褪黑素對(duì)LPS誘導(dǎo)的犢牛睪丸支持細(xì)胞氧化應(yīng)激和凋亡的影響

馮 瑞，王子銘，黃富碩，李玉龍，張貴學(xué)

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

在疾病或感染期間，睪丸會(huì)受到損傷，會(huì)影響機(jī)體生育能力[1-2]。氧化應(yīng)激是導(dǎo)致不育的一個(gè)因素，主要是由活性氧 (ROS) 產(chǎn)量過多引發(fā)，表現(xiàn)為精子數(shù)量和質(zhì)量下降[3-4]。睪丸發(fā)育和精子發(fā)生過程中精原細(xì)胞凋亡是必須的[5]，所以異常的凋亡會(huì)影響到生殖障礙。睪丸支持細(xì)胞 (SCs) 保障精子發(fā)生和成熟，生長(zhǎng)在各級(jí)生精細(xì)胞周圍，參與血睪屏障的形成，具有多種生理功能，起到支撐、保護(hù)和提供營(yíng)養(yǎng)的作用[6-7]。Connexin43是血睪屏障重要組成蛋白，在睪丸內(nèi)細(xì)胞之間相互交流和精子發(fā)生過程中發(fā)揮重要作用[8]。研究已經(jīng)證明，SCs是各種毒物、感染劑的靶細(xì)胞，也是測(cè)定雄性生殖系統(tǒng)毒性的模型[9-10]。所以，在犢牛生殖系統(tǒng)發(fā)育過程中，研究其SCs受到感染和應(yīng)激損傷還是非常有意義的。

脂多糖(LPS) 是革蘭陰性細(xì)菌外膜的主要成分，可以造成不同細(xì)胞的氧化應(yīng)激和凋亡[11-12]。Nrf2/HO-1信號(hào)通路參與調(diào)控氧化應(yīng)激反應(yīng)[13]。當(dāng)氧化應(yīng)激發(fā)生時(shí)，Nrf2會(huì)進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)激活超氧化物歧化酶 (SOD)、谷胱甘肽 (GSH) 以及血紅素加氧酶-1 (HO-1) 的轉(zhuǎn)錄，抵抗氧化應(yīng)激帶來的損傷[13-14]。細(xì)胞凋亡途徑有很多，p53的激活和Caspase3表達(dá)增多都是誘發(fā)細(xì)胞凋亡的重要因素[15]。

褪黑素 (N-乙酰基-5甲氧基色胺) 主要由哺乳動(dòng)物的松果腺產(chǎn)生，參與調(diào)控抗氧化、抗凋亡和抗炎等應(yīng)激反應(yīng)[16-17]。已經(jīng)有研究證實(shí)，褪黑素可以減弱氧化應(yīng)激和DNA損傷保護(hù)小鼠睪丸，緩解脂毒性造成精子發(fā)生和生育能力下降[18]，還可以減輕睪丸中鎘誘導(dǎo)的細(xì)胞應(yīng)激和生殖細(xì)胞凋亡[19]。

因此，本試驗(yàn)利用體外模型，探究褪黑素對(duì)LPS誘導(dǎo)的犢牛SCs氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡和Connexin43表達(dá)下調(diào)的保護(hù)作用。

1 材料與方法

1.1 SCs細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室先前凍存的犢牛SCs復(fù)蘇后[20]，使用含有89% DMEM/F12 (Sigma,USA)、10% FBS (Sigma) 和1%雙抗 (Biosharp,China) 的培養(yǎng)液，在5% CO2、37.5℃的環(huán)境條件下進(jìn)行培養(yǎng)，等待細(xì)胞生長(zhǎng)密度達(dá)到90%左右進(jìn)行傳代和后續(xù)試驗(yàn)。褪黑素 (Sigma,USA)使用DMSO (Sigma,USA) 配置 (DMSO濃度小于0.01%)，LPS (Sigma,USA) 使用無菌水配置。

1.2 CCK-8分析使用CCK-8試劑盒 (Bimake，USA) 進(jìn)行細(xì)胞活力測(cè)定，按照說明書操作。將狀態(tài)好的細(xì)胞以2×104的密度傳代到96孔板中，培養(yǎng)12 h后，加入褪黑素(50 μmol/L)和 LPS(5 mg/L)進(jìn)行培養(yǎng)，等待24 h后加入10 μL CCK-8試劑，在5% CO2、37.5℃的環(huán)境條件下進(jìn)行孵育2 h，最后用酶標(biāo)儀在450 nm處測(cè)定吸光度，計(jì)算細(xì)胞活力。

1.3 RT-PCR分析使用TRIzol (Invitrogen) 試劑提取各處理組的細(xì)胞的總RNA，通過計(jì)算調(diào)平后使用TaKaRa (Japan) 試劑盒進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄得到cDNA，最后用DEPC水稀釋cDNA用于后續(xù)試驗(yàn)。

引物詳細(xì)信息如表1所示，在QuantStudioTM設(shè)計(jì)分析軟件 (Applied Biosystems,USA)上檢測(cè)基因。反應(yīng)混合物 (10 μL) 由5 μL FastStart Universal SYBR Master (ROX) (Roche,USA) 組成，正、反向引物各0.3 μL。PCR條件95.0℃ 10 min，然后融化曲線程序用于40周期在95.0℃，持續(xù)15 s，60.0℃ 1 min和95.0℃ 15 s (增加溫度從60.0到95.0℃，保持1.0℃條件下每10 s上升0.5℃)，并執(zhí)行連續(xù)熒光測(cè)量。比較2-ΔΔCt方法用于定量mRNA表達(dá)，β-actin作為對(duì)照。

1.4 Western blot分析將各處理組的細(xì)胞溶解在比例為100∶1的RIPA (Santa Cruz,USA) 和蛋白酶抑制劑 (Santa Cruz,USA) 混合液中，放置室溫裂解10 min，4℃、12 000 r/min離心10 min，隨后去除底部沉淀，吸取上清。根據(jù)制造商的說明，用BCA試劑盒 (biyutian，China) 測(cè)量蛋白濃度，隨后按比例加入上樣緩沖液進(jìn)行煮沸5 min得到蛋白樣品，進(jìn)行電泳。用10%和12%十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳 (SDS-PAGE) 分離，將蛋白轉(zhuǎn)移到PVDF膜 (Roche,USA) 上，然后在室溫下用5%脫脂牛奶封閉液封閉PVDF膜2 h。封閉后，與一抗在4℃孵育過夜，用TBST洗3次，用二抗在室溫下洗2 h，之后用TBST洗3次，然后用增強(qiáng)ECL顯色液曝光。蛋白條帶采用ECL Western blot檢測(cè)系統(tǒng) (SmartchemiTMImage Analysis System,Beijing Sage Creation Science Co.LTD.China)。采用Image J軟件 (NIH,Bethesda,MD) 分析條帶密度。試驗(yàn)所用抗體均購于Proteintech (China)。

1.5 ROS分析使用ROS檢測(cè)試劑盒 (南京建成) 進(jìn)行性檢測(cè)，DCFH-DA用DMEM/F12稀釋，稀釋倍數(shù)為1∶1 000，最終濃度為10 μmol/L。等待處理細(xì)胞24 h后，吸出各處理組培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)液，PBS洗滌3次，加入稀釋的DCFH-DA，在5% CO2、37.5℃的環(huán)境中孵育30 min，孵育后使用PBS洗滌3次，在免疫熒光顯微鏡下進(jìn)行拍照，得到的圖片使用Image J 軟件進(jìn)行熒光強(qiáng)度分析，計(jì)算ROS，每個(gè)組重復(fù)3次。

表1 引物信息

1.6 SOD活性和GSH表達(dá)分析根據(jù)SOD和GSH試劑盒 (南京建成) 說明書進(jìn)行操作，配置好需要的工作液。處理完細(xì)胞后，使用PBS輕輕洗滌3次，進(jìn)行消化和離心，收集細(xì)胞沉淀到EP管中，隨后使用超聲破碎儀進(jìn)行破碎。加入GSH工作液，混勻后，37℃孵育20 min，室溫靜置5 min，使用酶標(biāo)儀在405 nm處檢測(cè)吸光度；加入SOD工作液，混勻后，37℃孵育20 min。使用酶標(biāo)儀在450 nm處檢測(cè)吸光度。最后根據(jù)說明書的公式計(jì)算各組的酶活性，每個(gè)組重復(fù)3次。

2 結(jié)果

2.1 褪黑素和LPS對(duì)SCs活率的影響使用50 μmol/L 褪黑素和5 mg/L LPS處理檢測(cè)細(xì)胞活率(圖1)。與對(duì)照組相比，LPS細(xì)胞活率顯著下降(P<0.01)；與LPS組相比，共處理組細(xì)胞活率顯著上調(diào) (P<0.01)。

圖1 褪黑素和LPS對(duì)SCs活率的影響

2.2 褪黑素和LPS對(duì)SCs氧化應(yīng)激的影響使用50 μmol/L褪黑素和5 mg/L LPS處理SCs細(xì)胞檢測(cè)ROS、GSH表達(dá)量和SOD活性。與對(duì)照組相比，LPS處理細(xì)胞后，顯著增加ROS的表達(dá)量 (圖2 A、B) (P<0.01)；與LPS組相比，共處理組顯著降低ROS的表達(dá)量 (P<0.01)。

A.ROS免疫熒光圖；B.ROS熒光強(qiáng)度分析；C.SOD表達(dá)量；D.GSH表達(dá)量

與對(duì)照組相比，LPS處理細(xì)胞后，顯著降低SOD (圖2C) (P<0.05) 的活性和GSH (圖2D)(P<0.01) 的表達(dá)；與LPS組相比，共處理組顯著升高SOD(P<0.05) 的活性和GSH(P<0.01) 的表達(dá)。

2.3 褪黑素和LPS對(duì)Nrf2/HO-1信號(hào)通路的影響使用50 μmol/L褪黑素和5 mg/L LPS處理SCs細(xì)胞檢測(cè)Nrf2和HO-1的mRNA和蛋白表達(dá)量。與對(duì)照組相比，LPS處理細(xì)胞后，顯著下調(diào)Nrf2 mRNA和蛋白的表達(dá)量 (圖3A、C、D) (P<0.05)，顯著下調(diào)HO-1 mRNA和蛋白的表達(dá)量 (圖3B、D、E) (P<0.01)；加入50 μmol/L褪黑素后，顯著上調(diào)Nrf2 mRNA (P<0.01) 和蛋白 (P<0.05) 的表達(dá)量，顯著上調(diào)HO-1 mRNA (P<0.01) 和蛋白 (P<0.05) 表達(dá)量，恢復(fù)至正常水平。

A.Nrf2 mRNA表達(dá)量分析；B.HO-1 mRNA表達(dá)量分析；C.Nrf2/β-actin蛋白灰度比值分析；D.Nrf2和HO-1蛋白條帶；E.HO-1/β-actin蛋白灰度比值分析

2.4 褪黑素和LPS對(duì)凋亡基因的影響使用50 μmol/L 褪黑素和5 mg/L LPS處理細(xì)胞檢測(cè)p53和Caspase3 mRNA和蛋白的表達(dá)量。與對(duì)照組相比，LPS處理細(xì)胞后，顯著上調(diào)p53 mRNA和蛋白的表達(dá)量(圖4A、C、D) (P<0.01)，顯著上調(diào)Caspase3 mRNA和蛋白的表達(dá)量(圖4B、D、E)(P<0.01)；加入50 μmol/L褪黑素后，顯著下調(diào)p53 mRNA (P<0.01) 和蛋白 (P<0.05) 的表達(dá)量，顯著下調(diào)Caspase3 mRNA和蛋白的表達(dá)量(P<0.01)。

A.p53 mRNA表達(dá)量分析；B.Caspase3 mRNA表達(dá)量分析；C.p53/β-actin蛋白灰度比值分析；D.p53和Caspase3蛋白條帶；E.Caspase3/β-actin蛋白灰度比值分析

2.5 褪黑素和LPS對(duì)Connexin43的影響使用50 μmol/L 褪黑素和5 mg/L LPS處理細(xì)胞檢測(cè)Connexin43 mRNA和蛋白的表達(dá)量。與對(duì)照組相比，LPS處理細(xì)胞后，顯著下調(diào)Connexin43 mRNA和蛋白的表達(dá)量(圖5A、C) (P<0.05)；加入50 μmol/L褪黑素后，抑制Connexin43 mRNA和蛋白的表達(dá)量 (P<0.01) 的下調(diào)。

A.Connexin43 mRNA表達(dá)量分析；B.Connexin43/β-actin蛋白灰度比值分析；C.p53和Caspase3蛋白條帶

3 討論

氧化應(yīng)激是細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)不能抵抗ROS過量產(chǎn)生的狀態(tài)，而且SCs含有較高活性的SOD和GSH保護(hù)免受氧化應(yīng)激的損傷[21]。已有研究表明，LPS可以降低SOD和GSH的活性，誘導(dǎo)大鼠睪丸SCs產(chǎn)生氧化應(yīng)激[22]。在本研究中，5 mg/L LPS可以顯著增加ROS的表達(dá)量，顯著降低SOD活性和GSH表達(dá)量，這說明LPS破壞了ROS含量的動(dòng)態(tài)平衡，降低了SOD的活性和GSH清除自由基的能力，造成細(xì)胞的氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激的發(fā)生和Nrf2/HO-1信號(hào)通路有密切的關(guān)系[23]。本研究中，LPS可以上調(diào)Nrf2和HO-1的表達(dá)量顯著降低，這說明LPS可以調(diào)控Nrf2/HO-1信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激的發(fā)生。所以，LPS誘導(dǎo)犢牛SCs產(chǎn)生氧化應(yīng)激的機(jī)制可能是通過Nrf2/HO-1信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)的，這也可能是細(xì)胞ROS過量產(chǎn)生，SOD活性下降和GSH表達(dá)減少的主要原因。

細(xì)胞凋亡是程序性細(xì)胞死亡的形式之一，對(duì)生理內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[24]。已有研究證明，睪丸中的生殖細(xì)胞的數(shù)量和SCs的數(shù)量直接相關(guān)[25]。在本研究中，5 mg/L LPS可以顯著增加p53和Caspase3的表達(dá)量，這說明LPS激活了細(xì)胞凋亡途徑。p53的激活會(huì)進(jìn)入線粒體促進(jìn)凋亡因子的表達(dá)[26]，Caspase3的激活會(huì)導(dǎo)致SCs (TM4) DNA損傷發(fā)生，促進(jìn)細(xì)胞凋亡數(shù)量增多[27]。所以，LPS可以誘導(dǎo)犢牛SCs凋亡途徑的激活，并且造成細(xì)胞凋亡，這也可能是本試驗(yàn)SCs活力減少的主要原因。

已有研究證明，LPS可以降低大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中Connexin43表達(dá)，并且小鼠支持細(xì)胞缺失Connexin43會(huì)抑制精子的發(fā)生[28-29]。本研究中，LPS處理SCs后，Connexin43的表達(dá)量也會(huì)降低，但是LPS導(dǎo)致Connexin43下調(diào)的具體原因還不能確定，可能是通過氧化應(yīng)激或者細(xì)胞凋亡引起的，需要進(jìn)一步研究證實(shí)。由此可見，犢牛睪丸細(xì)菌感染后很可能會(huì)對(duì)生精過程，細(xì)胞之間的交流以及血睪屏障的形成有嚴(yán)重的影響。

LI等[30]研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素可以降低ROS和Caspase3的表達(dá)量，提升SOD和GSH的含量，從而緩解豬SCs的氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡；KUMAR等[31]研究發(fā)現(xiàn)使用褪黑素可以抑制Bisphenol S (BPS) 激活Nrf2/HO-1信號(hào)通路發(fā)揮抗氧化作用，并且抑制Connexin43的下調(diào)，從而緩解睪丸損傷。在本研究中，50 μmol/L褪黑素可以顯著降低ROS的表達(dá)量，提高SOD活性和GSH的表達(dá)量，抑制Nrf2/HO-1信號(hào)通路的激活，從而降低細(xì)胞的氧化應(yīng)激；降低p53和Caspase3的表達(dá)量，從而緩解細(xì)胞凋亡和細(xì)胞活力的下降，并且對(duì)Connexin43的表達(dá)下調(diào)也有緩解作用。這些結(jié)果可以證明，褪黑素對(duì)犢牛SCs受到細(xì)菌感染帶來的損傷具有積極的保護(hù)作用，起到抗氧化和抗凋亡的作用。

綜上所述，褪黑素可以緩解LPS誘導(dǎo)犢牛SCs的氧化應(yīng)激和凋亡，其機(jī)制可能通過Nrf2/HO-1和凋亡信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)的，并且對(duì)細(xì)胞Connexin43的表達(dá)也有保護(hù)作用。