聶雪伊,劉 蕾,鄭雪迪, 楊 易,徐金瑞*,王玉炯*
(1. 西部特色資源保護(hù)與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021; 2. 寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,銀川 750021)
結(jié)核病(tuberculosis,TB)是由結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis,Mtb)引起的慢性致死性人獸共患傳染病[1]。牛結(jié)核病是由牛結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteriumbovis)引起的傳染性疾病,也能夠威脅人類的健康。據(jù)報(bào)道,大約有10%的人結(jié)核病是由牛結(jié)核分枝桿菌感染引起的[2]。近年來,隨著新型耐藥菌株的出現(xiàn)和HIV雙重感染及BCG免疫效果降低,TB的發(fā)病率及死亡率居高不下,嚴(yán)重威脅著人類的健康。據(jù)WHO 2019年報(bào)告顯示,在全球范圍內(nèi)估計(jì)有1 000萬人患結(jié)核病,大多數(shù)發(fā)展為結(jié)核病患者(約90%)的是成年人,其中男性多于女性[3]。
巨噬細(xì)胞是 Mtb 感染早期免疫應(yīng)答的重要物質(zhì)基礎(chǔ),在宿主抗Mtb感染免疫中起到關(guān)鍵作用,而Mtb也可通過阻止吞噬溶酶體的形成以逃避巨噬細(xì)胞的“追殺”[4]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細(xì)胞中重要的細(xì)胞器,對(duì)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)起重要作用。多種刺激因素可以引起ERS,為緩解ERS,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過啟動(dòng)未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response,UPR)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[5]。葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose-regulated protein-78,GRP78),是UPR的關(guān)鍵調(diào)控因子[6]。有研究表明,Mtb感染巨噬細(xì)胞后會(huì)誘發(fā)ERS[7-8],如果UPR無法恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài),可能會(huì)誘發(fā)程序性細(xì)胞死亡[9]。
在Mtb感染巨噬細(xì)胞的過程中除了可以誘發(fā)ERS,還可以通過細(xì)胞焦亡等方式,抑制病原菌在宿主體內(nèi)的擴(kuò)散[10]。細(xì)胞焦亡(pyroptosis)是一種重要的先天免疫反應(yīng),是介于壞死和凋亡之間的程序性細(xì)胞死亡模式,其主要的特征為細(xì)胞膜破裂,釋放諸多細(xì)胞因子和危險(xiǎn)信號(hào)分子,激活免疫系統(tǒng),導(dǎo)致炎癥反應(yīng)[11]。細(xì)胞焦亡與阿爾茨海默病[12]、多發(fā)性硬化癥[13]、中風(fēng)[14]等多種人類疾病的發(fā)生發(fā)展息息相關(guān)。
然而,在Mtb感染巨噬細(xì)胞后,其誘發(fā)的ERS與細(xì)胞焦亡間的關(guān)系尚不明確。為此,本研究在BCG感染THP-1細(xì)胞后,通過抑制ERS,采用qRT-PCR、Western blot、ELISA、CCK-8等方法,對(duì)ERS和細(xì)胞焦亡的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),旨在揭示BCG感染THP-1細(xì)胞后ERS對(duì)細(xì)胞焦亡的調(diào)控作用。
細(xì)胞計(jì)數(shù)儀(BioRAD公司,美國(guó)),實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀Quantity Studio 5、NanoDrop-8000(賽默飛,美國(guó)),GE Amersham Imager600自動(dòng)化學(xué)發(fā)光成像儀(General Electric Company,美國(guó)),Enspire熒光酶標(biāo)儀(PerkinElmer公司,美國(guó)),光學(xué)顯微鏡(Motic公司,中國(guó))。
BCG購(gòu)于成都生物制品研究所,培養(yǎng)步驟:配制含0.2% Tween-80的7H9培養(yǎng)液,高壓滅菌后,加入10% ADC Enrichment增菌液混勻。將BCG接種于已配制好的7H9培養(yǎng)液中,于37 ℃,5% CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng),通過測(cè)定OD600 nm值確定BCG濃度。
人單核巨噬細(xì)胞THP-1細(xì)胞購(gòu)于中國(guó)科學(xué)院細(xì)胞庫(kù),培養(yǎng)步驟:THP-1細(xì)胞培養(yǎng)于含有10%胎牛血清和0.05 mmol·L-1β-巰基乙醇的RPMI Medium 1640培養(yǎng)基中,當(dāng)細(xì)胞密度達(dá)到80%~90%時(shí),采用半換液法進(jìn)行傳代,傳代后靜置于37 ℃,5% CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。將含有50 ng·mL-1佛波酯的THP-1細(xì)胞按2×106個(gè)·孔-1接種在6孔板中,于37 ℃,5% CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后,將其誘導(dǎo)分化成巨噬細(xì)胞,更換新鮮的培養(yǎng)液,繼續(xù)培養(yǎng)24 h,用于后續(xù)試驗(yàn)。
BCG感染復(fù)數(shù)為10∶1,感染時(shí)間為0、2、6、12、24、48 h。在此基礎(chǔ)上,采用5 mmol·L-1TUDCA預(yù)處理細(xì)胞2 h,BCG感染24 h,分以下4個(gè) 組:對(duì)照組(C)、BCG感染組(BCG)、ERS抑制劑組(TUDCA)和BCG +ERS抑制劑組(BCG+TUDCA)。
按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)組處理細(xì)胞后,Trizol法提取總RNA,將RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA(反應(yīng)體系:20 μL;反應(yīng)條件:42 ℃ 2 min,37 ℃ 15 min,85 ℃ 5 s),采用qRT-PCR方法(反應(yīng)體系:20 μL;反應(yīng)條件:采用“兩步法進(jìn)行反應(yīng)”,第一步為94 ℃ 30 s;第二步為94 ℃ 5 s,60 ℃ 30 s,44個(gè)循環(huán))檢測(cè)GRP78、GSDMD、Caspase1、NLRP3、IL-1β和IL-18等基因mRNA水平的表達(dá)(引物資料見表1)。
表1 qRT -PCR引物設(shè)計(jì)表格
按照“1.3”和“1.4”中的方法處理細(xì)胞后,提取各組蛋白,用BCA蛋白含量檢測(cè)試劑盒測(cè)定蛋白濃度后。進(jìn)行SDS-PAGE凝膠電泳,隨后濕轉(zhuǎn)至已用甲醇激活的PVDF膜上,用含5%脫脂奶粉的TBS室溫封閉1 h,封閉后分別過夜孵育β-actin(1∶3 000 稀釋)、GRP78(1∶4 000稀釋)、Caspase12(1∶1 000 稀釋)、GSDMD(1∶1 000稀釋)、Caspase1(1∶1 000 稀釋)、NLRP3(1∶1 000稀釋)蛋白抗體,TBST洗滌6次,每次5 min,加熒光素偶聯(lián)的羊抗兔IgG抗體(1∶3 000稀釋)室溫孵育1 h,TBST洗滌3次,每次5 min,TBS洗滌3次,每次5 min,上機(jī)對(duì)蛋白表達(dá)量進(jìn)行檢測(cè)[15]。
收集各處理組細(xì)胞培養(yǎng)上清,根據(jù)相關(guān)因子細(xì)胞試劑盒說明書,按照操作步驟進(jìn)行處理,用熒光酶標(biāo)儀在450 nm測(cè)定吸光值,記錄結(jié)果。
總體來看,五圩地區(qū)構(gòu)造是由一群NNW走向呈弧形展布的壓扭性構(gòu)造形跡組合而成,這些構(gòu)造形跡走向上向南東在三只羊附近收斂,向NNW逐漸撒開,展示了五圩帚狀構(gòu)造的形態(tài),砥柱就在雞峒小型隆起。從展布形式可以推斷五圩地區(qū)構(gòu)造是受順時(shí)針的一對(duì)SN向力偶作用而產(chǎn)生的。由于各地處的邊界條件不同,而產(chǎn)生不同方向的局部扭力,如五圩背斜西翼水落、三排洞一帶扭力方向是逆時(shí)針的,而東翼拉簡(jiǎn)、九壘一帶為順時(shí)針的扭力。它們之間的關(guān)系就象齒輪銜接轉(zhuǎn)動(dòng)一樣,一個(gè)反時(shí)針方向的扭動(dòng)就帶動(dòng)相鄰區(qū)的順時(shí)針方向扭動(dòng)。在兩個(gè)不同方向扭動(dòng)的交接部位,就產(chǎn)生一組扭裂帶。箭豬坡礦床就剛好在扭裂帶產(chǎn)生的部位,形成了箭豬坡礦床的構(gòu)造形態(tài)。
按1×104個(gè)·孔-1密度接種于96孔板中,每組設(shè)6個(gè)復(fù)孔,于37 ℃,5% CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng),按照“1.4”試驗(yàn)設(shè)計(jì)組處理細(xì)胞后,每孔加入10 μL CCK-8溶液,于3 h后使用熒光酶標(biāo)儀在450 nm測(cè)定吸光值,并記錄其數(shù)據(jù)。
所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均經(jīng)過3次獨(dú)立試驗(yàn)的驗(yàn)證,試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用GraphPad Priam 9.0軟件中的T-test或One Way ANOVA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,數(shù)據(jù)用Tukey:Compare all pairs of columns柱狀圖表示。圖中*代表顯著差異(P<0.05),**代表差異極顯著(P<0.01),***代表差異極顯著(P<0.001)。
BCG感染THP-1細(xì)胞不同時(shí)間后,采用qRT-PCR和Western blot檢測(cè)GRP78在mRNA水平和蛋白水平的表達(dá),結(jié)果如圖1所示。由圖1可見,與未感染對(duì)照組相比,BCG感染組GRP78 mRNA水平的表達(dá)在2 h時(shí)差異不顯著,在6 h之后隨感染時(shí)間的延長(zhǎng)顯著上調(diào)(圖1a,P<0.01);GRP78蛋白的表達(dá)隨感染時(shí)間增加逐漸升高,48 h達(dá)到最高(圖1b、c,P<0.01)。上述結(jié)果表明,BCG感染巨噬細(xì)胞后引起ERS的發(fā)生。
a. qRT-PCR檢測(cè)GRP78 mRNA表達(dá)水平;b. Western blot檢測(cè)GRP78蛋白表達(dá)水平;c. GRP78灰度值分析。*. P<0.05,**. P<0.01,***. P<0.001a. The mRNA expression of GRP78 detected by qRT-PCR; b. The protein expression of GRP78 detected by Western blot; c. Semi-quantification of GRP78. *. P<0.05,**. P<0.01,***. P<0.001圖1 BCG感染THP-1細(xì)胞不同時(shí)間后GRP78表達(dá)水平Fig.1 The expression levels of GRP78 in THP-1 cells infected with BCG at different time
為探究BCG感染巨噬細(xì)胞后對(duì)細(xì)胞焦亡的影響,采用Western blot檢測(cè)GSDMD在蛋白水平的表達(dá)量,結(jié)果如圖2所示。由圖2可見,BCG感染THP-1細(xì)胞后,隨著感染時(shí)間的延長(zhǎng)GSDMD的表達(dá)量逐漸增加,24 h達(dá)到最高,48 h表達(dá)量有所下降(P<0.001),表明在BCG感染巨噬細(xì)胞24 h時(shí)細(xì)胞焦亡水平達(dá)到最高。
細(xì)胞發(fā)生焦亡現(xiàn)象后會(huì)在細(xì)胞膜上形成細(xì)胞膜孔洞,促進(jìn)IL-1β和IL-18的成熟和釋放。為此,采用qRT-PCR和ELISA分別檢測(cè)了IL-1β和IL-18在mRNA表達(dá)水平及在細(xì)胞培養(yǎng)上清中的濃度,結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,IL-1β和IL-18在mRNA水平的表達(dá)和在細(xì)胞培養(yǎng)上清中的濃度均隨感染時(shí)間的增加而升高,12 h后均達(dá)到極顯著水平(P<0.01或P<0.001)。
在BCG單獨(dú)處理或與TUDCA共處理細(xì)胞24 h后,采用qRT-PCR和Western blot檢測(cè)ERS標(biāo)志性分子GRP78和Caspase12的表達(dá)量,結(jié)果如圖4所示。由圖4a可見,與未感染對(duì)照組相比,BCG感染組GRP78在mRNA水平表達(dá)上調(diào)(P<0.001),BCG和TUDCA共處理組與BCG感染組相比GRP78表達(dá)下調(diào)(P<0.01)。由圖4b~d可見,與未感染對(duì)照組相比,BCG感染組GRP78和Caspase12在蛋白水平表達(dá)上調(diào)(P<0.001);與BCG單獨(dú)感染組相比,BCG和TUDCA共處理組GRP78和Caspase12蛋白表達(dá)下調(diào)(P<0.001)。以上結(jié)果說明TUDCA能有效抑制BCG感染THP-1細(xì)胞后ERS的產(chǎn)生。
a. Western blot檢測(cè)GSDMD蛋白表達(dá)水平;b. GSDMD灰度值分析。*. P<0.05,**. P<0.01,***. P<0.001a. The protein expression of GSDMD detected by Western blot; b. Semi-quantification of GSDMD. *. P<0.05,**. P<0.01,***. P<0.001圖2 BCG感染THP-1細(xì)胞不同時(shí)間后GSDMD表達(dá)水平Fig.2 The expression levels of GSDMD in THP-1 cells infected with BCG at different time
為探究BCG感染巨噬細(xì)胞后ERS對(duì)細(xì)胞焦亡的影響。采用qRT-PCR和Western blot檢測(cè)NLRP3、GSDMD、Caspase1在mRNA水平和蛋白水平的表達(dá)量,結(jié)果如圖5所示。由圖5可見,與未感染對(duì)照組相比,BCG感染組NLRP3、GSDMD、Caspase1在mRNA水平(圖5a~c)和蛋白水平(圖5d~g) 的表達(dá)均升高(P<0.05),而與BCG單獨(dú)感染組相比BCG和TUDCA共處理組上述指標(biāo)均顯著下降(P<0.01)。
采用qRT-PCR和ELISA檢測(cè)IL-1β和IL-18在mRNA水平的表達(dá)及在細(xì)胞培養(yǎng)上清中的濃度,結(jié)果如圖6所示。由圖6可見,與對(duì)照組相比,BCG感染組IL-1β和IL-18在mRNA水平的表達(dá)(圖6a、b)及在細(xì)胞培養(yǎng)上清中的濃度(圖6c、d)顯著上調(diào)(P<0.01),而與BCG感染組相比,BCG和TUDCA共處理組IL-1β和IL-18的表達(dá)顯著下調(diào)(P<0.01)。
a、b. qRT-PCR檢測(cè)IL-1β和IL-18 mRNA表達(dá)水平; c、d. ELISA檢測(cè)IL-1β和IL-18 濃度*. P<0.05,**. P<0.01,***. P<0.001a,b. The mRNA expression of IL-1β and IL-18 detected by qRT-PCR; c,d. The concentration of IL-1β and IL-18 detected by ELISA assay kit. *. P<0.05,**. P<0.01,***. P<0.001圖3 BCG感染巨噬細(xì)胞不同時(shí)間炎性因子的檢測(cè)Fig.3 Detection of inflammatory cytokines in THP-1 cells infected with BCG at different time
采用CCK-8檢測(cè)細(xì)胞活性,結(jié)果如圖7所示。由圖7可見,與對(duì)照組相比,BCG感染THP-1細(xì)胞后,細(xì)胞存活率降低(P<0.001),而與BCG感染組相比,BCG和TUDCA共處理組細(xì)胞存活率上升(P<0.001)。
以上結(jié)果表明,BCG感染巨噬細(xì)胞引起ERS的產(chǎn)生,進(jìn)而激活NLRP3炎性小體,介導(dǎo)巨噬細(xì)胞的焦亡。
a. qRT-PCR檢測(cè)GRP78 mRNA表達(dá)水平;b. Western blot檢測(cè)GRP78和Caspase12蛋白表達(dá)水平;c、d. GRP78和Caspase12灰度值分析。*. P<0.05,**. P<0.01,***. P<0.001a. The mRNA expression of GRP78 detected by qRT-PCR; b. The protein expression of GRP78 and Caspase12 detected by Western blot; c,d. Semi-quantification of GRP78 and Caspase12. *. P<0.05,**. P<0.01,***. P<0.001圖4 BCG感染THP-1細(xì)胞后TUDCA對(duì)ERS的影響Fig.4 The effect of TUDCA on ERS in THP-1 cells infected with BCG
迄今為止,結(jié)核病已成為世界重大公共衛(wèi)生問題之一,其主要的致病菌是Mtb。Mtb感染開始于遠(yuǎn)端氣道,最終傳播到肺間質(zhì)。巨噬細(xì)胞是Mtb主要的宿主細(xì)胞與靶細(xì)胞,當(dāng)Mtb入侵時(shí),巨噬細(xì)胞會(huì)通過吞噬溶酶體的形成主動(dòng)吞噬病原菌并與其發(fā)生復(fù)雜的相互作用[16]。此外,牛結(jié)核分枝桿菌也是引起人類結(jié)核病的病原之一。因此,深入研究Mtb的致病機(jī)制,將有助于進(jìn)一步控制結(jié)核病的發(fā)病。
在真核細(xì)胞中,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、脂類和糖類合成的基地,細(xì)胞內(nèi)未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白的積累以及細(xì)胞內(nèi)Ca2+的失衡等多種因素均可誘發(fā)ERS。ERS與多種疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān),如動(dòng)脈粥樣硬化[17]、糖尿病腎病[18]、帕金森病[19]、阿爾茲海默病[20]。已有研究表明,Mtb感染巨噬細(xì)胞會(huì)損害內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)而誘發(fā)ERS[7]。本研究結(jié)果顯示,在BCG感染巨噬細(xì)胞后ERS標(biāo)志性分子的表達(dá)呈現(xiàn)出上調(diào)趨勢(shì),表明ERS與結(jié)核病的發(fā)生存在著內(nèi)在的聯(lián)系。
細(xì)胞焦亡的概念于2001年被提出,是一種炎癥性的細(xì)胞死亡方式[21],涉及Caspase1介導(dǎo)的經(jīng)典途徑和Caspase4/5/11介導(dǎo)的非經(jīng)典途徑兩條途徑,活化的Caspase1/4/5 /11不僅可切割GSDMD為GSDMD-N,使其在質(zhì)膜上寡聚化形成細(xì)胞膜孔洞,還促進(jìn)IL-1β和IL-18的成熟與釋放[11]。研究表明,有多種刺激因素可以促使細(xì)胞焦亡。對(duì)于胞內(nèi)菌感染導(dǎo)致的細(xì)胞焦亡而言,其主要的表現(xiàn)為促進(jìn)機(jī)體發(fā)生炎癥反應(yīng),將更多的免疫細(xì)胞募集至感染病灶,這一過程有助于巨噬細(xì)胞清除胞內(nèi)菌抵抗感染[22]。有研究表明,Mtb作為一種典型的胞內(nèi)寄生菌,在感染巨噬細(xì)胞后會(huì)使細(xì)胞發(fā)生焦亡[23-24]。本研究結(jié)果顯示,BCG感染巨噬細(xì)胞后,細(xì)胞焦亡標(biāo)志性分子GSDMD的表達(dá)上調(diào),表明BCG感染巨噬細(xì)胞后,能夠引起細(xì)胞焦亡。
a、b. qRT-PCR檢測(cè)IL-1β和IL-18 mRNA表達(dá)水平; c、d. ELISA檢測(cè)IL-1β和IL-18 濃度。*. P<0.05,**. P<0.01,***. P<0.001a, b. The mRNA expression of IL-1β and IL-18 detected by qRT-PCR; c, d. The concentration of IL-1β and IL-18 detected by ELISA assay kit. *. P<0.05,**.P<0.01,***. P<0.001圖6 BCG感染THP-1細(xì)胞后ERS對(duì)炎性因子的影響Fig.6 The effect of ERS on inflammatory cytokines in THP-1 cells infected with BCG
*. P<0.05,**. P<0.01,***. P<0.001圖7 BCG感染THP-1細(xì)胞后ERS對(duì)細(xì)胞增殖的影響Fig.7 The effect of ERS on cell proliferation in THP-1 cells infected with BCG
近年來研究發(fā)現(xiàn),ERS與細(xì)胞焦亡之間存在復(fù)雜的相互作用聯(lián)系,NLRP3作為重要的先天免疫模式識(shí)別受體,在此過程中發(fā)揮重要作用[25]。已有研究證明,ERS參與了NLRP3炎性小體的活化[26-27],而炎性小體活化又可引起細(xì)胞焦亡[23, 28]。NLRP3炎性小體是目前研究最多的炎性小體,能被多種類型的外源物質(zhì)或自身危險(xiǎn)信號(hào)激活,其激活需要兩個(gè)信號(hào):第一個(gè)信號(hào),由損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)或病原菌相關(guān)分子模式(PAMPs)的識(shí)別所誘導(dǎo)啟動(dòng)Pro-IL-1β和Pro-IL-18的表達(dá);第二個(gè)信號(hào)由活化的NOD樣受體觸發(fā)PAMPs,促進(jìn)炎癥小體的組裝,招募并激活Caspase1[29-30]。活化的Caspase1剪切GSDMD,使GSDMD的N末端結(jié)構(gòu)域釋放,促進(jìn)IL-1β和IL-18的成熟與釋放,引發(fā)細(xì)胞焦亡[31]。本研究為了揭示BCG感染巨噬細(xì)胞后ERS對(duì)細(xì)胞焦亡的影響,在用TUDCA處理巨噬細(xì)胞后,檢測(cè)了ERS相關(guān)分子、細(xì)胞焦亡相關(guān)分子、NLRP3、IL-1β和IL-18的表達(dá)差異。研究結(jié)果顯示,BCG感染巨噬細(xì)胞后上述分子表達(dá)上調(diào),而TUDCA對(duì)上述反應(yīng)具有明顯抑制作用,表明在BCG感染巨噬細(xì)胞后誘發(fā)的ERS對(duì)細(xì)胞焦亡具有一定的調(diào)控作用。
綜合以上研究結(jié)果,表明在BCG感染巨噬細(xì)胞后,誘發(fā)了ERS的產(chǎn)生,進(jìn)而引起巨噬細(xì)胞的焦亡(圖8),本研究結(jié)果將為結(jié)核病的發(fā)病機(jī)制提供新的視角。
圖8 BCG感染巨噬細(xì)胞后ERS對(duì)細(xì)胞焦亡調(diào)控的可能機(jī)制Fig.8 Proposed model for funcational mechanism of ERS in regulating of pyrotosis after BCG infected macrophages
BCG感染巨噬細(xì)胞后引起了ERS的產(chǎn)生和NLRP3炎性小體的活化,并進(jìn)一步介導(dǎo)了巨噬細(xì)胞的焦亡。