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    靶向caspase-8小發(fā)夾RNA減輕去血清/缺氧誘導的人骨髓間充質干細胞凋亡*

    2014-08-08 09:49:54袁偉偉林秋雄朱杰寧李曉紅符永恒劉曉穎譚虹虹鄧春玉單志新
    中國病理生理雜志 2014年7期
    關鍵詞:腺病毒質粒干細胞

    袁偉偉, 林秋雄, 朱杰寧, 李曉紅, 符永恒, 劉曉穎, 譚虹虹, 鄧春玉, 單志新

    (廣東省人民醫(yī)院,廣東省醫(yī)學科學院, 廣東省心血管病研究所,廣東 廣州 510080)

    急性心肌梗死仍是世界公共衛(wèi)生一大難題,現(xiàn)有治療方法的療效有限。心肌細胞治療是一種再生、修復損傷心肌的治療策略。已有很多不同組織來源的干細胞、祖細胞被用于實驗性或臨床治療研究,如胚胎干細胞、間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)、造血干細胞、新生兒或胎兒心臟干細胞、骨骼肌成肌細胞和誘導多能干細胞(induced pluripotent stem cells, iPS cells)等[1-4]。MSCs是一種具有多向分化潛能的成體干細胞,可以在不同的誘導條件下分化為成骨細胞、脂肪細胞、軟骨細胞、肌肉細胞、神經細胞、心肌細胞等,可能是組織工程、再生醫(yī)學領域中重要的種子細胞[5]。MSCs已在臨床前研究中得到了廣泛的測試,并且已有幾個臨床試驗評估其在心肌梗死治療中的臨床療效[6-9]。然而,由于梗死心肌中缺血、炎癥等惡劣的微環(huán)境使得MSCs的移植率和存活率低下,大大限制了MSCs的治療效果。近年來,人們嘗試通過基因修飾MSCs來提高其移植后的存活率,并取得了一定的效果;已報道用于修飾MSCs的基因包括Bcl-2、間隙連接蛋白43 (connexin-43)、血紅素氧合酶 (heme oxygenase-1,HO-1)、熱休克蛋白20 (heat-shock protein 20, HSP-20)、磷脂酰肌醇3-激酶C2α(phosphatidylinositol 3-kinases C2α, PI3K-C2α)、蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/Akt)和血管生成素1(angiopoietin-1,Ang1)等[10]。

    鑒于過表達抗凋亡蛋白可增強MSCs的心肌再生作用[11-13],我們認為通過沉默促凋亡基因表達也可以提高MSCs的存活率。本研究制備了表達人caspase-8小發(fā)夾RNA(small hairpin RNA,shRNA)的重組腺病毒,檢測了腺病毒介導的caspase-8 shRNA對人MSCs中caspase-8表達的抑制作用及對去血清/缺氧誘導的MSCs凋亡的保護作用。

    材 料 和 方 法

    1 細胞和載體

    hMSCs按我們已報道的方法分離、培養(yǎng)和保存[14];HEK293T購自ATCC;質粒pAdTrack-CMV(攜帶GFP報告基因)、pAdEasy-I和大腸桿菌菌株BJ5183購自Stratagen;大腸桿菌菌株DH-5α由本研究室保存。

    2 主要試劑

    質粒提取試劑盒和DNA 回收試劑盒(Qiagen);Trizol試劑、逆轉錄酶和定量PCR Master Mix購自Invitrogen;DNA聚合酶和限制性內切酶(TaKaRa);胎牛血清和α-DMEM(HyClone);L-谷氨酰胺、丙酮酸鈉、磷酸鹽緩沖液(PBS)、Lipofectamine 2000轉染試劑、293 FectinTM轉染試劑和0.05% 胰蛋白酶、annexin V/PI(Invitrogen);caspase-8活性檢測試劑(Promega);caspase-8抗體和GAPDH抗體(Abcam);所用PCR引物由英濰捷基(上海)公司合成。

    3 主要方法

    3.1PCR擴增法制備caspase-8 shRNA編碼DNA 參考我們已報道方法[15],簡述如下。分別針對人caspase-8基因的2個靶序列:aagggtcatgctctatcagat和cagtgccagacacagtctgta,并根據(jù)腺病毒穿梭質粒pAdTrack-CMV 多克隆位點序列,設計合成用于制備基于微小RNA-155骨架序列(back bone)的caspase-8 shRNA模板DNA的PCR引物。靶向aagggtcatgctctatcagat的caspase-8 shRNA模板DNA的PCR上游引物ATGCGGTACCTGAAGGCTTGCTGTAGGCTGTATG-CTGATCTGATAGAGCATGACCCTTGTTTTGGCCACT-GACTGAC (KpnI),下游引物GCATAAGCTTCAGCAATTTGTTCCATGTGAATGCTAGTAACAGGCATCA-TACACTGATCTGATAGAGTGACCCTTGTCAGTCAGT-GGCCAAAAC (HindIII)。靶向cagtgccagacacagtctgta的caspase-8 shRNA模板DNA的PCR上游引物ATGCGGTACCTGAAGGCTTGCTGTAGGCTGTATGCTGT-ACAGACTGTGTCTGGCACTGGTTTTGGCCACTGACT-GAC (KpnI),下游引物GCATAAGCTTCAGCAATTTGTTCCATGTGAATGCTAGTAACAGGCATCATACACTG TACAGACTGTGTGGCACTGGTCAGTCAGTGGCCAA-AAC (HindIII)。分別利用2對PCR引物自身為模板進行PCR反應,條件為94 ℃ 2 min,后連續(xù)31個循環(huán), 每個循環(huán)內94 ℃ 30 s, 58 ℃ 30 s, 72 ℃ 15 s, 完成最后1個循環(huán)后72 ℃延伸3 min。之后進行2%瓊脂糖凝膠電泳, 用凝膠提取試劑盒純化PCR 產物。

    3.2人caspase-8 shRNA腺病毒穿梭質粒的構建 用KpnI+HindIII分別酶切人caspase-8 shRNA模板DNA和pAdTrack-CMV質粒。純化酶切產物, 利用T4DNA連接酶于16 ℃反應4~6 h。將連接產物轉化感受態(tài)大腸桿菌DH5α, 鋪50 mg /L Kana+/LB平板,37 ℃倒置培養(yǎng)過夜。對獲得的陽性克隆重組質粒行KpnⅠ+HindIII酶切和DNA測序鑒定。

    3.3細菌內同源重組獲得caspase-8 shRNA重組腺病毒質粒 用PmeⅠ酶切重組穿梭質粒pAdTrack-caspase-8 shRNA,然后將線性化質粒與腺病毒骨架質粒pAdeasy-I共轉化BJ5183感受態(tài)菌,鋪50 mg/L Kana+/LB平板,37 ℃倒置培養(yǎng)過夜。用堿裂解法提取擴增后的最小陽性克隆的質粒DNA, 分別行PCR和PacⅠ酶切鑒定。將鑒定正確的重組腺病毒質粒轉入感受態(tài)DH5α菌, 挑取克隆擴增, 提取質粒保存。

    3.4Caspase-8 shRNA重組腺病毒在HEK293細胞中的包裝及擴增 用含10% FBS的DMEM培養(yǎng)液培養(yǎng)人胚腎293細胞。在轉染前24 h, 將106HEK293細胞鋪于25 cm2培養(yǎng)瓶內。當細胞豐度達到60%~70%時, 用293fectinTM試劑將PacI線性化的caspase-8 shRNA重組腺病毒質粒導入HEK293細胞。培養(yǎng)24~48 h后,在熒光顯微鏡下觀察重組腺病毒上共表達的綠色熒光蛋白(GFP)的表達。繼續(xù)培養(yǎng)7~10 d后,用吸管小心吹打收集293細胞及上清培養(yǎng)基。在-70 ℃/37 ℃反復凍融裂解細胞3次后,用適量的細胞凍融裂解上清液再次感染HEK293細胞。2~3 d后,按照上述方法收集病毒上清,經過2~3次重復擴增后,獲得較高滴度的重組病毒。按上述方法,制備只表達標志蛋白GFP的對照重組腺病毒rAd-GFP。用無血清DMEM培養(yǎng)液稀釋高滴度的重組病毒,以不同感染復數(shù)(MOI值)感染hMSCs,以感染后24 h GFP表達確定合適的病毒感染MOI。

    3.5去血清/缺氧處理hMSCs 將hMSCs鋪板24 h后至穩(wěn)定生長。更換為無血清培養(yǎng)基(N2飽和0.5 h)在0.1% O2、37 ℃培養(yǎng)6 h,更換完全培養(yǎng)基,在常氧,5% CO2、37 ℃繼續(xù)培養(yǎng)18 h。

    3.6熒光定量PCR檢測基因表達 用Trizol 試劑提取hMSCs總RNA,用2 μg總RNA逆轉錄合成cDNA第1鏈,進行目的基因表達水平的定量檢測。Real-time PCR 條件如下:95 ℃ 1 min,94 ℃ 25 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 20 s,40 個循環(huán),72 ℃ 3 min。擴增的DNA產物以熒光染料SYBR Green I 標記,在每個循環(huán)結束時測定每孔SYBR GreenⅠ吸光度值。反應結束后對PCR 產物做55 ℃ 到95 ℃的融解曲線分析,12 ℃終止反應。以人GAPDH為內參照,引物序列如表1所示。實驗組與對照組間目的基因mRNA的相對表達水平用2-ΔΔCt方法[16]計算。

    表1 實時定量RT-PCR實驗所用的引物

    3.7Western blotting檢測caspase-8表達 用細胞蛋白裂解液處理hMSCs,收集細胞上清,行12% SDS-PAGE電泳。將細胞蛋白電轉至硝酸纖維素膜上,封閉電轉膜,再分別以兔抗caspase-8單抗為Ⅰ抗,羊抗兔IgG-HRP為Ⅱ抗孵育電轉膜。內參照蛋白選用GAPDH。用ECL+Plus試劑為底物,曝光X光片,顯色、定影。根據(jù)檢測caspase-8蛋白條帶和GAPDH蛋白條帶的灰度比值,進行細胞樣品中caspase-8蛋白表達的半定量分析。

    3.8Annexin V/PI染色分析 用冰冷的PBS清洗hMSCs,離心,棄上清用annexin結合液重懸。調整細胞密度1×109cells/L,加5 μL Alexa Fluor 488 annexin V和1 μL PI工作液(100 mg/L)到每100 μL的細胞懸液中。室溫避光孵育15 min。流式細胞術檢測,發(fā)射波長為488 nm,F(xiàn)ITC-annexin V熒光檢測波長為(530±15) nm, PI熒光檢測波長為600 nm。

    3.9caspase-8活性檢測 參照caspase-8活性檢測試劑盒操作說明,制備hMSCs細胞裂解液,利用Glomax2020發(fā)光檢測儀檢測hMSCs細胞的caspase-8活性。

    4 統(tǒng)計學處理

    數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差(mean±SD)表示,采用SPSS 13.0軟件分析,滿足方差齊性時,組間比較用單因素方差分析;不滿足方差齊性時,組間比較用秩和檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

    結 果

    1 重組caspase-8 shRNA腺病毒的制備

    經KpnI+HindIII酶切和DNA測序鑒定表明,分別針對人caspase-8基因靶序列aagggtcatgctctatcagat和cagtgccagacacagtctgta的caspase-8 shRNA腺病毒穿梭質粒pAd-Cap8 shRNA1和pAd-Cap8 shRNA2構建成功(本文未顯示)。熒光定量PCR結果顯示,轉染pAd-Cap8 shRNA1介導表達的Cap8 shRNA能有效抑制HEK293細胞中caspase-8 的mRNA表達,見圖1A。利用pAd-Cap8 shRNA1質粒和腺病毒骨架質粒pAdEasy-I繼續(xù)構建重組腺病毒質粒rAdTrack-Cap8 shRNA1。PacI酶切鑒定顯示,pAdTrack-CMV被切成6.0 kb和3.0 kb的片段,pAdEasy-I被切成33 kb的片段,而通過BJ5183菌重組的腺病毒質粒rAdTrack- Cap8 shRNA1被切成21.5 kb和4.5 kb的片段,說明pAd-Cap8 shRNA1和腺病毒骨架質粒發(fā)生了重組,見圖1B。重組Cap8 shRNA腺病毒質粒轉染HEK239細胞48 h后,有少量細胞表達綠色熒光蛋白,7~10 d后,全部HEK293細胞中表達GFP,細胞形成大量病毒斑、細胞發(fā)生融合及部分細胞漂浮,見圖1C,表明重組Cap8 shRNA腺病毒在HEK293細胞中成功包裝合成。經過2次擴增后,用反復凍融法收集包裝好的病毒上清。

    Figure 1. Preparation of recombinant adenovirus carrying caspase-8 shRNA.A: the mRNA expression of caspase-8 in caspase-8 (Cap8) shRNA-modified HEK293 cells detected by real-time PCR.Mean±SD.n=3. ##P<0.01 vs Vector. B: restriction endonuclease digestion of rAdTrack-Cap8 shRNA1 detected by electrophoresis through an 8 g/L agarose gel and ethidium bromide staining. M: DL15000 DNA ladder marker; 1: pAdEasy-I digested by Pac I; 2: rAdTrack-Cap8 shRNA1 digested by PacⅠ; 3: pAdTrack-CMV digested by PacⅠ. C: packaging of rAd-Cap8 shRNA in HEK293 cells.

    2 腺病毒介導caspase-8 shRNA調控hMSCs中caspase-8的表達

    當MOI為5時,重組caspase-8 shRNA腺病毒可有效感染hMSCs,hMSCs中有大量的GFP表達,見圖2A。Real-time PCR結果顯示,與hMSCs和陰性對照腺病毒感染的hMSCs相比,caspase-8 shRNA腺病毒感染的hMSCs中caspase-8 mRNA顯著降低(P<0.01),見圖2B;Western blotting結果顯示,caspase-8 shRNA腺病毒感染的hMSCs中,caspase-8蛋白水平顯著降低(P<0.01),見圖2C。

    3 Caspase-8 shRNA抑制去血清/缺氧誘導的hMSCs凋亡

    流式細胞術分析顯示,去血清和缺氧培養(yǎng)可顯著提高hMSCs凋亡率,而腺病毒介導的過表達caspase-8 shRNA可有效降低hMSCs的凋亡率(P<0.01),見圖3A。Caspase-8活性分析結果顯示,去血清和缺氧培養(yǎng)的hMSCs中caspase-8活性顯著升高,而caspase-8 shRNA可顯著降低hMSCs中caspase-8活性(P<0.01),見圖3B。

    4 Caspase-8 shRNA增強hMSCs中HGF、IGF-1和Bcl-2的表達

    利用real-time PCR檢測了hMSCs中與增殖、凋亡相關基因的表達。結果顯示,過表達caspase-8 shRNA的hMSCs中,HGF、IGF-1和Bcl-2 mRNA表達顯著增強(P<0.05,P<0.01),而VEGF和Bcl-xL的表達變化不明顯,見圖4。

    Figure 2. Adenovirus-mediated caspase-8 shRNA inhibited caspase-8 expression in hMSCs. A: green fluorescent protein expression in MSCs infected with rAd-GFP or rAd-Cap8 shRNA, respectively; B: caspase-8 mRNA expression in caspase-8 shRNA-overexpressing MSCs detected by real-time PCR assay; C: caspase-8 protein expression in caspase-8 shRNA-overexpressing MSCs detected by Western blotting.Mean±SD.n=3~5.##P<0.01 vs MSC; **P<0.01 vs MSC-vector.

    Figure 3. Adenovirus-mediated caspase-8 shRNA inhibited apoptosis of MSCs under the condition of serum deprivation (SD) and hypoxia. A: Annexin V/PI staining; B: quantification of apoptotic cells; C: changes of caspase-8 activity. Mean±SD.n=3~5. **P<0.01 vs MSC; ##P<0.01 vs MSC-vector.

    Figure 4. Adenovirus-mediated caspase-8 shRNA enhanced HGF, IGF-1 and Bcl-2 expression in hMSCs. Mean±SD.n=3~5.*P<0.05, **P<0.01 vs MSC; #P<0.05, ##P<0.01 vs MSC-vector.

    討 論

    MSCs能夠自我更新并可分化為成骨細胞、軟骨細胞、星形膠質細胞、神經元、骨骼肌細胞和心肌細胞等[5]。由于MSCs便于分離和體外擴增培養(yǎng),并具有多分化潛能,使得MSCs成為用于心臟再生的一種有希望的干細胞來源。然而移植到損傷心肌內MSCs不能有效存活的情況極大地限制了MSCs的臨床應用。研究顯示[17-18],超過99%的MSCs在注入到CB17 SCID成年小鼠左心室肌的4 d內死亡。鑒于心肌梗死區(qū)內的缺血微環(huán)境可能不利于MSCs存活和抵抗凋亡,如何提高MSCs在缺血條件下的生存能力對于MSCs成功應用于細胞治療將是至關重要的。

    近年來,人們研究通過對MSCs進行預處理和基因修飾等不同的策略來提高MSCs移植后的存活率和治療效果。目前,已有大量的研究表明通過基因修飾手段可以提高MSCs移植后的存活率[10]。鑒于上述大多數(shù)措施增加MSCs生存能力是通過下調凋亡相關途徑實現(xiàn)的,因而,本文采取了直接抑制MSCs凋亡相關基因caspase-8表達的策略,研究過表達caspase-8 shRNA對MSCs抗凋亡的作用。研究發(fā)現(xiàn),雖然低氧預適應能增強MSCs的生存[19-21],但MSCs在長期的缺氧和缺乏營養(yǎng)條件下將發(fā)生顯著凋亡[22]。以往的研究顯示,線粒體途徑介導了缺氧和去血清誘導的MSCs凋亡,盡管缺氧和去血清可誘導Fas和FasL表達,升高caspase-8活性,但用caspase-8抑制劑zIEDT-fmk 并不能降低caspase-3活性,抑制MSCs凋亡[23]。而本文研究顯示,缺氧和去血清處理MSCs 6 h,繼續(xù)常氧和完全培養(yǎng)基培養(yǎng)18 h,可誘導明顯的MSCs凋亡,伴有caspase-8活性的顯著升高;腺病毒介導過表達caspase-8 shRNA可降低caspase-8表達,抑制caspase-8活性,并有效降低缺氧和去血清誘導的MSCs凋亡。因此,利用caspase-8 shRNA特異降低MSCs的caspase-8表達和活性,可有效抑制缺氧和去血清誘導的MSCs凋亡。既往研究顯示,沉默MSCs中caspase-3表達可以促進細胞增殖,減少細胞凋亡[24]。鑒于caspase-3處于凋亡有序級聯(lián)反應的下游,結合本文研究結果,提示caspase-8活化參與的死亡受體凋亡途徑在缺氧和去血清處理MSCs凋亡中發(fā)揮重要作用。同時,本文定量PCR結果顯示,caspase-8 shRNA過表達的MSCs中抗凋亡相關HGF、IGF-1和Bcl-2表達顯著升高,提示上述基因表達增加也促進了MSCs抗缺氧和去血清誘導的凋亡作用。但caspase-8 shRNA過表達的MSCs中HGF、IGF-1和Bcl-2表達升高的調控機制有待于進一步研究。

    本研究我們采用了基于miR-155前體骨架(stem-loop序列)的DNA模板表達caspase-8 shRNA,并獲得了有效的抑制MSCs中caspase-8表達的作用。既往的研究中,我們證實基于微小RNA骨架(如miR-30和miR-155)的DNA模板轉錄的目的基因shRNA比普通的發(fā)夾RNA能更有效抑制目的基因表達,而其中基于miR-155骨架DNA表達的目的基因shRNA的作用效能更好[15]。

    因而,本文利用缺氧和去血清誘導的MSCs凋亡模型和腺病毒介導的基于miR-155前體骨架模板表達的caspase-8 shRNA,證實利用caspase-8 shRNA沉默MSCs中caspase-8表達可有效抑制MSCs凋亡。本文結果提示利用腺病毒介導caspase-8 shRNA修飾MSCs可能是一種提高MSCs移植后成活率的有效方法。

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