果提示,SDF-1α可能調(diào)節(jié)了中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后膠質(zhì)細(xì)胞增生的過程。
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