李 慧, 王 鑫, 王向東, 李 莉, 于小玲△, 鞏永鳳△
(1青島大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)與病理生理學(xué)系,山東 青島 266073;2濱州醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)系,山東 煙臺 264000)
微小RNA(microRNA,miR)是內(nèi)源的?。?9~25個核苷酸)單鏈非編碼RNA 轉(zhuǎn)錄物,通過轉(zhuǎn)錄后調(diào)控基因的表達(dá)阻斷蛋白翻譯來調(diào)節(jié)正常的生理和病理過程[1-2]。越來越多的研究證明,一些關(guān)鍵miRNA的失調(diào)會導(dǎo)致進(jìn)行性腎小球和腎小管間質(zhì)纖維化,miRNA 在腎臟疾病中的作用已成為目前研究的熱點[3-5]。miR-29屬于miRNA 家族,miR-29家族在正常腎臟等組織中高度表達(dá),在腎臟疾病的發(fā)病機(jī)理中起著重要的作用。已有研究顯示miR-29 與纖維化密切相關(guān),miR-29 參與纖維化過程是通過抑制多種細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的表達(dá)、調(diào)節(jié)多種與纖維化有關(guān)的信號通路來參與纖維化過程[6-8]。研究顯示,在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的C57BL/6 小鼠糖尿病模型中miR-29a的表達(dá)下調(diào),而miR-29a轉(zhuǎn)基因糖尿病小鼠的腎臟功能和腎小球足細(xì)胞存活率都有所改善[9]。也有研究證明在糖尿病小鼠中外源性誘導(dǎo)miR-29a過表達(dá)可以降低纖維化基因標(biāo)志物的表達(dá),減弱Wnt/βcatenin 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)活性,起到減輕腎纖維化的作用[10]。腎小管上皮細(xì)胞中誘導(dǎo)miR-29a下調(diào),會使腎小管細(xì)胞中IV 型膠原蛋白沉積[11]。以上的研究說明miR-29a與糖尿病腎病及腎臟纖維化有密切的關(guān)系,但先前的實驗并沒有證明miR-29a基因缺失是否會直接導(dǎo)致腎小球纖維化而影響腎小球的功能和結(jié)構(gòu)。因此,在本研究中,我們利用miR-29a基因敲除小鼠,檢測其發(fā)育至不同周齡的蛋白尿的變化,同時通過組織學(xué)染色觀察腎小球組織結(jié)構(gòu)改變,并進(jìn)一步通過電鏡觀察腎小球超微結(jié)構(gòu),最后,探討miR-29a敲除小鼠腎小球足細(xì)胞標(biāo)志蛋白以及基底膜功能蛋白的變化。本研究初步探索了敲除miR-29a是否可以造成不同發(fā)育階段的小鼠出現(xiàn)腎小球功能障礙、結(jié)構(gòu)損傷以及纖維化,為miR-29a與慢性腎臟疾病尤其是纖維化提供參考資料。
CRISPR/Cas9 技術(shù)敲除C57BL/6 小鼠的miR-29a基因,miR-29a敲除小鼠由比利時魯汶大學(xué)實驗室贈予,SPF 級別的4 周齡雄性小鼠2 只,體重分別為17.41 g、18.86 g。待敲除miR-29a雄性小鼠性成熟后,將其與野生型C57BL/6 的雌性小鼠雜交,獲取后代為雜合子的雄性和雌性小鼠,并讓其雜交,根據(jù)孟德爾遺傳定律,后代有1/4 的概率獲得miR-29a敲除小鼠。出生后1 周的小鼠剪取尾巴提取DNA,采用PCR 擴(kuò)增和瓊脂糖凝膠電泳確定其基因型。選擇miR-29a基因敲除型(miR-29aknock out,miR-29aKO)小鼠作為實驗組,未敲除型小鼠作為野生型(wild tyhpe,WT)對照組(n=30)。所有動物實驗均遵守實驗動物使用原則,保持無菌環(huán)境,給予適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件、自由攝取飼料和飲用水,維持晝夜正常。
PowerUp?SYBR?Green 預(yù)混液、Dynabeads?M-450 Tosylactivated 微 珠、RIPA 裂 解 液 和Trizol Reagent(Thermo Fisher);PrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser(TaKaRa);ELISA Starter Accessry Kit E101(Bethyl);Western Lightning?Plus ECL(Perkinelmer);AB-PAS 染色試劑盒和小鼠肌酐(creatinine,Cr)ELISA 試劑盒(江蘇酶標(biāo)生物科技有限公司);引物(上海生工生物工程股份有限公司)。
3.1 蛋白尿定性和定量檢測 分別在3、12 和24 周用代謝籠收集miR-29aKO 組和WT 組小鼠24 h 尿液,考馬斯亮藍(lán)染色觀察小鼠是否出現(xiàn)蛋白尿。根據(jù)ELISA 試劑盒的說明書測量尿白蛋白和尿肌酐的濃度,并計算不同年齡段小鼠尿白蛋白/肌酐比值(urinary albumin/creatinine ratio,UACR)。
3.2 PAS 染色后組織學(xué)觀測 取3、12 和24 周miR-29aKO 組和WT 組小鼠,通過腹腔注射戊巴比妥鈉(50 mg/kg)麻醉,然后用10 mL 0.1 mol/L PBS 和20 mL 4%多聚甲醛進(jìn)行心臟灌注,一側(cè)腎臟用于電鏡實驗,一側(cè)腎臟置于4%多聚甲醛固定,常規(guī)脫水、浸蠟、包埋,連續(xù)切4 μm 厚薄片,用于PAS 染色,普通顯微鏡下觀察拍照。
3.3 電鏡進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)觀察 灌注后取一側(cè)腎臟腎皮質(zhì)區(qū)域,去除包膜,切成1 mm×1 mm×1 mm 的小塊,部分固定,在2%多聚甲醛+2%戊二醛溶液,經(jīng)脫水、浸透、包埋、組織切片染色等,在JEM-1400 透射顯微鏡(JEOL)下觀察并拍照分析;另一部分固定在2.5%戊二醛中,置于干冰或者液氮中進(jìn)行冰凍,按照冷凍蝕刻技術(shù)操作說明制備樣本[12],在透射電鏡下觀察并拍照分析。
3.4 腎小球分離和檢測 另取一組24 周的小鼠,腹腔內(nèi)注射4%水合氯醛(10 mL/kg)麻醉小鼠,預(yù)冷的20 mL HBSS 稀釋200 μL 免疫磁珠(Dynabeads?M-450 Tosylactivated 微珠)進(jìn)行心臟灌注。隨后取雙側(cè)腎臟,切碎后用20 mL HBSS 轉(zhuǎn)移到100 μm 細(xì)胞篩,研磨過濾至50 mL 的離心管中,離心棄上清,HBSS 重懸并置于磁體上,磁吸2 min,棄液并收集含有Dynabead 的腎小球。重復(fù)至少3 次,全程都在冰上進(jìn)行。
3.5 RNA 提取以及RT-qPCR 實驗 取上述分離的腎小球,用Trizol 提取總RNA。取1 μg 的總RNA 按照PrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser 試劑盒說明書逆轉(zhuǎn)錄成cDNA,參照PowerUp?SYBR?Green 預(yù)混液試劑盒說明書制備20 μL 反應(yīng)體系,經(jīng)RT-qPCR 確定各基因的相對水平。用于RT-qPCR 擴(kuò)增的序列特異性引物見表1。
表1 RT-qPCR引物序列Table 1. Sequences of the primers for RT-qPCR
3.6 免疫組織化學(xué)染色法 24 周小鼠實行安樂死后立馬取出全腎置于有OCT 的包埋盒中并切成8 μm 的切片。-20 ℃甲醇固定20 min,10% FBS 室溫封閉1 h??筺ephrin、podcin、COL4α3以及LAMB2抗體均以1∶1 000 稀釋。Ⅰ抗4 ℃過夜,PBS 洗3 次,Ⅱ抗室溫孵育2 h,PBS 洗滌后,防熒光猝滅劑Mowiol封片,LSM880 激光掃描共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察與拍照。
3.7 Western blot 取上述分離的腎小球,分別加入50 μL 組織裂解液提取總蛋白。使用BCA 蛋白檢測試劑盒(TaKaRa)測其濃度。將蛋白溶解在4×SDS上樣緩沖液中,并在100 ℃或沸水浴中加熱5~10 min。等量加入到SDS-PAGE 分離蛋白,轉(zhuǎn)膜后5%脫脂牛奶室溫封閉1 h,分別孵育Ⅰ抗nephrin、COL4α3以及LAMB2(1∶1 000),4 ℃過夜,TBST 洗膜后,Ⅱ抗室溫孵育2 h。洗膜后電化學(xué)發(fā)光法(ECL)顯色,用FluorChem M化學(xué)發(fā)光凝膠成像系統(tǒng)拍照并分析。
使用GraphPad prism 7 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。所有數(shù)據(jù)結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SEM)表示。采用t檢驗比較兩組數(shù)據(jù),以P<0.05 表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
基因鑒定結(jié)果顯示,miR-29aKO 組等位基因的大小為717 bp,而野生型等位基因的大小為480 bp。泳道1、4 和10 代表mR-29a KO 小鼠;2、6、7 和9 為WT 小鼠;3、5、8 為雜合子小鼠(圖1A)。RT-qPCR 結(jié)果顯示,與WT 組相比,miR-29aKO 組小鼠腎小球中miR-29a的mRNA 水平顯著下調(diào)(圖1B),而miR-29家族中的miR-29c水平在兩組之間無顯著差異,表明敲除miR-29a并不影響miR-29c的mRNA 水平(圖1B)。
Figure 1. Gene identification results. A:the results of agarose gel staining. KO:1 ,4 and 10;WT:2,6,7 and 9;heterozygotes:3,5 and 8. B:mRNA expression of miR-29a and miR-29c in glomeruli. WT:wild-type;KO:miR-29a knockout. Mean±SEM. n=5.**P<0.01 vs WT group.圖1 基因鑒定結(jié)果
考馬斯亮藍(lán)染色法分析小鼠24 h 尿液結(jié)果顯示,WT 組小鼠無蛋白尿,而miR-29aKO 組小鼠出現(xiàn)蛋白尿(圖2A)。UACR 結(jié)果顯示,miR-29aKO 組小鼠在3周時UACR值與WT組相比無顯著性差異(P>0.05),而在12 周時UACR 值與WT 組相比有顯著性差異(P<0.01);24 周miR-29aKO 組小鼠WT 組相比進(jìn)一步加重(圖2B)。PAS 染色觀察小鼠腎小球結(jié)構(gòu),miR-29aKO 組小鼠在3 周時普通顯微鏡下未見明顯病理變化,12 周和24 周時,miR-29aKO 組小鼠腎小球表現(xiàn)出更多的纖維性糖原沉積,主要是在腎小球和擴(kuò)張的系膜中,并有基底膜增厚(圖2C)。
冷凍蝕刻電鏡下觀察小鼠腎小球超微結(jié)構(gòu)的變化,24 周時miR-29aKO 組小鼠的足細(xì)胞足突排列紊亂、有足突融合及足突脫落現(xiàn)象,足突數(shù)量減少以及腎小球基底膜增厚(圖3A)。標(biāo)準(zhǔn)透射電鏡觀察到,在3 周時miR-29aKO 組小鼠的足細(xì)胞足突排列較為紊亂、足突有輕微融合的現(xiàn)象,在12 周時miR-29aKO 組小鼠足突融合消失、足細(xì)胞數(shù)量減少以及腎小球基底膜增厚,24周上述變化更加明顯(圖3B)。
RT-qPCR 結(jié)果表明,與WT 組相比,敲除miR-29a顯 著 降 低nephrin 的mRNA 水 平(P<0.05,圖4A),podocin 的mRNA 表達(dá)水平也呈下降趨勢,但沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,圖4A)。Western blot 和免疫熒光染色結(jié)果顯示,與WT 組相比,miR-29aKO 組小鼠足細(xì)胞nephrin 和podocin 蛋白的表達(dá)顯著下調(diào)(P<0.05,圖4B、4C)。
RT-qPCR 結(jié)果顯示,與WT 組小鼠相比,miR-29aKO 組COL4α3、COL4α4、COL4α5 和LAMB2 的mRNA 表達(dá)顯著上調(diào)(P<0.05,圖5A)。免疫熒光結(jié)果顯示,COL4α3 和LAMB2 的表達(dá)上調(diào)(圖5C),COL4α3 與nephrin 的熒光基本重合,LAMB2 與nephrin 的熒光部分重合。Western blot 結(jié)果顯示,miR-29aKO 組小鼠腎小球中COL4α3/4/5 和LAMB2 蛋白表達(dá)也顯著上調(diào)(P<0.05,圖5B)。
研究顯示,miRNA 在腎臟疾病的發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用,已有很多研究顯示,多種miRNA 具有促纖維化作用[13],失調(diào)的miRNA 通過調(diào)控足細(xì)胞相關(guān)分子的表達(dá)損傷足細(xì)胞、減少足細(xì)胞的數(shù)量[14]。文獻(xiàn)表明腎小球成體足細(xì)胞也表達(dá)具有抗纖維化和促凋亡活性的miR-29 家族成員(miR-29a,miR-29b 和miR-29c),且已有證據(jù)表明這種表達(dá)在幾種影響腎臟的疾病中失調(diào)[15]。與糖尿病野生型小鼠相比,糖尿病miR-29a轉(zhuǎn)基因小鼠具有更高的足細(xì)胞存活率以及較輕的腎小球纖維化,miR-29a的過表達(dá)減弱了與糖尿病有關(guān)的組蛋白去乙?;福╤istone deacetylase,HDAC)信號轉(zhuǎn)導(dǎo),腎素泛素化和尿中腎素排泄的促進(jìn),并恢復(fù)了腎素乙酰化。抑制miR-29a促進(jìn)HDAC4 活性,導(dǎo)致足細(xì)胞凋亡,蛋白尿和隨后加重的腎功能障礙[9]。
Figure 2. Proteinuria and glomerular fibrosis. A:the results of urine protein by Coomassie brilliant blue staining(n=4. M:marker;M1:albumin positive control);B:miR-29a KO mice display significant increase in albuminuria at 12 and 24 weeks of age(n=5);C:PAS-stained images of kidney cortex from WT and miR-29a KO mice at the 3rd,12 th and 24 th weeks(n=3. left scale bar=100 μm;right scale bar=50 μm). WT:wild-type;KO:miR-29a knockout. Mean±SEM.**P<0.01 vs WT group.圖2 蛋白尿以及腎小球纖維化結(jié)果
已有研究證明,在1 型和2 型糖尿病小鼠腎臟中miR-29a的表達(dá)是下降的,這表明miR-29a與腎臟疾病有關(guān)[9]。但miR-29a的下降與腎小球功能和結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系并不明確,目前沒有證據(jù)表明敲除miR-29a基因可以直接導(dǎo)致腎臟功能或結(jié)構(gòu)的變化。在此研究中,我們構(gòu)建了miR-29aKO 小鼠,觀察與WT組小鼠相比,miR-29aKO 組小鼠是否會導(dǎo)致腎小球功能和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化??捡R斯亮藍(lán)染色以及UACR的結(jié)果顯示,與WT 組小鼠相比,miR-29aKO 組小鼠出現(xiàn)蛋白尿,隨著周齡的增加,蛋白尿更加明顯。蛋白尿產(chǎn)生的主要原因是腎小球濾過膜通透性增加。腎小球濾過的機(jī)械和電荷屏障主要組成部分由足細(xì)胞、基底膜和內(nèi)皮細(xì)胞,這三層結(jié)構(gòu)的損傷都可能會導(dǎo)致蛋白尿的形成[16]。為了進(jìn)一步了解腎小球組織結(jié)構(gòu)的變化,進(jìn)行了PAS 染色,結(jié)果顯示,在3 周時miR-29aKO 組小鼠未見腎小球明顯損傷,12 周和24周可見明顯變化,miR-29aKO 組小鼠出現(xiàn)了腎小球纖維性膠原沉積增多,系膜區(qū)細(xì)胞外基質(zhì)增多等腎小球病理變化,并且腎小球結(jié)構(gòu)的變化隨著周齡的增加而加重,這與出現(xiàn)蛋白尿的時間和程度基本相一致。腎纖維化代表大多數(shù)腎臟疾病的病理變化,并伴隨細(xì)胞外基質(zhì)成分的積累,導(dǎo)致腎功能的進(jìn)行性和不可逆轉(zhuǎn)的下降[17]。為了進(jìn)一步觀察小球超微結(jié)構(gòu)的病理變化,我們進(jìn)行了冷凍蝕刻電鏡和標(biāo)準(zhǔn)透射電鏡實驗,結(jié)果顯示,miR-29aKO組小鼠腎小球超微結(jié)構(gòu)明顯發(fā)生的變化,3周出現(xiàn)足細(xì)胞足突輕微融合,24 周出現(xiàn)足細(xì)胞突起排列較為紊亂,足突融合,足細(xì)胞數(shù)量減少以及GBM 呈局灶性或彌漫性不規(guī)則增厚。上述實驗結(jié)果表明,敲除miR-29a導(dǎo)致小鼠腎小球發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷,尤其是纖維化,同時導(dǎo)致功能障礙,主要表現(xiàn)為蛋白尿。
Figure 3. Changes of glomerular ultrastructure in mice. A:observation results of cryo-etching electron microscopy of mouse glomeruli at 24 weeks(scale bar=50 nm);B:the changes of the glomerular ultrastructure observed by transmission electron microscopy(FP:podocyte foot process;POD:podocyte;GBM:basement membrane;EC:endothelial cell;FEN:endothelial cell window;scale bar=2 μm). WT:wild-type;KO:miR-29a knockout.圖3 小鼠腎小球超微結(jié)構(gòu)的變化
大量研究證實足細(xì)胞的損傷在腎小球疾病如糖尿病腎病等都發(fā)揮著重要的作用,足細(xì)胞的凋亡是蛋白尿的重要標(biāo)志[18-19]。本研究通過RT-qPCR 結(jié)果顯示,與WT 對照組小鼠相比,miR-29aKO 組小鼠足細(xì)胞的標(biāo)志性分子nephrin 在miR-29aKO 組小鼠中轉(zhuǎn)錄水平下降,免疫熒光以及Western blot 結(jié)果表明nnephrin 和podocin 在miR-29aKO 組小鼠蛋白表達(dá)下調(diào),這與上述足細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的變化相吻合,進(jìn)一步證實小鼠體內(nèi)缺失miR-29a會造成足細(xì)胞的損傷,進(jìn)而損害小鼠腎小球功能。
研究顯示,miR-29a可以直接引起多種膠原蛋白改變[20],高糖誘導(dǎo)miR-29a的下調(diào)可以增加人腎小管上皮細(xì)胞HK-2 中Ⅳ型膠原的表達(dá)[11]。也有研究顯示,二肽基肽-4(dipeptidyl peptidase 4,DPP-4)抑制劑利格列?。?inagliptin)目前被用作抗糖尿病藥物,在糖尿病小鼠模型中通過誘導(dǎo)miR-29上調(diào)、改善纖維化而發(fā)揮保護(hù)腎臟的作用[21]。
基底膜增厚是慢性腎臟疾病的主要病理變化,基底膜由層粘連蛋白、Ⅳ型膠原、巢蛋白及硫酸肝素蛋白多糖等物質(zhì)組成[22]。在本實驗中,與WT 組相比,miR-29aKO組小鼠腎小球基底膜增厚,我們推測基底膜增厚是由于基底膜中主要蛋白成分的增加。為了進(jìn)一步驗證我們的推測,進(jìn)行了RT-qPCR檢測,結(jié)果顯示,miR-29aKO 組小鼠腎小球IV 型膠原的主要成分Col4α3、Col4α4、Col4α5 和LAMB2 在mRNA水 平 上 調(diào),Western blot 結(jié)果 顯 示COL4α3/4/5 和LAMB2 蛋白的表達(dá)在miR-29aKO 組小鼠腎小球中表達(dá)增加。由于COL4α3/4/5 為成熟基底膜致密層特有的成分,COL4α3/4/5在腎臟僅由足細(xì)胞合成;層粘連蛋白與細(xì)胞表面受體(整合蛋白)結(jié)合,可以介導(dǎo)上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞黏附于基底膜,因而本研究將COL4α3/COL4α4 與nephrin 免 疫 熒 光 共 染,LAMB2 與nephrin 共染。結(jié)果顯示,足細(xì)胞產(chǎn)生的表達(dá)明顯上調(diào),熒光與nephrin 基本重合;LAMB2 的表達(dá)顯著增加,熒光與nephrin 部分重合,說明在miR-29aKO 組小鼠,足細(xì)胞合成和分泌COL4α3/4/5 增多。通過本研究結(jié)果,可以推測,miR-29aKO首先導(dǎo)致腎小球足細(xì)胞受損,同時足細(xì)胞合成和分泌IV 型膠原蛋白增多,進(jìn)而導(dǎo)致腎小球基底膜增厚甚至纖維化。但是由于miR-29a作用機(jī)制比較復(fù)雜,腎小球基底膜增厚究竟是由miR-29a直接靶向Ⅳ型膠原蛋白,還是由miR-29a缺失通過足細(xì)胞分泌間接作用的結(jié)果,這需要進(jìn)一步深入研究。
Figure 4. Changes in relative levels of signature proteins in glomerular podocytes. A:relative mRNA expression of podocin and nephrin in glomeruli;B:the protein levels of nephrin and podocin were determined by Western blot;C:immunofluorescence staining dernonstrating the abundance of nephrin and podocin(scale bar=50 μm). WT:wild-type;KO:miR-29a knockout. Mean±SEM. n=3.*P<0.05 vs WT group.圖4 腎小球足細(xì)胞標(biāo)志性蛋白相對水平的變化
Figure 5. Changes of COL4α3,COL4α4,COL4α5 and LAMB2. A:relative mRNA expression of COL4α3,COL4α4,COL4α5 and LAMB2;B:Western blot analysis for COL4α3/4/5 and LAMB2 of isolated glomerulus from WT and KO mice;C:representative confocal microscopic images showing the expression of COL4α3,LAMB2 and nephrin in kidney sections from WT and KO mice(scale bar=50 μm). WT:wild-type;KO:miR-29a knockout. Mean±SEM. n=3.*P<0.05,**P<0.01 vs WT group.圖5 COL4α3、COL4α4、COL4α5及LAMB2的變化
綜上所述,本研究檢測敲除miR-29a后,會造成小鼠的腎小球功能改變,主要表現(xiàn)為蛋白尿;同時引起腎小球結(jié)構(gòu)改變尤其是纖維化;而且隨著小鼠老齡化,上述損傷加重。本研究同時觀察到足細(xì)胞的標(biāo)志性分子nephrin 和podocin 表達(dá)下調(diào),而COL4α3/4/5 以及LAMB2 表達(dá)上調(diào)。究竟是由miR-29a缺失通過改變上述分子進(jìn)而引起腎小球結(jié)構(gòu)改變,還是腎小球結(jié)構(gòu)改變的結(jié)果,尚需進(jìn)一步研究。本研究對于體內(nèi)miR-29a基因缺失直接導(dǎo)致腎小球功能障礙和結(jié)構(gòu)損傷提供了直接證據(jù),這有助于我們進(jìn)一步認(rèn)識腎臟病變尤其纖維化的機(jī)制,也使miR-29a有望成為治療腎臟疾病潛在的靶點。但是,miR-29a在腎臟疾病的發(fā)病機(jī)制中的信號通路變化是復(fù)雜的,在腎小球中確切的作用機(jī)制尚不清楚,需要更系統(tǒng)研究了解miR-29a下游調(diào)控基因以及信號通路。