Drp1在高糖誘導(dǎo)的大鼠心肌細(xì)胞肥大中的作用研究*

吳清蕊，練飛鴻，饒 芳，鄺素娟，楊 慧，吳飛龍，張夢珍, 麥麗萍，林秋雄，單志新，楊 敏，鄧春玉△

(1華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006; 2廣東省心血管病研究所臨床藥理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)研究部， 廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院， 廣東 廣州 510080)

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是胰島素分泌絕對或相對不足，以高血糖和高血脂為特征的代謝紊亂綜合征，糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy, DCM)是其常見的心臟并發(fā)癥[1]，是DM引起心臟微血管病變和心肌代謝紊亂所致的心肌廣泛局灶性壞死，其病理變化在細(xì)胞水平主要表現(xiàn)為心肌細(xì)胞肥大，而在亞細(xì)胞水平主要表現(xiàn)為線粒體破損、較小線粒體數(shù)量增多[2]，具體的發(fā)病機(jī)制及病理過程目前尚未完全清楚。研究表明，線粒體功能異常是心肌肥厚發(fā)生的主要機(jī)制[3]，但線粒體分裂(mitochon-drial fission)異常與糖尿病性心肌肥厚的關(guān)系少見報(bào)道。也有研究顯示，線粒體動力學(xué)失衡與許多疾病有密切關(guān)系，發(fā)動蛋白相關(guān)蛋白(dynamin-related protein 1,Drp1)在Ser616位點(diǎn)磷酸化水平增加，Ser637位點(diǎn)磷酸化水平降低可以促進(jìn)線粒體分裂[4-8]。因此，我們推測Drp1磷酸化水平變化介導(dǎo)的線粒體分裂增加可能參與了糖尿病心肌肥厚的發(fā)生，分別在細(xì)胞水平和分子水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探討線粒體動力學(xué)相關(guān)蛋白Drp1的磷酸化水平在高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大模型中的表達(dá)變化及其作用機(jī)制。

材 料 和 方 法

1 實(shí)驗(yàn)動物

出生1～3 d的SD乳大鼠，雌雄不限，SPF級，由南方醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心提供，生產(chǎn)許可證號為SCXK(粵)2016-0041，質(zhì)量檢測單位為廣東省實(shí)驗(yàn)動物檢測所。

2 主要試劑

兔抗心房鈉尿肽(atrial natriuretic peptide, ANP)單克隆抗體購自Bioworld Technology；鼠抗Drp1單克隆抗體、兔抗p-Drp1(Ser616)單克隆抗體和兔抗p-Drp1(Ser637)單克隆抗體購自CST；兔抗α-微管蛋白(α-tubulin)單克隆抗體購自Proteintech；脫脂奶粉購自BD；4×SDS 上樣緩沖液、線粒體分裂抑制劑1(mitochondrial division inhibitor 1, Mdivi-1)和4′，6-聯(lián)脒-2-苯基吲哚(4′,6-diamidino-2-phenylindole, DAPI)購自Sigma；聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride, PVDF)膜和放射免疫沉淀實(shí)驗(yàn)(radio immunoprecipitation assay, RIPA)細(xì)胞裂解液購自Millipore；麥胚凝集素(wheat germ agglutinin, WGA)購自武漢谷歌生物公司；線粒體膜電位(mitochon-drial membrane potential, MMP)檢測試劑盒(JC-1)和BCA 蛋白定量試劑盒購自上海碧云天公司；5-溴-2′-脫氧尿嘧啶核苷(5-bromo-2′-deoxyuridine, BrdU)購自Selleck；DMEM培養(yǎng)液和胎牛血清購自Gibco；磷酸緩沖鹽溶液(phosphate-buffered saline，PBS)購自武漢博士德公司。

3 主要方法

3.1細(xì)胞培養(yǎng)和干預(yù) 用酶解分離法將1～3 d的SD乳大鼠心臟消化分離成單個(gè)細(xì)胞，根據(jù)心肌細(xì)胞與成纖維細(xì)胞的差速貼壁，分離心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞，用含雙抗和10%胎牛血清的DMEM(含5.5 mmol/L葡萄糖)培養(yǎng)液將心肌細(xì)胞懸液重懸，加入BrdU抑制成纖維細(xì)胞增殖，置于包被鼠尾膠原的6孔板中，37℃、5% CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)48 h(其中24 h換液一次)后，換含不同糖濃度的無BrdU的DMEM培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)至72 h。將培養(yǎng)的乳大鼠心肌細(xì)胞分成6組：對照(control； 5.5 mmol/L葡萄糖)組、高滲透壓(hyperosmosis，HM；33 mmol/L甘露醇)組、DMSO組、高糖(high glucose, HG；33 mmol/L葡萄糖)組、Mdivi-1(10 μmol/L)組和HG+Mdivi-1組(10 μmol/L Mdivi-1預(yù)處理3 h后再換成含33 mmol/L葡萄糖的DMEM培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)72 h)。

3.2SD乳大鼠原代心肌細(xì)胞WGA染色和細(xì)胞表面積計(jì)算 1～3 d的SD乳大鼠原代心肌細(xì)胞分離培養(yǎng)48 h后，高糖組用含33 mmol/L葡萄糖的培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)至72 h，PBS漂洗2次，每次5min，用4%多聚甲醛(paraformaldehyde, PFA)固定細(xì)胞15 min后，用PBS漂洗2次，每次5 min，根據(jù)產(chǎn)品說明書加入WGA-Alexa Fluor 488，室溫避光孵育10 min后，用PBS漂洗2次，每次5 min， 滴加DAPI染核及封片，激光共聚焦掃描顯微鏡采集圖片，應(yīng)用Image-Pro Plus 6.0軟件測量心肌細(xì)胞的表面積。

3.3JC-1檢測 MMP 將原代心肌細(xì)胞分為control組、HM組和HG組，高糖培養(yǎng)72 h后換液，根據(jù)產(chǎn)品說明書加入JC-1染料(10 mg/L)避光孵育15 min，PBS漂洗2次后在激光共聚焦顯微鏡下觀察并記錄結(jié)果。通過JC-1從紅色熒光到綠色熒光的轉(zhuǎn)變可以檢測到細(xì)胞膜電位的下降，用ImageJ 軟件對線粒體膜電位熒光強(qiáng)度進(jìn)行半定量分析，通過測取圖片中的紅綠熒光的比值，記錄作為線粒體膜電位的原始數(shù)據(jù)。

3.4Western blot檢測相關(guān)蛋白的表達(dá)量的變化 提取心肌細(xì)胞總蛋白：細(xì)胞收板后用PBS漂洗2次，加入含有蛋白酶抑制劑的中性裂解液冰上裂解30 min，用細(xì)胞刮促進(jìn)細(xì)胞充分裂解，吸取到EP管靜置、12 000 r/min離心15 min，上清即為細(xì)胞總蛋白。BCA 法進(jìn)行蛋白定量。用裂解液和上樣緩沖液(4 ×)將各樣品配至蛋白量為20 μg，100 ℃變性10 min，進(jìn)行SDS-PAGE后轉(zhuǎn)膜，用5%脫脂奶粉將膜浸泡常溫置搖床上封閉1 h，I抗(1 ∶1 000稀釋)4 ℃搖床孵育過夜。第2天用TBST洗膜3次，每次5 min，然后室溫?fù)u床孵育II抗1 h左右(II抗1 ∶5 000稀釋于含5% 脫脂奶粉的TBST)。TBST洗膜3次，每次5 min。用ECL試劑盒顯影蛋白條帶，ImageJ圖像分析軟件測定蛋白條帶灰度值，取目的條帶的灰度值與內(nèi)參照的灰度值的比值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，用GraphPad Prism 5將統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制成柱形圖，計(jì)量資料以均數(shù) ± 標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SEM)方式表示，多組間比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1 高糖誘導(dǎo)原代心肌細(xì)胞肥大

與control組及HM組相比，HG組ANP的蛋白表達(dá)水平顯著升高(P<0.01)，心肌細(xì)胞表面積也顯著增加(P<0.01);control組和HM組之間無顯著差異(P>0.05)，見圖1。

Figure 1. High glucose (HG) induced hypertrophy of neonatal rat cardiomyocytes. A: the protein expression of ANP in the neonatal rat cardiomyocytes (n=3); B: immunofluorescence staining (WGA staining) showed the size of the neonatal rat cardiomyocytes (scale bar=50 μm; 50 cells were quantified in each group). Mean±SEM．**P<0.01vsother groups．
圖1 高糖誘導(dǎo)乳大鼠心肌細(xì)胞肥大

2 高糖誘導(dǎo)心肌細(xì)胞線粒體膜電位降低

與control組及HM組相比，HG組的心肌細(xì)胞MMP顯著降低(P<0.01)；control組和HM組之間無顯著差異(P>0.05)，見圖2。

Figure 2. High glucose (HG) induced dissipation of MMP in neonatal rat cardiomyocytes. JC-1 aggregates (red) indicate intact MMP, while JC-1 monomers (green) indicate dissipation of MMP. The scale bar=50 μm. Mean±SEM.n=3.**P<0.01vsother groups.
圖2 高糖誘導(dǎo)線粒體膜電位降低

3 高糖誘導(dǎo)心肌細(xì)胞線粒體分裂增加

與control組及HM組相比，HG組p-Drp1 (Ser616)水平顯著升高(P<0.05)，p-Drp1(Ser637)水平顯著減少(P<0.05)，Drp1總蛋白水平無顯著變化(P>0.05)；control組和HM組之間無顯著差異(P>0.05)，見圖3。

Figure 3. High glucose (HG) induced increase in mitochondrial fission. Mean±SEM.n=3.*P<0.05vsother groups．
圖3 高糖誘導(dǎo)線粒體分裂增加

4 線粒體分裂抑制劑Mdivi-1抑制高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大

與control組相比，HG組ANP和p-Drp1(Ser616)水平顯著升高(P<0.05)，而p-Drp1(Ser637)水平顯著降低(P<0.05);與HG組相比，高糖+Mdivi-1組ANP和p-Drp1(Ser616)水平顯著降低(P<0.05)，而p-Drp1(Ser637)水平顯著升高(P<0.05)，Drp1總蛋白水平無顯著變化(P>0.05)；control組、HM組、DMSO組和Mdivic-1組之間無顯著差異(P>0.05)，見圖4。

Figure 4. Mdivi-1 blocked high glucose (HG)-induced cardiomyocyte hypertrophy. Mean±SEM.n=3．*P<0.05vscontrol group;#P<0.05,##P<0.01vsHG group.
圖4 Mdivi-1阻斷高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大

討 論

本研究結(jié)果表明，乳大鼠心肌細(xì)胞Drp1蛋白Ser616位點(diǎn)的磷酸化增加而Ser637位點(diǎn)的磷酸化減少導(dǎo)致的線粒體分裂增加，促進(jìn)了高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大，抑制Drp1可以顯著緩解高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大，提示DM導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)線粒體分裂增加可能是心肌肥厚的重要因素。

高血糖是DCM的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[9]，然而，其潛在機(jī)制尚未得到充分闡明。以往研究應(yīng)用高糖培養(yǎng)液培養(yǎng)心肌細(xì)胞建立DM代謝損傷細(xì)胞模型[10-11]，探索高血糖導(dǎo)致DCM的內(nèi)在機(jī)制[12]，但高糖培養(yǎng)液的含糖濃度及干預(yù)時(shí)長不定。為了選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)濃度及干預(yù)時(shí)長，預(yù)實(shí)驗(yàn)顯示，相比對照組，葡萄糖濃度為33 mmol/L、刺激72 h時(shí)ANP的表達(dá)水平穩(wěn)定增加，細(xì)胞的表面積顯著增加。因此本項(xiàng)工作選擇該細(xì)胞模型，對高糖誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步探索。

線粒體功能障礙在調(diào)節(jié)DM患者糖脂代謝和心功能障礙中擔(dān)任著重要角色[13]。據(jù)此我們提出假說：高糖通過促進(jìn)線粒體功能障礙誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大，而線粒體功能可以通過檢測MMP的變化來評價(jià)[14-15]。因此，我們分別檢測了不同組心肌細(xì)胞的MMP，與前人研究結(jié)果[14-15]一致，高糖誘導(dǎo)乳大鼠原代心肌細(xì)胞MMP降低，提示高糖作用下心肌細(xì)胞出現(xiàn)線粒體功能障礙。

目前認(rèn)為線粒體動力學(xué)異常參與多種心血管疾病的過程[16]，重建線粒體融合-分裂平衡可能為心血管疾病的防治提供新的參考資料[17]。由此，我們設(shè)想線粒體分裂異常參與了高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大的過程。線粒體分裂主要受胞漿Drp1調(diào)控，Drp1的Ser616 位點(diǎn)磷酸化水平升高或Ser637 位點(diǎn)磷酸化水平降低都能促進(jìn)線粒體分裂增加[18]。本研究結(jié)果顯示高糖誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的p-Drp1(s616)水平升高，而p-Drp1(Ser637)水平降低，表明高糖導(dǎo)致心肌細(xì)胞線粒體分裂增加，提示線粒體分裂增加可能促進(jìn)了高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大，為了進(jìn)一步證明該結(jié)論，我們加入線粒體分裂抑制劑Mdivi-1對原代心肌細(xì)胞進(jìn)行預(yù)處理3 h，然后換高糖培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)72 h。通過量效實(shí)驗(yàn)顯示，Mdivi-1干預(yù)濃度為1 μmol/L、3 μmol/L、5 μmol/L和10 μmol/L均可以顯著逆轉(zhuǎn)高糖誘導(dǎo)的ANP表達(dá)水平增加，據(jù)此本項(xiàng)工作后續(xù)研究Mdivi-1的作用機(jī)制采用的干預(yù)濃度為10 μmol/L。已有研究表明，Mdivi-1是線粒體分裂的特異性阻斷劑，通過抑制Drp1的GTP酶活性抑制線粒體分裂[19]，而Drp1活性增加主要與Ser616位點(diǎn)磷酸化增加，Ser637位點(diǎn)磷酸化水平降低有關(guān)[20]。因此為了驗(yàn)證線粒體分裂增加促進(jìn)高糖誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大這一假說，需首先明確本研究中Mdivi-1抑制線粒體分裂的內(nèi)在機(jī)制，研究結(jié)果明確了Mdivi-1阻斷高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大的內(nèi)在機(jī)制是通過降低Drp1在Ser616位點(diǎn)磷酸化水平同時(shí)促進(jìn)Ser637位點(diǎn)的磷酸化，抑制其GTP酶活性，從而降低線粒體分裂，最終緩解高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大，進(jìn)一步證明了高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大與線粒體分裂增加密切相關(guān)。

綜上所述，本研究通過原代分離培養(yǎng)乳大鼠心肌細(xì)胞，建立高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大模型，在細(xì)胞和蛋白分子水平上，證實(shí)了高糖誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大的機(jī)制，與Drp1在Ser616位點(diǎn)磷酸化水平升高、Ser637位點(diǎn)磷酸化水平降低導(dǎo)致的線粒體分裂增加有關(guān)。