沈 杰,查 倩,高向東,陳 松
(中國藥科大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院江蘇省生物藥物成藥性研究重點實驗室,南京211198)
線粒體是細胞內(nèi)有氧呼吸的主要場所,參與了細胞代謝、信號傳導(dǎo)、氧化應(yīng)激等多種重要胞內(nèi)活動[1-2]。呼吸鏈在線粒體中發(fā)揮著重要作用,線粒體復(fù)合體Ⅰ是呼吸鏈中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、包含亞基最多的多蛋白復(fù)合體,由45種細胞核和線粒體基因編碼的蛋白裝配而成,相對分子質(zhì)量約1 000 kD[3-4],它能夠?qū)ADH中的電子通過黃素單核苷酸傳遞給輔酶Q,并將質(zhì)子傳遞出線粒體內(nèi)膜進而產(chǎn)生能量[5-6],為生命體的生命活動提供必要的能量,參與調(diào)控細胞生長、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細胞凋亡等生命活動,在細胞能量代謝中發(fā)揮著重要作用[7-8]。
NDUFS7(NADH dehydrogenase(ubiquinone)Fe-S protein 7)是由細胞核內(nèi)基因編碼,人類NDUFS7基因定位于19號染色體,編碼的蛋白質(zhì)參與構(gòu)成線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ,相對分子質(zhì)量約為20 kD,是復(fù)合體Ⅰ疏水亞基的重要組成部分[9-11]。線粒體復(fù)合體Ⅰ功能障礙可導(dǎo)致細胞功能發(fā)生障礙并退化凋亡,多種神經(jīng)毒素例如MPTP和魚藤酮等已經(jīng)被證明能夠抑制線粒體復(fù)合體Ⅰ的活性從而導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元的退化[12-13],線粒體功能發(fā)生障礙時,可能誘發(fā)細胞內(nèi)線粒體膜電位水平異常從而導(dǎo)致細胞死亡。此外有研究證明神經(jīng)退行性疾病也與復(fù)合體Ⅰ中亞基突變有著密切聯(lián)系[11,14]。NDUFS7 基因作為線粒體復(fù)合體Ⅰ的重要組成部分,其突變可能導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元的退化。課題組前期基于線蟲模型發(fā)現(xiàn)了線粒體復(fù)合體Ⅰ亞基NDUFS7(線蟲NDUF7同源)突變導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元退化[15],但其對于人源多巴胺能神經(jīng)細胞的影響仍需進一步驗證。
本研究通過構(gòu)建pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒,轉(zhuǎn)染分化后SH-SY5Y細胞,考察轉(zhuǎn)染NDUFS7基因突變質(zhì)粒對多巴胺能神經(jīng)細胞活力、凋亡情況以及細胞內(nèi)Bax、Bcl-2蛋白表達量的影響,同時采用抗氧化劑進行干預(yù),明確轉(zhuǎn)染NDUFS7基因突變質(zhì)粒后可能通過影響線粒體正常功能導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)細胞凋亡。
DMEM高糖培養(yǎng)基、胎牛血清(美國Gibco公司);DNA Marker(日本 TaKaRa公司);Lipofectamine 3000轉(zhuǎn)染試劑、蛋白預(yù)染Marker、蛋白酶和磷酸酶抑制劑(美國Thermo公司);Bax、Bcl-2抗體、HRP標記的山羊抗兔IgG(美國Cell Signaling Technology公司);β-actin抗體(中國Abclonal公司);胰蛋白酶(美國Sigma公司);MTT、氨芐青霉素、鏈霉素、牛血清白蛋白(中國Biosharp公司);PVDF膜、ECL試劑盒(美國Millipore公司);BCA蛋白濃度檢測試劑盒、RIPA細胞裂解液、一抗稀釋液、Annexin V-FITC/PI雙染細胞凋亡檢測試劑盒、線粒體膜電位檢測試劑盒、Hoechst 33342、碘化丙啶(propidium iodide,PI)(中國碧云天生物技術(shù)研究所);其他試劑均為市售分析純。
高速冷凍離心機、全波長酶標儀、NanoDrop 2000C超微量分光光度計(美國Thermo公司);倒置相差顯微鏡、倒置熒光顯微鏡(日本Olympus公司);TDZ5-WS臺式離心機(湘儀離心機儀器有限公司);電泳儀、轉(zhuǎn)膜儀(美國Bio-Rad公司);化學(xué)發(fā)光成像系統(tǒng)(上海天能科技有限公司);流式細胞儀(美國Becton-Dickinson公司)。
TOP10菌株、神經(jīng)母細胞瘤細胞SH-SY5Y細胞株購自美國菌種保藏中心(ATCC)。
SH-SY5Y細胞于含10%胎牛血清,1×105IU/L氨芐青霉素,100 mg/L鏈霉素的DMEM高糖培養(yǎng)基中,含5%CO2的細胞培養(yǎng)箱中37℃培養(yǎng)。3 d后,取生長狀態(tài)良好的細胞按1∶3進行傳代,于含有終濃度為10 μmol/L反式維甲酸的DMEM高糖培養(yǎng)基中分化,連續(xù)分化6 d,每2 d換液一次,第7天進行后續(xù)實驗。
將人源NDUFS7基因208位谷氨酰胺密碼子突變?yōu)榻K止密碼子,與pcDNA3.1(+)質(zhì)粒連接構(gòu)建pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒,轉(zhuǎn)化至TOP10菌株中,使用LB培養(yǎng)基對含有突變基因質(zhì)粒的TOP10菌株進行擴增,接種于含100 mg/L氨芐青霉素的LB平板上,37℃培養(yǎng)過夜,挑取陽性單克隆,于LB液體培養(yǎng)基中擴增并制成甘油菌保存。
將含有pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP質(zhì)粒的TOP10菌株接種于LB液體培養(yǎng)基中,37℃培養(yǎng)至A為2.0~3.0,使用無內(nèi)毒素質(zhì)粒小提中量試劑盒提取質(zhì)粒。使用EcoRⅠ、XbaⅠ對質(zhì)粒進行雙酶切后制樣,取樣品溶液10 μL于1.0%瓊脂糖凝膠中上樣,90 V,30 min電泳,凝膠成像儀成像并拍照。
實驗分為空白對照組、pcDNA3.1(+)對照組、pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒轉(zhuǎn)染組。收集生長狀態(tài)良好的分化后SH-SY5Y細胞,以每毫升5×104個細胞的密度接種于96孔板中,每孔100 μL,在含5%CO2細胞培養(yǎng)箱中37℃培養(yǎng)過夜。待細胞匯合度達到80%左右,更換無血清opti-MEM培養(yǎng)基,2 h后進行細胞轉(zhuǎn)染。按每孔Lipofectamine 3000 0.15 μL、P3000 0.2 μL、DNA 0.1 μg進行 pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP質(zhì)粒的轉(zhuǎn)染,共同孵育5 h后將培養(yǎng)基換為含1%胎牛血清的DMEM高糖培養(yǎng)基。培養(yǎng)48 h后,MTT法檢測各實驗組細胞活力:每孔加入MTT溶液10 μL,于含5%CO2細胞培養(yǎng)箱中37℃孵育4 h后吸出上清液,加入DMSO 150 μL并置于酶標板振蕩器上500 r/min振蕩10 min,以570 nm檢測波長,630 nm參比波長于酶標儀中檢測各孔吸收度。
實驗分組同“2.4”項。收集生長狀態(tài)良好的分化后SH-SY5Y細胞,以每毫升5×104個細胞的密度接種于6孔板中,每孔1 000 μL,在含5%CO2的細胞培養(yǎng)箱中37℃培養(yǎng)過夜。待細胞匯合度達到80%左右,更換無血清opti-MEM培養(yǎng)基,2 h后進行細胞轉(zhuǎn)染。每孔Lipofectamine 3000 3.75 μL、P3000 5 μL、DNA 2.5 μg 進 行 pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP質(zhì)粒的轉(zhuǎn)染,共同孵育5 h后將培養(yǎng)基換為含1%胎牛血清的DMEM高糖培養(yǎng)基。培養(yǎng)48 h后,AnnexinⅤ-FITC/PI雙染結(jié)合流式細胞術(shù)檢測各實驗組中細胞凋亡情況。具體步驟為:將細胞培養(yǎng)液吸至EP管中,PBS洗滌細胞一次,加入適量0.25%胰酶消化液消化細胞,室溫孵育1 min;加入收集的細胞培養(yǎng)液,把細胞輕輕吹打下來,轉(zhuǎn)移至EP管中,1 500 r/min離心5 min,棄上清液,收集細胞,用PBS輕輕重懸細胞并計數(shù);取10萬個重懸細胞,1 500 r/min離心5 min,棄上清液,加入Annexin V-FITC結(jié)合液195 μL重懸細胞;加入Annexin V-FITC溶液5 μL混勻,再加入PI溶液10 μL混勻;室溫避光孵育20 min,置于冰浴中,流式細胞儀檢測各組細胞熒光值。
實驗分組同“2.4”項。按照“2.5”項中的實驗方法進行分化后SH-SY5Y細胞鋪板和pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒的轉(zhuǎn)染。培養(yǎng)48 h后,提取細胞內(nèi)總蛋白,Western blot檢測各實驗組中Bax、Bcl-2蛋白水平變化。具體步驟為:PBS洗滌細胞3次后置于冰上,每孔中加入RIPA細胞裂解液(按1∶100加入蛋白酶、磷酸酶抑制劑混合液)100 μL;使用細胞刮刀將細胞刮下并轉(zhuǎn)移至EP管中,置于冰上保存;使用渦旋儀充分振蕩裂解,每3 min 1次,共30 min;置于高速冷凍離心機中,4℃、12 000 r/min離心10 min收集上清液即為細胞內(nèi)蛋白溶液。制樣后進行SDS-PAGE電泳,使用半干法將蛋白轉(zhuǎn)印至PVDF膜上,3%脫脂奶粉封閉1 h,TBST洗滌3次,每次10 min;一抗4 ℃孵育過夜,TBST洗滌5次,每次5 min;二抗室溫孵育2 h,TBST洗滌5次,每次5 min,ECL顯色成像并拍照。
實驗分為空白對照組、pcDNA3.1(+)對照組、pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒轉(zhuǎn)染組、pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP+Trolox轉(zhuǎn)染后給藥干預(yù)組。按照“2.5”項下方法進行細胞鋪板和突變質(zhì)粒轉(zhuǎn)染并在換液時使用終濃度為10 μmol/L的抗氧化劑Trolox進行給藥干預(yù)。細胞培養(yǎng)48 h后,JC-1探針檢測各實驗組中細胞內(nèi)線粒體膜電位水平變化情況。具體步驟為:取適量JC-1(200×)探針,按每50 μL 探針加入超純水8 mL的比例進行稀釋,劇烈渦旋使之混勻,再加入JC-1染色緩沖液(5×)2 mL充分混勻;吸去細胞培養(yǎng)液,使用PBS洗滌1次,每孔加入細胞培養(yǎng)基1 mL,再加入JC-1染色工作液1 mL,充分混勻,于37℃細胞培養(yǎng)箱中孵育20 min;吸去JC-1染色工作液,使用JC-1染色緩沖液(1×)洗滌2次,每孔加入無血清培養(yǎng)基2 mL,使用倒置熒光顯微鏡進行觀察拍照。
實驗分組同“2.7”項。按照“2.5”項下方法進行細胞鋪板和突變質(zhì)粒轉(zhuǎn)染并在換液時使用終濃度為10 μmol/L抗氧化劑Trolox進行給藥干預(yù)。細胞培養(yǎng)48 h后,PI/Hoechst雙染進一步檢測各實驗組中細胞凋亡情況。具體步驟為:棄去6孔板中培養(yǎng)基,使用PBS洗滌細胞2次,每孔加入含有終濃度為7 mmol/L Hoechst 33342的DMEM高糖培養(yǎng)基1 000 μL于37℃培養(yǎng)箱中孵育25 min;PBS洗滌細胞2次,每孔加入含有終濃度為2 mmol/L PI的DMEM高糖培養(yǎng)基1 000 μL,室溫下避光孵育15 min;染色完成后,PBS洗滌3次,熒光顯微鏡觀察并拍照。
實驗數(shù)據(jù)采用GraphPad Prism 8.0統(tǒng)計軟件進行處理,各項指標以xˉ±s表示,來源于至少3次獨立實驗,以O(shè)ne-way ANOVA檢驗進行組間比較,P<0.05時表明差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
構(gòu)建pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒,采用EcoRⅠ、XbaⅠ雙酶切,瓊脂糖凝膠電泳驗證質(zhì)粒正確性。結(jié)果如圖1所示,條帶2中出現(xiàn)大小約為650 bp(NDUFS7突變基因條帶)和5 400 bp的兩個條帶,說明質(zhì)粒構(gòu)建基本正確。進一步測序驗證,結(jié)果與預(yù)期構(gòu)建的序列完全一致,表明已成功構(gòu)建pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒。
Figure 1 Plasmid profile(A)and the agarose gel electrophoresis of enzyme digested plasmids(B)Line M:Marker;Line 1:pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP;Line 2:pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP digested by EcoR I and Xba I
轉(zhuǎn)染pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒48 h后,MTT法檢測各實驗組神經(jīng)細胞活力。結(jié)果如圖2所示,與轉(zhuǎn)染pcDNA3.1(+)實驗組相比,轉(zhuǎn)染突變質(zhì)粒實驗組細胞活力顯著降低,說明轉(zhuǎn)染NDUFS7突變質(zhì)粒會導(dǎo)致分化后SH-SY5Y細胞活力下降。
轉(zhuǎn)染pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒48 h后,采用AnnexinⅤ-FITC/PI雙染結(jié)合流式細胞術(shù)檢測各實驗組細胞凋亡水平的變化。結(jié)果如圖3所示,與轉(zhuǎn)染pcDNA3.1(+)實驗組相比,轉(zhuǎn)染突變質(zhì)粒實驗組神經(jīng)細胞凋亡比例顯著上升,說明轉(zhuǎn)染NDUFS7基因突變質(zhì)粒能夠?qū)е露喟桶纺苌窠?jīng)細胞的凋亡。
Figure 2 Cell viability after transfection with pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP mutant plasmid in differentiated SH-SY5Y cells was analyzed by the MTT assay(-x±s,n=10)
轉(zhuǎn)染pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒48 h后,采用Western blot檢測各實驗組細胞內(nèi)Bax、Bcl-2表達量的變化。結(jié)果如圖4所示,與對照組相比,轉(zhuǎn)染突變質(zhì)粒后,分化后SH-SY5Y細胞中促凋亡蛋白Bax表達量和抑凋亡蛋白Bcl-2表達量的比值顯著上升,說明轉(zhuǎn)染NDUFS7基因突變質(zhì)粒后可以通過誘導(dǎo)多巴胺能神經(jīng)細胞中凋亡相關(guān)蛋白Bax/Bcl-2的改變,對多巴胺能神經(jīng)細胞的凋亡起到促進作用。
Figure 3 The cell apoptosis level after transfection with pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP mutant plasmid in differentiated SH-SY5Y cells for 48 h(-x±s,n=3)A:Analysis of the proportion of apoptotic cells in differentiated SH-SY5Y cells by flow cytometry;B:Quantification of apoptotic cell proportion
Figure 4 Effects of transfection with pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP mutant plasmid on the levels of Bax and Bcl-2 in differentiated SH-SY5Y cells(-x±s,n=3)A:Detection of Bax and Bcl-2 by Western blot;B:Quantitative analysis of Bax/Bcl-2
轉(zhuǎn)染pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒并在換液時使用終濃度為10 μmol/L的Trolox進行給藥干預(yù),孵育48 h后,采用JC-1探針檢測分化后SH-SY5Y細胞內(nèi)線粒體膜電位水平。結(jié)果如圖5所示,與對照組相比,轉(zhuǎn)染pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒后綠色熒光增強,說明細胞內(nèi)線粒體膜電位降低,而抗氧化劑Trolox給藥干預(yù)后,出現(xiàn)較強的紅色熒光,說明Trolox可緩解轉(zhuǎn)染突變質(zhì)粒導(dǎo)致的細胞內(nèi)線粒體膜電位異常。結(jié)果表明NDUFS7突變質(zhì)粒導(dǎo)致的神經(jīng)細胞異??杀豢寡趸瘎㏕rolox緩解。
Figure 5 Effects of Trolox and transfection with pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP mutant plasmid on the mitochondrial membrane potential in differentiated SH-SY5Y cells
轉(zhuǎn)染pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒并在換液時使用Trolox進行給藥干預(yù),孵育48 h后,采用PI/Hoechst雙染法檢測各組細胞凋亡情況并使用熒光顯微鏡觀察進行拍照。結(jié)果如圖6所示,與空白對照組相比,轉(zhuǎn)染突變質(zhì)粒后凋亡細胞數(shù)量明顯增多,而使用Trolox給藥干預(yù)后凋亡細胞數(shù)量顯著降低,說明抗氧化劑Trolox能夠改善轉(zhuǎn)染突變質(zhì)粒后導(dǎo)致的多巴胺能神經(jīng)細胞凋亡。
Figure 6 Effects of Trolox and transfection with pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP mutant plasmid on apoptosis in differentiated SH-SY5Y cells Scar bar:200 μm
多巴胺能神經(jīng)元是以多巴胺作為神經(jīng)遞質(zhì)的神經(jīng)元,人類大腦中約有40萬個多巴胺能神經(jīng)元。多巴胺能神經(jīng)元參與調(diào)節(jié)機體對環(huán)境的反應(yīng),對機體運動能力、認知能力都發(fā)揮著重要作用[16]。多巴胺能神經(jīng)元與大腦學(xué)習能力密不可分[17],而且多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展與多巴胺能神經(jīng)元之間有著密切的聯(lián)系[18-19],其中帕金森病的主要病理特征即為中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元損傷導(dǎo)致的紋狀體多巴胺嚴重缺失[20]。線粒體功能障礙是多巴胺能神經(jīng)元退化凋亡的重要原因之一,與線粒體功能相關(guān)的多個蛋白(如LRRK2、ATP13A2等)與帕金森病有著顯著的關(guān)聯(lián)[21]。線粒體復(fù)合體Ⅰ是線粒體呼吸鏈的關(guān)鍵成分之一,復(fù)合體Ⅰ中亞基的突變與PD、Leigh綜合征等神經(jīng)退行性疾病有著密切聯(lián)系[22]。例如Leigh綜合征與線粒體復(fù)合體Ⅰ中23個基因的突變有關(guān),包括NDUFS1、NDUFS2、NDUFS8等[23]。本課題組前期報道了線蟲中NDUF7基因突變能夠引起多巴胺能神經(jīng)元特異性退化[15],進一步于本研究中證明了在哺乳動物細胞中NDUFS7(線蟲NDUF7同源)基因突變與多巴胺能神經(jīng)元凋亡之間的聯(lián)系,并且揭示突變型NDUFS7質(zhì)??赡苁峭ㄟ^誘導(dǎo)神經(jīng)細胞線粒體功能異常進而促進細胞凋亡。
本研究設(shè)計并構(gòu)建pcDNA3.1(+)-NDUFS7 Q208STOP突變質(zhì)粒,轉(zhuǎn)染分化后SH-SY5Y細胞,進而影響線粒體復(fù)合體Ⅰ的正常功能,證明了哺乳動物多巴胺能神經(jīng)細胞內(nèi)轉(zhuǎn)染NDUFS7基因突變質(zhì)粒后能夠?qū)е录毎蛲?。同時,本研究揭示了抗氧化劑給藥干預(yù)后能夠改善轉(zhuǎn)染突變質(zhì)粒導(dǎo)致的神經(jīng)細胞線粒體膜電位異常,從而降低細胞凋亡水平。以上實驗結(jié)果說明轉(zhuǎn)染NDUFS7基因突變質(zhì)粒后,通過引起細胞內(nèi)線粒體功能異常導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元凋亡,證明了突變型NDUFS7質(zhì)粒導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元凋亡的作用及機制,為與多巴胺能神經(jīng)元退化凋亡相關(guān)的疾病和藥物研究提供新的思路和理論依據(jù)。