FMO3調(diào)節(jié)NEFA介導(dǎo)的犢牛原代肝細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激

鄧清華，宋景旭，劉婷，張焱，謝志鳳，劉國(guó)文,2*

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼028000；2.吉林大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春130062；3.吉林省松原市前郭縣醫(yī)院，吉林松原138000）

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（Endoplasmic reticulum，ER）是真核細(xì)胞中一種特殊的結(jié)構(gòu)，其形狀和結(jié)構(gòu)決定了該細(xì)胞器內(nèi)發(fā)生的生物功能。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)由一個(gè)復(fù)雜的膜系統(tǒng)組成，分泌蛋白和膜蛋白的合成、折疊和翻譯后修飾，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的，通過(guò)快速變化以滿足細(xì)胞對(duì)生理或病理刺激的需求[1]。不同來(lái)源和不同功能的細(xì)胞也表現(xiàn)出不同的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)[2]。然而，當(dāng)細(xì)胞受到低氧、營(yíng)養(yǎng)缺失、鈣離子紊亂、氧化應(yīng)激以及病毒感染等刺激時(shí)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能被破壞，導(dǎo)致錯(cuò)誤蛋白或未折疊的蛋白質(zhì)大量蓄積在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)，當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)難以承受高負(fù)荷的蛋白折疊時(shí)則引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（Endoplasmic reticulum stress，ERS）[3]。有研究表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可以引起脂代謝紊亂，增加脂合成，引發(fā)脂肪肝[4]。人類非酒精性脂肪肝?。∟onalcoholic fatty liver disease，NAFLD）是與肥胖密切相關(guān)的疾病。有很多研究指出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與NAFLD的發(fā)病有關(guān)[5-7]。圍產(chǎn)期奶牛脂質(zhì)代謝紊亂，常常發(fā)生肝脂沉積、酮病、胰島素抵抗等營(yíng)養(yǎng)代謝性疾病，這些代謝病都與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激密不可分。

含黃素單加氧酶（Flavin Containing Monooxy?genase，F(xiàn)MO）3是FMOs的一種亞型，主要在肝臟中表達(dá)，其廣泛分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中[8]。FMO3是近五年發(fā)現(xiàn)的與脂代謝、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等相關(guān)的調(diào)節(jié)因子[9]。由于奶牛特殊的代謝特征，它的代謝過(guò)程可能與人和鼠的不同，所以本實(shí)驗(yàn)以奶牛肝細(xì)胞為研究對(duì)象，通過(guò)添加NEFA誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，研究FMO3在調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激中的作用機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)動(dòng)物

1日齡健康荷斯坦?fàn)倥！?/p>

1.2 主要試劑

天根2×Taq PCR Mastermix；碧云天細(xì)胞裂解液（PMSF）；Takara DL2000 DNA Marker和逆轉(zhuǎn)錄試劑盒；Roche熒光定量試劑；FMO3和β-actin一抗均購(gòu)于CST，羊抗兔二抗購(gòu)于BOSTER；NEFA（配制方法：油酸4.35 mmol·L-1，亞油酸0.49 mmol·L-1，棕櫚酸3.19 mmol·L-1，硬脂酸1.44 mmol·L-1，棕櫚油酸0.53 mmol·L-1。113 mL 0.1 mol·L-1 KOH加熱至60℃，以上5種酸充分溶解后加入7.5 mL預(yù)熱至60℃的1 mol·L-1的HCl，充分混勻后加入67.8 mL預(yù)熱至60℃的五餾水，即配制成53.4 mmol·L-1的貯存液，放于-20℃冷藏備用）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1肝細(xì)胞的分離與培養(yǎng)

1日齡的禁食犢牛以無(wú)菌方法取出肝臟尾狀突。用兩步灌流法分離犢牛原代肝細(xì)胞[10]。分離后用貼壁培養(yǎng)基稀釋至5×105個(gè)細(xì)胞·mL-1，每孔2 mL接種至6孔細(xì)胞培養(yǎng)板，在37℃，5%CO2下進(jìn)行培養(yǎng)4 h后換基礎(chǔ)培養(yǎng)基。繼續(xù)培養(yǎng)72 h后進(jìn)行后續(xù)操作。

1.3.2腺病毒載體的構(gòu)建及感染肝細(xì)胞

根據(jù)GenBank中牛FMO3基因的編碼序列，構(gòu)建FMO3基因的低表達(dá)和過(guò)表達(dá)腺病毒載體，培養(yǎng)HEK293細(xì)胞進(jìn)行病毒的包裝、擴(kuò)增和純化，所得重組腺病毒測(cè)定其滴度，并達(dá)到109 PFU·mL-1開(kāi)始收集病毒。將體外分離的肝細(xì)胞貼壁培養(yǎng)72 h后用低表達(dá)、過(guò)表達(dá)和空腺病毒載體感染，每組6個(gè)重復(fù)孔，病毒感染復(fù)數(shù)（MOI）設(shè)為100[11]，繼續(xù)培養(yǎng)48 h后收集細(xì)胞保存于-80℃。

1.3.3 NEFA刺激犢牛原代肝細(xì)胞

添加NEFA（2.4 mmol·L-1），每組6個(gè)重復(fù)孔，刺激9 h后感染腺病毒。

1.3.4細(xì)胞分組

細(xì)胞總共分為7組，設(shè)空白對(duì)照組（Control）、低表達(dá)FMO3腺病毒載體組（LOW）、過(guò)表達(dá)FMO3組（OVER）、陰性對(duì)照組（NC，腺病毒空載體）、NEFA組（添加2.4 mmol·L-1 NEFA）、低表達(dá)FMO3腺病毒載體與NEFA混合添加組（NEFA+LOW）、過(guò)表達(dá)FMO3腺病毒載體與NEFA混合添加組（NE?FA+OVER）。

1.3.5實(shí)時(shí)熒光定量PCR

細(xì)胞感染48 h后用Trizol收集細(xì)胞，提取RNA，反轉(zhuǎn)錄成cDNA。根據(jù)Genbank中牛的FMO3、XBP-1s、ATF4、ATF6、P58IPK和β-actin基因序列，用primer5軟件設(shè)計(jì)引物，引物序列見(jiàn)表1。以β-actin為參照，用Step One Plus熒光定量PCR檢測(cè)FMO3、XBP-1s、ATF4、ATF6和P58IPK的mRNA相對(duì)表達(dá)量。

表1 qRT-PCR相關(guān)引物

1.3.6 western-blot

細(xì)胞感染48 h后收取各組細(xì)胞，用PBS清洗2次，棄掉液體。加入250μL裂解液，冰上裂解15 min，14 000 r·min-1離心15 min，取上清。用碧云天BCA蛋白定量試劑盒測(cè)定蛋白濃度，取40μg進(jìn)行蛋白免疫印跡試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 犢牛原代肝細(xì)胞感染重組腺病毒

如圖1所示，犢牛原代肝細(xì)胞感染FMO3低表達(dá)（見(jiàn)圖1A）和過(guò)表達(dá)（見(jiàn)圖1B）腺病毒載體后，綠色熒光蛋白的表達(dá)量可以達(dá)到70%左右。說(shuō)明重組腺病毒可以穩(wěn)定地在犢牛原代肝細(xì)胞中表達(dá)。

2.2 FMO3低表達(dá)和過(guò)表達(dá)腺病毒載體對(duì)犢牛原代肝細(xì)胞FMO3 mRNA和蛋白水平的影響

如圖2所示，與空白對(duì)照組相比，F(xiàn)MO3低表達(dá)腺病毒明顯降低了FMO3的mRNA和蛋白表達(dá)水平（P<0.01），而FMO3過(guò)表達(dá)腺病毒明顯增加了FMO3的mRNA和蛋白表達(dá)水平（P<0.01），陰性對(duì)照組（NC）與空白對(duì)照組相比沒(méi)有顯著差異（P>0.05）（見(jiàn)圖2）。

2.3 FMO3和NEFA對(duì)犢牛原代肝細(xì)胞XBP-1s、ATF4、ATF6和P58IPK mRNA水平的影響

如圖3所示，與空白對(duì)照組相比，NEFA能明顯增加奶牛肝細(xì)胞中XBP-1s的mRNA表達(dá)水平（P<0.01）；NC組與空白對(duì)照組相比無(wú)顯著差異（P>0.05）；NEFA+OVER組明顯高于空白對(duì)照組和NEFA組（P<0.01）；NEFA+LOW組明顯低于空白對(duì)照組和NEFA組（P<0.01）（見(jiàn)圖3A）。

圖1細(xì)胞感染FMO3腺病毒后熒光共聚焦結(jié)果（100×）

與空白對(duì)照組相比，NEFA能明顯增加奶牛肝細(xì)胞中ATF4的mRNA表達(dá)水平（P<0.01）；NC組與空白對(duì)照組相比無(wú)顯著差異（P>0.05）；NEFA+OVER組明顯高于空白對(duì)照組和NEFA組（P<0.01）；NEFA+LOW組明顯低于NEFA組（P<0.01）但是與空白對(duì)照組相比差異不顯著（P>0.05）（見(jiàn)圖3B）。

與空白對(duì)照組相比，NEFA能明顯增加奶牛肝細(xì)胞中ATF6的mRNA表達(dá)水平（P<0.01）；NC組與空白對(duì)照組相比無(wú)顯著差異（P>0.05）；NEFA+OVER組明顯高于空白對(duì)照組和NEFA組（P<0.01）；NEFA+LOW組明顯低于NEFA組（P<0.01）但是與空白對(duì)照組相比差異不顯著（P>0.05）（見(jiàn)圖3C）。

圖2 FMO3低表達(dá)和過(guò)表達(dá)對(duì)FMO3 mRNA和蛋白表達(dá)量的影響

圖3犢牛原代肝細(xì)胞感染低表達(dá)、過(guò)表達(dá)和空載體48 h后用qRT-PCR檢測(cè)XBP-1s，ATF4，ATF6和P58IPK的mRNA表達(dá)量

與空白對(duì)照組相比，NEFA能明顯增加奶牛肝細(xì)胞中P58IPK的mRNA表達(dá)水平（P<0.01）；NC組與空白對(duì)照組相比無(wú)顯著差異（P>0.05）；NEFA+OVER組明顯高于空白對(duì)照組和NEFA組（P<0.01）；NEFA+LOW組明顯低于NEFA組（P<0.01）但是與空白對(duì)照組相比差異不顯著（P>0.05）（見(jiàn)圖3D）。

3 討論

ER廣泛存在于真核細(xì)胞中，是細(xì)胞中最大的細(xì)胞器。ER在細(xì)胞中具有重要的作用，不僅是蛋白質(zhì)合成、折疊、加工及其質(zhì)量監(jiān)控的重要場(chǎng)所，還是鈣離子儲(chǔ)存的主要場(chǎng)所，同時(shí)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)還是脂質(zhì)代謝發(fā)生的主要場(chǎng)所[12]。為維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)平衡，在肌醇需求酶1（Inositol-requiring Enzyme 1，IRE1）、蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶（Protein kinase R-like Endoplasmic Reticulum Kinase，PERK）和激活轉(zhuǎn)錄因子6（Activating Transcription Factor 6，ATF6）三種相對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白的作用下，觸發(fā)了未折疊蛋白反應(yīng)（Unfolded Protein Response，UPR），激活了三種途徑[13]。作為對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的響應(yīng)，PERK的激活通過(guò)真核細(xì)胞翻譯起始因子2α（Eukaryotic translation initiation factor 2α，eIF2α）的磷酸化來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞蛋白質(zhì)的合成，轉(zhuǎn)錄因子ATF4優(yōu)先被翻譯[14]。IRE-1通過(guò)從X盒結(jié)合蛋白（X box-binding protein，XBP-1）mRNA剪接26個(gè)核苷酸觸發(fā)下游信號(hào)的變化，剪接的XBP1 mRNA編碼一種功能性轉(zhuǎn)錄因子，介導(dǎo)折疊機(jī)械和脂質(zhì)合成基因的誘導(dǎo)，這兩種基因都是正確的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)所必需的[15]。ERS狀態(tài)下，ATF6被切割并進(jìn)入細(xì)胞核，促進(jìn)ERS基因的轉(zhuǎn)錄。這些信號(hào)級(jí)聯(lián)的激活導(dǎo)致各種UPR靶基因的上調(diào)，以恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)[16]。在小鼠中，PERK、IRE1和ATF6的基因敲除揭示了這三個(gè)傳感器不僅對(duì)病理性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激而且對(duì)生理性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的特異性作用[17]。分子伴侶蛋白P58IPK是PERK的負(fù)調(diào)節(jié)因子，定位在ER管腔中[18]。缺少P58IPK的小鼠比野生型產(chǎn)仔弱，并且由于胰腺b細(xì)胞功能受損而患上糖尿病[19]。對(duì)缺乏P58IPK或ATF6的動(dòng)物研究表明，P58IPK的主要功能是保護(hù)ER的蛋白質(zhì)折疊能力，并增加了P58IPK可能在內(nèi)分泌胰腺以外的組織中發(fā)揮這一作用的可能性[20]。

FMO3主要分布于肝臟組織的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，本研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MO3過(guò)度表達(dá)腺病毒與NEFA混合添加能增加奶牛肝細(xì)胞中XBP-1、ATF4、ATF6和p58IPK的mRNA表達(dá)量，然而FMO3低表達(dá)腺病毒與NEFA混合添加卻能降低奶牛肝細(xì)胞中XBP-1、ATF4、ATF6和p58IPK的mRNA表達(dá)量。NEFA明顯增加了XBP-1、ATF4、ATF6和p58IPK的mRNA表達(dá)量。這些結(jié)果說(shuō)明，NEFA可以誘導(dǎo)奶牛肝細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，并且FMO3過(guò)表達(dá)腺病毒能增加NEFA誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，而FMO3低表達(dá)能降低NEFA介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與脂代謝的關(guān)系密不可分，可通過(guò)調(diào)節(jié)ERS來(lái)調(diào)節(jié)肝臟脂代謝反應(yīng)，降低FMO3的表達(dá)量降低奶牛圍產(chǎn)期的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，從而降低脂代謝。以上研究結(jié)果可為奶牛內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生機(jī)理提供一定的理論基礎(chǔ)，并為奶牛圍產(chǎn)期營(yíng)養(yǎng)代謝病的防治提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。