辛寧寧,張?jiān)魄?,李二樂,拓慶銀,賀 晶*
(1.咸陽師范學(xué)院校醫(yī)院,陜西 咸陽 712000;2.延安大學(xué)附屬醫(yī)院,陜西 延安 716000;3.延安市人民醫(yī)院,陜西 延安 716000)
神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)是具有多潛能和自我更新特性的細(xì)胞,它們存在于哺乳動(dòng)物的發(fā)育期和成年期的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)內(nèi)[1-3]。這些祖細(xì)胞能夠從胚胎和成年腦中分離,在有絲分裂原例如表皮生長因子(EGF)[4]和基本的成纖維生長因子(bFGF)[5]時(shí)體外培養(yǎng)擴(kuò)增為神經(jīng)球。這些細(xì)胞具有分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞三種不同神經(jīng)細(xì)胞的潛能。近十年來,神經(jīng)干細(xì)胞已經(jīng)被研究用來治療CNS疾病,神經(jīng)干細(xì)胞治療已經(jīng)被廣泛認(rèn)為能改善腦缺血、神經(jīng)損傷和神經(jīng)變性紊亂疾病后的神經(jīng)功能[6]。然而,這些過程的分子機(jī)制仍然不清楚。因此,研究調(diào)控NSCs增殖過程的分子機(jī)制具有非常重要的臨床價(jià)值。
谷氨酸是CNS中的一個(gè)主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì),它可能與神經(jīng)發(fā)生相關(guān)[7]。腦損傷涉及谷氨酸興奮性中毒,例如腦缺血和癲癇,但是它們也能刺激神經(jīng)發(fā)生。谷氨酸受體信號(hào)可能調(diào)控腦損傷后的神經(jīng)發(fā)生。代謝型谷氨酸受體(mGluRs)包括mGluR1-8,屬于G蛋白偶聯(lián)受體家族,可能調(diào)控人大腦神經(jīng)干細(xì)胞的增殖[8]。在本研究中,旨在探究mGluR7對(duì)體外培養(yǎng)的人胚胎NSCs增殖的影響及其分子機(jī)制。
人胚胎由延安大學(xué)附屬醫(yī)院婦產(chǎn)科提供,實(shí)驗(yàn)標(biāo)本選取均通過患者及家屬同意,并簽署知情同意書,并均遵循延安大學(xué)倫理委員會(huì)規(guī)定。
mGluR7抗體購置于美國Santa Cruz Biotechnology公司,β-actin抗體購置于美國santa公司,山羊抗血清購置于北京中杉金橋公司。各類限制性內(nèi)切酶、T4 DNA連接酶、逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(Prime Script3? RT)和SYBR?均購買自TaKaRa公司,質(zhì)粒抽提及凝膠回收試劑盒購買自Qiagen公司,10×annealing Buffer、蛋白裂解液(Radio Immunoprecipitation Assay,RIPA)和SDS-PAGE凝膠配制試劑盒購自碧云天公司,脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染試劑轉(zhuǎn)染試劑LipofectamineTM2000和TRIzol購自Invitrogen公司,雙螢光素酶報(bào)告基因檢測(cè)試劑盒購自Promega公司,MTT購自Sigma公司,蛋白發(fā)光液和PVDF膜購自Millipore公司,其他試劑均為國產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>
1.2.1 人胚胎腦皮質(zhì)NSCs的分離和培養(yǎng) 取12~16 w人流產(chǎn)胚胎,取回后立即置于4℃生理鹽水,無菌條件下并在冰上操作,分離大腦皮質(zhì),DMEM/F12基礎(chǔ)培養(yǎng)基洗滌2次,PBS洗滌1次。將游離好的大腦皮質(zhì)移入含有1~2滴PBS的小燒杯中,用火焰拋光的巴氏滴管吹打100~150次,使皮質(zhì)腦組織分散為單細(xì)胞懸液,用200目篩網(wǎng)濾除組織塊,將收獲的細(xì)胞懸液移入離心管中,800 rpm離心8 min,棄去上清,用基礎(chǔ)培養(yǎng)基洗滌細(xì)胞2次,再加入3 mL完全培養(yǎng)基重懸細(xì)胞,完全培養(yǎng)基為在DMEM/F12基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入10 ng/mL bFGF,20 ng/mL人EGF,1×N2 supplement,1×B27 supplement,100 U/mL青霉素,100 U/mL鏈霉素,0.4 U/mL肝素。血細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)細(xì)胞密度,0.4%臺(tái)盼蘭染色,調(diào)整細(xì)胞密度約為2×105/mL,4 mL/瓶種入T50培養(yǎng)瓶中,放入條件在37℃、5%CO2孵箱中培養(yǎng),次日每瓶細(xì)胞補(bǔ)充完全培養(yǎng)基1 mL,此后隔日半量換液一次。培養(yǎng)5~7 d后進(jìn)行傳代培養(yǎng)。每種測(cè)定至少進(jìn)行三次獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)。
1.2.2 mGluR7siRNA合成及轉(zhuǎn)染 mGluR7siRNA序列:Human mGluR7 siRNA (sense 5′-GAAGACACAGAAAGGAACUTT-3′,antisense 5′-AGUUCCUUUCUGUGUCUUCTT-3′) negative siRNA (NC-siRNA,sense 5′-UUCUCCGAACGUGUCACGUTT-3′,antisense 5′-ACGUGACACGUUCGGAGAATT-3′)序列由上海吉瑪公司合成。在轉(zhuǎn)染siRNA前,將相應(yīng)劑量的DMEM/F12基礎(chǔ)培養(yǎng)基與Lipofectamine2000混合,并在室溫下孵育5 min,再將相應(yīng)劑量的基礎(chǔ)培養(yǎng)液與siRNA混合,然后,室溫下孵育5 min。將前兩步混合液進(jìn)一步混合,室溫條件下孵育15 min。將siRNA- Lipofectamine2000混合物加入培養(yǎng)板,進(jìn)行轉(zhuǎn)染,繼續(xù)培養(yǎng)至收獲時(shí)間。
1.2.3 mGluR7表達(dá)載體的構(gòu)建 pCMV2-GV146-GFP-mGluR7表達(dá)載體交由上海生工生物工程有限公司構(gòu)建,pCMV2-GV146-GFP-mGluR7載體的轉(zhuǎn)染:96孔板,細(xì)胞數(shù)量0.5~1.2×104,DNA 0.2 μg,TurboFectTM 0.4 μL;6孔板,細(xì)胞數(shù)量0.8~2.4×105,DNA 4 μg,TurboFectTM6 μL。在細(xì)胞接種一天后進(jìn)行轉(zhuǎn)染。
1.2.4 實(shí)時(shí)熒光定量PCR驗(yàn)證mGluR7在人胚胎NSCs中的表達(dá) 將傳1代的NSCs按照200,000/孔種入6孔板中,設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)熒光定量PCR引物,mGluR7-F:5′-CTGTTGGAGAGAGCGAGCAG-3′,mGluR7-R:5′-CAGAGAGGGTGAGGGGTCC-3′,選取β-actin作為內(nèi)參,β-Actin-F:5′-TGGCACC CAGCACAATGAA-3′,β-Actin-R:5′-CTAAGTCATAGTCCGCCTAGAAGCA-3′。使用SYBR Premix Ex TaqTMⅡ進(jìn)行反應(yīng),條件為:95℃,1 min預(yù)變性,95℃變性10 s,60℃退火,延伸40 s,重復(fù)40個(gè)循環(huán),采用2-ΔΔCt的方法計(jì)算mGluR7的表達(dá)量。
1.2.5 MTT實(shí)驗(yàn)分析mGluR7對(duì)人胚胎NSCs細(xì)胞活力的影響 將傳1代的NSCs按照20,000/孔種入96孔孔板中,且每孔為200 μL的單細(xì)胞懸液,常規(guī)培養(yǎng)48 h,后給予藥物干預(yù)。實(shí)驗(yàn)分組:正常對(duì)照組、陰性對(duì)照組、siRNA(25和50 nM)組、拮抗劑MPEP(1,10和100 μM)組、激動(dòng)劑DHPG(2,20和200 μM)組。各組3個(gè)復(fù)孔,分別于轉(zhuǎn)染后24 h,48 h和72h檢測(cè)人胚胎NSCs細(xì)胞的增殖活性。
1.2.6 神經(jīng)球直徑測(cè)量實(shí)驗(yàn) 將傳1代的NSCs按照20,000/孔種入96孔孔板中,且每孔為200 μL的單細(xì)胞懸液,放入37℃,在5%CO2孵箱中培養(yǎng)48 h后給予藥物干預(yù)。實(shí)驗(yàn)分組:正常對(duì)照組、陰性對(duì)照組、siRNA(25和50 nM)組、MPEP(1,10和100 μM)組、DHPG(2,20和200 μM)組。分別于轉(zhuǎn)染后24 h,48 h和72 h利用Image-Pro Express(IPP)圖像分析軟件并照相,從而分析比較各組神經(jīng)球直徑的變化。
1.2.7 應(yīng)用流式細(xì)胞術(shù)分析mGluR7對(duì)人NSCs細(xì)胞周期的影響 將傳1代的NSCs按照200,000/孔種入6孔板中,每孔為2 mL的單細(xì)胞懸液,正常培養(yǎng)48 h后加藥物干預(yù)。實(shí)驗(yàn)分組:正常對(duì)照組、陰性對(duì)照組、siRNA(50 nM)組、MPEP(100 μM)組、DHPG(200 μM)組,加入藥物后繼續(xù)培養(yǎng)。24 h后,收集各組單細(xì)胞懸液,PI染色,流式細(xì)胞術(shù)分析mGluR7對(duì)人NSCs細(xì)胞周期的影響。
1.2.8 應(yīng)用流式細(xì)胞術(shù)分析mGluR7對(duì)人NSCs細(xì)胞凋亡的影響 細(xì)胞培養(yǎng)及分組同上,最后加入400 μL的1×binding buffer,反復(fù)混勻重懸細(xì)胞,再加5 μL Annexin V-FITC,于4°C避光染色15 min。最后加入10 μL PI染液,避光4°C染色5 min,采用流式細(xì)胞儀上機(jī)檢測(cè),分析mGluR7對(duì)人NSCs細(xì)胞凋亡的影響。
數(shù)據(jù)均以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤表示,應(yīng)用SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),以P<0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
圖1為人NSCs培養(yǎng)7d形成的神經(jīng)球。將傳一代的NSCs分散為單細(xì)胞懸液,種植96孔板中,培養(yǎng)7 d,NSCs可形成克隆,表明其具有自我更新能力,說明成功分離并培養(yǎng)了人胚胎腦皮質(zhì)NSCs。
圖1 原代培養(yǎng)7 d的人胚胎大腦皮質(zhì)NSCs(Scale bars=50 μm)
為了進(jìn)一步研究mGluR7對(duì)人胚胎NSCs的作用,構(gòu)建了mGluR7表達(dá)載體和mGluR7siRNA,并分別將其轉(zhuǎn)染到人胚胎NSCs細(xì)胞中,使用qRT-PCR和Western Blot方法檢測(cè)mGluR7在mRNA和蛋白水平的表達(dá),結(jié)果發(fā)現(xiàn)與轉(zhuǎn)染Control質(zhì)粒相比,轉(zhuǎn)染mGluR7表達(dá)載體的細(xì)胞中mGluR7mRNA與蛋白水平的表達(dá)均顯著上調(diào)。轉(zhuǎn)染mGluR7siRNA后的細(xì)胞中mGluR7mRNA與蛋白水平的表達(dá)均顯著下調(diào),差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(見圖2,P<0.01)
圖2 在人NSCs中過表達(dá)或沉默mGluR7后其表達(dá)變化
注:A:mGluR7在mRNA表達(dá)水平變化;B:mGluR7在蛋白表達(dá)水平變化。*與NC-siRNA(陰性對(duì)照)組比較P<0.01,#與Control(空載體)組比較P<0.01n=3。
應(yīng)用MTT比色分析法,初步分析了mGluR7對(duì)人NSCs增殖的影響。與對(duì)照組相比較,轉(zhuǎn)染mGluR7表達(dá)載體在分別處理24 h,48 h和72 h后均促進(jìn)NSCs增殖;而siRNA(50nM)在分別處理24 h,48 h和72 h后均抑制NSCs的增殖(P<0.01,見圖3)。同樣,轉(zhuǎn)染mGluR7表達(dá)載體在分別處理24 h,48 h和72 h后均促進(jìn)人神經(jīng)球增殖;而siRNA(50nM)在分別處理24 h,48 h和72 h后均抑制人神經(jīng)球的增殖(P<0.01,見圖4)。
圖3 mGluR7對(duì)人NSCs增殖的影響(MTT比色分析)
注:A:轉(zhuǎn)染mGluR7過表達(dá)載體24、48、72 h時(shí)促進(jìn)NSCs增殖;B:轉(zhuǎn)染mGluR7siRNA(60nM)24、48、72 h時(shí)抑制NSCs的增殖(NC-siRNA代表陰性對(duì)照)。*表示P<0.01,n=3。
圖4 mGluR7對(duì)人神經(jīng)球增殖的影響(神經(jīng)球直徑測(cè)量)
注:A:轉(zhuǎn)染mGluR7過表達(dá)載體24、48、72 h時(shí)促進(jìn)神經(jīng)球增殖;B:轉(zhuǎn)染mGluR7siRNA(60nM)24、48、72 h時(shí)抑制神經(jīng)球的增殖(NC-siRNA代表陰性對(duì)照)。*表示P<0.01,n=3。
將培養(yǎng)的神經(jīng)球用藥物處理24 h后,消化分散為單個(gè)細(xì)胞,應(yīng)用流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞周期。結(jié)果顯示,對(duì)3次結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,過表達(dá)mGluR7后,與對(duì)照組相比G1/G0期和細(xì)胞比率顯著下降,S期細(xì)胞比率顯著上升,mGluR7過表達(dá)促進(jìn)了細(xì)胞G1到S期轉(zhuǎn)化,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(見圖5與圖6,P<0.01)。mGluR7可能誘導(dǎo)更多細(xì)胞跨過G1/S期節(jié)點(diǎn),促進(jìn)NSCs的DNA復(fù)制和有絲分裂加快,NSCs的增殖數(shù)量增加。
圖5 流式細(xì)胞儀檢測(cè)人NSCs的Control組和mGluR7組周期圖譜
圖6 轉(zhuǎn)染mGluR7表達(dá)載體對(duì)人NSCs細(xì)胞周期的影響
注:*表示P<0.01,n=3。
將mGluR7干擾RNA及其NC-siRNA分別轉(zhuǎn)染至人NSCs細(xì)胞中,通過流式細(xì)胞術(shù)觀察mGluR7siRNA對(duì)細(xì)胞周期的影響。結(jié)果表明,與陰性對(duì)照組相比,轉(zhuǎn)染mGluR7siRNA組其G1/G0期細(xì)胞比率升高,S期細(xì)胞比率下降,這說明mGluR7siRNA將人NSCs細(xì)胞阻滯在G1/G0期(見圖7與圖8,P<0.01)。
圖7 流式細(xì)胞儀檢測(cè)人NSCs的NC-siRNA組和mGluR7siRNA組周期圖譜
圖8 轉(zhuǎn)染mGluR7siRNA對(duì)人NSCs周期的影響
注:*表示P<0.01,n=3。
應(yīng)用流式細(xì)胞術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)染mGluR7后的人NSCs進(jìn)行細(xì)胞凋亡的檢測(cè),轉(zhuǎn)染48 h后,對(duì)細(xì)胞進(jìn)行AnnexinV-FITC和PI處理,正常細(xì)胞為FIPC與PI雙陰性的細(xì)胞,在圖9中即為左下象限內(nèi)的細(xì)胞;而早期凋亡細(xì)胞為FIPC陽性,PI陰性的細(xì)胞,為圖9中右下象限內(nèi)的細(xì)胞;晚期凋亡細(xì)胞既能夠被FIPC標(biāo)記上,又能夠被PI標(biāo)記上,為FIPC與PI雙陽性,即右上象限內(nèi)的細(xì)胞。在對(duì)三次平行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,我們發(fā)現(xiàn)mGluR7過表達(dá)組與對(duì)照組相比,早凋晚凋均顯著下降,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(見圖10,P<0.01)。
圖9 流式細(xì)胞儀檢測(cè)人NSCs的Control組和
mGluR7組凋亡圖譜
圖10 轉(zhuǎn)染mGluR7表達(dá)載體對(duì)人NSCs凋亡的影響
注:*表示P<0.01,n=3。
將mGluR7siRNA和NC-siRNA轉(zhuǎn)染至人NSCs細(xì)胞中,并用流式細(xì)胞儀對(duì)凋亡進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)染mGluR7siRNA能夠顯著誘導(dǎo)人NSCs的早凋和晚凋(P<0.01,見圖11與圖12)。
圖11 流式細(xì)胞儀檢測(cè)人NSCs的NC-siRNA組和mGluR7siRNA組凋亡圖譜
圖12 轉(zhuǎn)染mGluR7siRNA對(duì)人NSCs凋亡的影響
注:*表示P<0.01,n=3。
神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)是存在于哺乳動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)內(nèi)具有自我更新及多潛能特性的細(xì)胞,可以在哺乳動(dòng)物胚胎和成年大腦中分離[9]。研究發(fā)現(xiàn),成年哺乳類CNS側(cè)腦室的室下區(qū)和海馬齒狀回的顆粒下區(qū)內(nèi)終生存在著神經(jīng)干細(xì)胞,正常情況下處于靜止的非活化狀態(tài)[10]。神經(jīng)損傷是臨床上最常見的嚴(yán)重危害人類健康的疾病之一,由于神經(jīng)元大量死亡和丟失,導(dǎo)致一系列的嚴(yán)重神經(jīng)功能障礙,尚無有效的治療方法,給社會(huì)及家庭帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。近年來,神經(jīng)干細(xì)胞的研究用為CNS疾病的治療帶來了曙光,神經(jīng)干細(xì)胞治療已經(jīng)被廣泛認(rèn)為能改善腦缺血、神經(jīng)損傷和神經(jīng)變性紊亂疾病后的神經(jīng)功能[11]。目前,人們逐漸的對(duì)關(guān)于信號(hào)因子調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和分化有了濃厚的興趣。據(jù)報(bào)道,神經(jīng)遞質(zhì)受體可能調(diào)控成人CNS的神經(jīng)發(fā)生[12]。谷氨酸是CNS中的一個(gè)主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì),它可能與神經(jīng)發(fā)生相關(guān)[13]。腦損傷涉及谷氨酸興奮性中毒,例如腦缺血和癲癇,但是它們也能刺激神經(jīng)發(fā)生[14]。谷氨酸受體信號(hào)可能調(diào)控腦損傷后的神經(jīng)發(fā)生。代謝型谷氨酸受體(mGluRs)屬于G蛋白藕聯(lián)受體家族,可能調(diào)控人大腦神經(jīng)干細(xì)胞的增殖。
本小組前期研究發(fā)現(xiàn),利用激動(dòng)劑激活mGluR7可以通過激活MAPKs信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來促進(jìn)體外培養(yǎng)的大鼠NSCs的存活、增殖和分化[15]。也有研究表明[16],mGluR7選擇性激動(dòng)劑AMN082能抑制疼痛引起的炎癥和切口痛引起的敏感性。這說明mGluR7在NSCs的增殖過程中扮演著非常重要的角色,可能通過影響多條信號(hào)通路發(fā)揮作用,因此有必要豐富mGluR7對(duì)人胚胎大腦NSCs增殖的影響。
siRNA是一個(gè)目前流行的基因敲除工具,它能通過對(duì)目的mRNA序列特異性降解來抑制基因表達(dá),在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們應(yīng)用siRNA干擾特異性的沉默mGluR7基因表達(dá)。為了證明mGluR7對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞增殖的影響,我們同時(shí)應(yīng)用了mGluR7過表達(dá)載體以及siRNA干擾技術(shù)處理人胚胎NSCs,分析其對(duì)細(xì)胞增殖的影響。研究發(fā)現(xiàn),mGluR7過表達(dá)載體能增加體外培養(yǎng)的人的NSCs的細(xì)胞活力和神經(jīng)球的大小。相反,mGluR7siRNA降低了NSCs的細(xì)胞活力和神經(jīng)球的大小。這些研究結(jié)果表明,mGluR7可促進(jìn)體外培養(yǎng)的人胚胎皮質(zhì)NSCs的增殖。
哺乳動(dòng)物細(xì)胞周期中的G1期是細(xì)胞對(duì)環(huán)境信號(hào)反應(yīng)從而決定細(xì)胞增殖、分化、衰老和存活命運(yùn)的唯一時(shí)期[17]。重要的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)子包括D型的Cyclins-Cdk4和Cdk6蛋白激酶復(fù)合體,它們支配通過細(xì)胞周期G1期的細(xì)胞進(jìn)程[18]。三種D型Cyclin(D1,D2和D3)的表達(dá)在細(xì)胞周期和不同的組織特異性部位上下波動(dòng),然而Cdk4和Cdk6在細(xì)胞周期中的表達(dá)是穩(wěn)定,這些表明不同的D型Cyclins的角色在調(diào)控細(xì)胞周期變更過程中是關(guān)鍵的因素[19]。CyclinD1和D2涉及神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。缺乏CyclinD1的老鼠顯示神經(jīng)發(fā)育異常和視網(wǎng)膜發(fā)育不全,而CyclinD2缺乏的動(dòng)物有小腦缺陷[20]。近來的研究表明CyclinD1在胚胎發(fā)育過程中調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的增殖是非常重要的,而CyclinD2在成年腦中調(diào)節(jié)神經(jīng)干細(xì)胞增殖時(shí)更為重要[21]。
在這個(gè)研究中,我們通過上調(diào)和沉默mGluR7的表達(dá)分析其對(duì)NSCs細(xì)胞周期的影響。結(jié)果顯示,過表達(dá)mGluR7后,與對(duì)照組相比G1/G0期和細(xì)胞比率顯著下降,S期細(xì)胞比率顯著上升,mGluR7過表達(dá)促進(jìn)了細(xì)胞G1到S期轉(zhuǎn)化,與之對(duì)應(yīng)的是,沉默mGluR7的表達(dá),G1/G0期細(xì)胞比率升高,S期細(xì)胞比率下降,mGluR7siRNA將人NSCs細(xì)胞阻滯在G1/G0期。這說明mGluR7可能誘導(dǎo)更多細(xì)胞跨過G1/S期節(jié)點(diǎn),驅(qū)使更多的細(xì)胞進(jìn)入S期,促進(jìn)NSCs的DNA復(fù)制和有絲分裂加快,NSCs的增殖數(shù)量增加,促進(jìn)NSCs增殖。