肖 嵐李 誠程小平杜 昕
(1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,四川 雅安 625014;2. 四川旅游學(xué)院食品學(xué)院,四川 成都 610100; 3. 四川高金實業(yè)集團(tuán)有限公司,四川 遂寧 629000)
牦牛是中國青藏高原的特殊家畜,經(jīng)過世代的自然選擇,牦牛顯示出對低氧環(huán)境極好的適應(yīng)性,這可能與牦牛血液的特殊性有一定關(guān)系[1-3]。本課題組[4]前期采用枯草芽孢桿菌(SICC1.197)聯(lián)合堿性蛋白酶制備出牦牛血低聚肽,利用超濾離心得到分子量<1 kDa的牦牛血低聚肽,并對其體外(還原力、ABTS+·清除力、·OH清除能力、DPPH·清除能力、總抗氧化力以及脂質(zhì)過氧化抑制能力)和小鼠體內(nèi)(丙二醛、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、總抗氧化能力)的抗氧化能力進(jìn)行了檢測,發(fā)現(xiàn)牦牛血低聚肽具有良好的抗氧化能力。姚星辰等[5]報道牦?;钚缘鞍拙哂酗@著的延長小鼠抗缺氧時間的作用。牦牛血是否與抗缺氧功能有一定的關(guān)聯(lián)尚未見相關(guān)報道。為了解具有抗氧化活性的牦牛血低聚肽是否具有抗缺氧活性,課題組采用高、中、低劑量牦牛血低聚肽對小鼠進(jìn)行了預(yù)試驗,常壓耐缺氧試驗結(jié)果顯示牦牛血低聚肽對小鼠缺氧耐受力有提高作用并呈劑量依賴性;亞硝酸鈉中毒存活試驗顯示,牦牛血低聚肽能延長缺氧小鼠的生存時間。因此,為了進(jìn)一步證實牦牛血低聚肽的抗缺氧活性并了解其作用機制,本試驗擬體外培養(yǎng)H9c2心肌細(xì)胞建立缺氧損傷模型,探討牦牛血低聚肽對心肌細(xì)胞缺氧損傷的抑制作用及機制,旨在為進(jìn)一步研究牦牛血低聚肽對抗缺氧作用機理提供理論依據(jù)。
牦牛血低聚肽:氨基酸含量85.25 g/100 g,平均分子量<1 kDa,實驗室自制;
DMEM培養(yǎng)基、血清:美國Thermo Fisher Scientific公司;
CCK8細(xì)胞增殖及細(xì)胞毒性檢測試劑盒、Caspase 3/9活性檢測試劑盒、BCA蛋白濃度測定試劑盒:碧云天生物技術(shù)公司;
細(xì)胞凋亡檢測試劑盒:南京凱基生物科技發(fā)展有限公司;
蛋白marker:北京全式金生物技術(shù)有限公司;
乳酸脫氫酶(LDH)測試試劑盒、總抗氧化能力(T-AOC,ABTS法)測試試劑盒:南京建成生物工程研究所;
大鼠腫瘤壞死因子α(TNF-α)酶聯(lián)免疫吸附測定試劑盒:武漢伊萊瑞特生物科技有限公司。
三氣培養(yǎng)箱:HF-100型,上海力申科學(xué)儀器有限公司;
倒置顯微鏡:IX51型,奧林巴斯(中國)有限公司;
CO2恒溫培養(yǎng)箱:MCO-15AC型,三洋電機(中國)有限公司;
全自動酶標(biāo)儀:Multiskan MK3型,美國Thermo Scientific公司;
流式細(xì)胞儀:CytoFLEX型,美國貝克曼庫爾特有限公司;
實時熒光定量PCR儀:QuantStudio 6型,美國應(yīng)用生物系統(tǒng)(ABI)公司。
H9c2心肌細(xì)胞株:生工生物工程(上海)股份有限公司。
H9c2細(xì)胞(DMEM+10% FBS+1%雙抗)復(fù)蘇與培養(yǎng)融合至80%~90%后,進(jìn)行細(xì)胞毒性試驗以及濃度預(yù)試驗,在此基礎(chǔ)上確定牦牛血低聚肽的用量。將H9c2細(xì)胞分組:正常對照組、缺氧組、牦牛血低聚肽低劑量組(0.05 mg/mL)、牦牛血低聚肽中劑量組(0.4 mg/mL)、牦牛血低聚肽高劑量組(3.2 mg/mL)。
1.4.1 細(xì)胞缺氧模型的建立 取對數(shù)生長期的細(xì)胞,胰酶消化后,用培養(yǎng)基(含10% FBS+1%雙抗)調(diào)整細(xì)胞密度到5×104個/mL,接入96孔板,每組6個復(fù)孔,每孔100 μL細(xì)胞懸液,并設(shè)置空白孔,在細(xì)胞孔周圍孔內(nèi)加入100 μL無菌PBS,37 ℃ 5% CO2飽和濕度條件下培養(yǎng)過夜,待細(xì)胞融合至70%~80%后進(jìn)行分組處理并藥物干預(yù)。正常對照組常氧條件培養(yǎng),加藥組加藥預(yù)處理4 h后換為缺氧培養(yǎng)基含(2% FBS)并置于三氣培養(yǎng)箱缺氧培養(yǎng)48 h。
1.4.2 指標(biāo)測定
(1) CCK-8法測定細(xì)胞存活率:按照1.4.1處理細(xì)胞,每孔加入10 μL CCK8,37 ℃培養(yǎng)4 h,振蕩10 min,酶標(biāo)儀測定各孔吸光值OD450。
(2) 流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞凋亡:按照1.4.1處理細(xì)胞,按照AnnexinV-FITC/PI細(xì)胞凋亡檢測試劑盒操作說明進(jìn)行,流式細(xì)胞儀上機檢測。
(3) 細(xì)胞培養(yǎng)上清液中T-AOC含量、TNF-α含量、乳酸脫氫酶(LDH)活性的測定:按照1.4.1處理細(xì)胞,按照測試試劑盒說明書的要求檢測T-AOC含量、TNF-α含量、LDH活性。
(4) Western Blot檢測細(xì)胞中p-Akt、Akt、Survivin蛋白表達(dá):按分組要求處理細(xì)胞后,提取單層貼壁細(xì)胞總蛋白并對蛋白進(jìn)行定量,蛋白變性,電泳分離并轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素(PVDF)膜上,采用ECL顯色系統(tǒng)進(jìn)行免疫印跡顯色,沖洗膠片,晾干膠片,掃描膠片,用BandScan分析膠片灰度值。
(5) 細(xì)胞中Caspase-3與Caspase-9活性:按照1.4.1處理細(xì)胞,按照試劑盒說明書的要求進(jìn)行檢測。
(6) Western Blot法測定線粒體和細(xì)胞胞質(zhì)中細(xì)胞色素C的含量:按照1.4.1處理細(xì)胞,參考1.4.2(4)采用Western Blot法測定。
(7) QPCR檢測細(xì)胞中P13K、AKt、Caspase-3、Caspase-9、HIF-1α基因表達(dá):按照1.4.1處理細(xì)胞,實時熒光定量PCR檢測mRNA。
(8) 細(xì)胞線粒體膜電位的檢測:按照1.4.1處理細(xì)胞后,按照線粒體膜電位檢測試劑盒操作說明進(jìn)行。
試驗數(shù)據(jù)以(均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差)表示,組間比較采用單因素方差分析,P<0.05表示有顯著性差異。統(tǒng)計分析使用SPSS 19.0等軟件。
如圖1(a)所示,與正常組相比,持續(xù)缺氧48 h導(dǎo)致H9c2細(xì)胞存活率均出現(xiàn)了一定程度的下降,差異極顯著(P<0.01),表明H9c2細(xì)胞缺氧損傷明顯。采用高、中、低劑量的牦牛血低聚肽干預(yù)缺氧細(xì)胞,能提高缺氧細(xì)胞的存活率;與缺氧組比較,高、中劑量組對細(xì)胞凋亡的抑制作用極顯著(P<0.01)。此結(jié)果提示,牦牛血低聚肽具有改善缺氧H9c2細(xì)胞存活率的作用,且存在劑量依賴性。
正常情況下,LDH主要分布在心肌細(xì)胞胞質(zhì)中,是不能透過細(xì)胞膜進(jìn)入膜外空間(如細(xì)胞培養(yǎng)液上清液)[6],只有當(dāng)細(xì)胞損傷后,LDH才會釋放進(jìn)入細(xì)胞上清液中使其活性升高,因此,通過測定細(xì)胞上清液中LDH的活性可間接反映細(xì)胞的損傷程度。由圖1(b)可知,缺氧導(dǎo)致H9c2細(xì)胞培養(yǎng)液上清液中LDH的活性極顯著升高(P<0.01),而牦牛血低聚肽預(yù)處理則可降低培養(yǎng)液上清液中LDH含量且存在劑量依賴性,其中高、中劑量組可極顯著降低LDH活性(P<0.01)。此結(jié)果提示,牦牛血低聚肽對缺氧心肌細(xì)胞的細(xì)胞膜顯示出良好的保護(hù)作用,且存在劑量依賴性。
與正常對照組相比,# P<0.05,## P<0.01;與缺氧組相比,* P<0.05,** P<0.01
圖2(a)顯示,正常對照組H9c2細(xì)胞凋亡不明顯(凋亡率<5%);圖2(b)顯示,缺氧組H9c2細(xì)胞凋亡率極顯著升高(P<0.01),凋亡率<10%,表明缺氧可促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡;圖2(c)~(e)顯示牦牛血低聚肽3個劑量組均能減少缺氧介導(dǎo)的H9c2細(xì)胞凋亡,且中、高劑量組具有極顯著效果(P<0.01)。這與2.1的試驗結(jié)果相對應(yīng),再次提示牦牛血低聚肽對缺氧導(dǎo)致的心肌細(xì)胞損傷具有較好的保護(hù)作用。
線粒體是細(xì)胞呼吸的主要場所,缺氧會誘導(dǎo)線粒體結(jié)構(gòu)和動力學(xué)上的改變,包括線粒體膜電位(Mitochondrial membrane potential,MMP)的坍塌、線粒體膜孔道的開放,從而影響膜內(nèi)信號物質(zhì)(如細(xì)胞色素C)的釋放等[7],引起線粒體代謝紊亂,導(dǎo)致線粒體功能損傷,進(jìn)而誘導(dǎo)線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,最終導(dǎo)致線粒體膜瓦解,釋放Caspase蛋白[8],激活下游的凋亡通路[9],誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[10]。因此,線粒體膜電位在凋亡起始過程對防治缺氧相關(guān)疾病的發(fā)生非常重要。
本試驗觀察到持續(xù)缺氧處理H9c2細(xì)胞48 h,其MMP出現(xiàn)極顯著下降(P<0.01),而牦牛血低聚肽干預(yù)組則可抑制缺氧導(dǎo)致的MMP下降,中劑量組有顯著效果(P<0.05),而高劑量組的效果極顯著(P<0.01)(圖3)。結(jié)果提示,牦牛血低聚肽可能通過維持缺氧條件下細(xì)胞MMP的穩(wěn)定進(jìn)而減少細(xì)胞損傷。
線粒體損傷是誘發(fā)細(xì)胞調(diào)亡的主要原因之一[11]。2.3 的研究結(jié)果提示牦牛血低聚肽可顯著地提高細(xì)胞在缺氧條件下的線粒體膜電位,保護(hù)線粒體結(jié)構(gòu)的完整。故本試驗采用Western Blot法測定線粒體和細(xì)胞胞質(zhì)中細(xì)胞色素C的含量,線粒體細(xì)胞色素C含量與細(xì)胞胞質(zhì)中細(xì)胞色素C的含量的比值常被用作反映線粒體結(jié)構(gòu)損傷程度的指標(biāo)[12],結(jié)果見圖4。缺氧誘導(dǎo)細(xì)胞色素C從線粒體中大量的釋放,而細(xì)胞胞質(zhì)中細(xì)胞色素C含量顯著增加,表現(xiàn)為線粒體中細(xì)胞色素C含量與細(xì)胞胞質(zhì)中細(xì)胞色素C的含量的比值極顯著下降(P<0.01),僅為正常對照組的50%;然而,牦牛血低聚肽預(yù)處理則可抑制缺氧H9c2細(xì)胞線粒體中細(xì)胞色素C的釋放(P<0.01)且呈劑量依賴性,進(jìn)一步提示牦牛血低聚肽對缺氧心肌細(xì)胞的保護(hù)作用與維持細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)完整性、減少其細(xì)胞色素C釋放有關(guān)。
與正常對照組相比,# P<0.05,## P<0.01;與缺氧組相比,* P<0.05,** P<0.01
PI3K-Akt信號通路是一條重要的抗凋亡/促增殖信號途徑[13],文獻(xiàn)[14]證實激活PI3K-Akt信號通路在抗凋亡過程中起關(guān)鍵作用。激活PI3K-Akt通路促進(jìn)Akt在Ser473位點磷酸化后形成P-Akt,有利于對多下游多個靶點的調(diào)控,比如調(diào)控凋亡蛋白Caspase家族促進(jìn)抗凋亡機制的活化,增加細(xì)胞存活[15]。如圖5所示,與正常對照組比較,持續(xù)缺氧導(dǎo)致H9c2細(xì)胞中p-Akt蛋白顯著過表達(dá)(P<0.01);牦牛血低聚肽進(jìn)一步促進(jìn)了缺氧細(xì)胞中的p-Akt蛋白過表達(dá)且呈劑量依賴性,其中高、中劑量組過表達(dá)最明顯(P<0.01)。持續(xù)缺氧也導(dǎo)致細(xì)胞中Akt蛋白過表達(dá),但牦牛血低聚肽對缺氧細(xì)胞中AKt蛋白表達(dá)水平無顯著影響(P>0.05)。計算p-Akt/Akt的比值,與正常組相比,缺氧組p-Akt/Akt的比值為正常對照組的5.55%,明顯降低(P<0.01);與缺氧組相比,牦牛血低聚肽各劑量均能增加p-Akt/Akt的水平,分別為正常對照組的7.6%,35.7%,38.6%,高、中劑量組增加最為明顯(P<0.01)。結(jié)果提示,牦牛血低聚肽對缺氧心肌細(xì)胞的保護(hù)作用可能與PI3K-Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有關(guān)。
存活素蛋白(Survivin)具有抑制細(xì)胞凋亡和調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的雙重功能[16-17]。與正常對照組比較,缺氧誘導(dǎo)Survivin蛋白表達(dá)量顯著下降(P<0.01);而牦牛血低聚肽干預(yù)缺氧H9c2細(xì)胞可劑量依耐性地促進(jìn)Survivin蛋白表達(dá)水平提高,其中高、中劑量組增加最明顯(P<0.01)。
與正常對照組相比,# P<0.05,## P<0.01;與缺氧組相比,* P<0.05,** P<0.01
圖3 牦牛血低聚肽對缺氧H9c2細(xì)胞線粒體膜電位的影響
Figure 3 Effect of yak blood oligopeptide on mitochondrial membrane potential of hypoxia H9c2 cells (n=6)
與正常對照組相比,## P<0.01;與缺氧組相比,** P<0.01
Figure 4 Effect of yak blood oligopeptide on cytochrome C release from mitochondria of hypoxia-induced H9c2 cells (n=6)
調(diào)控細(xì)胞凋亡的蛋白分布在線粒體外膜上[12],主要包括抑制細(xì)胞凋亡的蛋白[18]和促進(jìn)細(xì)胞凋亡的蛋白,具有維持或破壞線粒體膜完整性的作用[19]。正常情況下,這兩類蛋白的表達(dá)量處于相對平衡的狀態(tài),當(dāng)缺氧介導(dǎo)細(xì)胞時,促凋亡蛋白會過表達(dá)而破壞線粒體,進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞調(diào)亡發(fā)生[20],而當(dāng)抑制細(xì)胞凋亡蛋白表達(dá)量較高時,可抑制細(xì)胞調(diào)亡。如圖6所示,與正常對照組比較,持續(xù)缺氧導(dǎo)致H9c2細(xì)胞中凋亡蛋白Caspase-3[圖6(a)]以及Caspase-9[圖6(b)]極顯著過表達(dá)(P<0.01);而牦牛血低聚肽干預(yù)則可劑量依賴性地下調(diào)這2個凋亡蛋白的表達(dá),其中高、中劑量組減少最明顯(P<0.01)。此結(jié)果提示,抑制缺氧條件下凋亡蛋白Caspase-3/-9蛋白的表達(dá)有可能是牦牛血低聚肽發(fā)揮細(xì)胞缺氧損傷保護(hù)作用的機制之一。
與正常對照組相比,# P<0.05,## P<0.01;與缺氧組相比,* P<0.05,** P<0.01
圖5 牦牛血低聚肽對缺氧條件下H9c2細(xì)胞中p-Akt、Akt、Survivin蛋白表達(dá)的影響
Figure 5 Effect of yak blood oligopeptide on expression of p-Akt, Akt and Survivin proteins in hypoxia-induced H9c2 cells (n=6)
與正常對照組相比,## P<0.01;與缺氧組相比,** P<0.01
Figure 6 Effect of yak blood oligopeptide on expression of Caspase-3 and Caspase-9 proteins in hypoxi-ainduced H9c2 cells (n=6)
本試驗檢測了5個與缺氧細(xì)胞凋亡相關(guān)的基因,結(jié)果見表1。持續(xù)缺氧導(dǎo)致H9c2細(xì)胞中的Caspase-3/-9的mRNA表達(dá)水平顯著升高(P<0.01);而牦牛血低聚肽預(yù)處理組則可下調(diào)這2個凋亡基因的表達(dá),其中高劑量組減少最明顯(P<0.01);Caspase-3/-9的mRNA表達(dá)水平的變化趨勢與2.5測定的蛋白結(jié)果對應(yīng)。結(jié)果提示,牦牛血低聚肽可通過抑制凋亡蛋白及其mRNA的表達(dá)從而發(fā)揮保護(hù)心肌細(xì)胞H9c2的作用。
與正常對照組相比,缺氧導(dǎo)致H9c2細(xì)胞中P13K的mRNA表達(dá)水平升高(P<0.05),而AKt的mRNA表達(dá)水平降低,但無顯著差異(P>0.05);牦牛血低聚肽各劑量均能促進(jìn)缺氧細(xì)胞P13K的mRNA表達(dá)水平的增加,其中高劑量組增加最明顯(P<0.01),而對缺氧細(xì)胞中AKt的mRNA表達(dá)水平無顯著影響(P>0.05);PI3K-Akt信號通路的mRNA表達(dá)水平的變化趨勢與2.5測定的蛋白結(jié)果對應(yīng)。
低氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)是機體調(diào)控低氧反應(yīng)基因的核心轉(zhuǎn)錄因子[21],HIF-1α的mRNA表達(dá)水平升高可啟動對多個下游低氧反應(yīng)基因的調(diào)控[22],介導(dǎo)與缺氧有關(guān)的各種生理反應(yīng)[23],有利于細(xì)胞適應(yīng)低氧環(huán)境[24]。由表1可知,心肌細(xì)胞持續(xù)缺氧48 h誘導(dǎo)H9c2細(xì)胞中HIF-1α的mRNA表達(dá)水平明顯升高(P<0.01),原因是缺氧抑制了PHD(脯氨酰羥化酶)活性導(dǎo)致HIF-1α的脯氨酰殘基羥化受到抑制,進(jìn)而抑制HIF-1α與腫瘤抑制蛋白VHL結(jié)合,使HIF-1α的mRNA表達(dá)呈指數(shù)方式增長[25]。本研究結(jié)果顯示,牦牛血低聚肽干預(yù)缺氧細(xì)胞能劑量依耐性地增加HIF-1α的mRNA表達(dá)水平,其中高、中劑量組增加最明顯(P<0.01)。結(jié)果提示,牦牛血低聚肽可通過誘導(dǎo)HIF-1α的mRNA表達(dá)水平升高進(jìn)而提高細(xì)胞低氧適應(yīng)性。
表1 牦牛血低聚肽對缺氧條件下H9c2細(xì)胞中P13K、AKt、Caspase-3、Caspase-9以及HIF-1α基因表達(dá)的影響?
? 與正常對照組相比,#P<0.05,##P<0.01;與缺氧組相比,* P<0.05,** P<0.01。
缺氧誘導(dǎo)心肌細(xì)胞能量代謝紊亂、氧自由基增多,進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化而導(dǎo)致細(xì)胞損傷,引起細(xì)胞凋亡[26],因此,總抗氧化能力(T-AOC,ABTS法)的強弱直接影響心肌細(xì)胞的存活狀態(tài),反映心肌細(xì)胞受損傷的程度。如表2所示,與對照組比較,缺氧組上清液的T-AOC極顯著降低(P<0.01),而牦牛血低聚肽可提高心肌細(xì)胞上清液的T-AOC且顯現(xiàn)出質(zhì)量濃度依賴性(P<0.01),提示牦牛血低聚肽可減少細(xì)胞氧自由基、減少胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生[27],從而保護(hù)心肌細(xì)胞。
由細(xì)胞外信號導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡稱為死亡受體途徑[28],又稱外源性凋亡途徑。TNFR-Ⅰ和TNFR-Ⅱ是腫瘤壞死因子受體(TNFR)家族中的2個受體亞型[29],可介導(dǎo)細(xì)胞凋亡[30]。TNFR-Ⅰ經(jīng)過三聚體化后可激活Caspase途徑進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡;TNFR-Ⅱ的激活可抑制NFκB的活性進(jìn)而減少炎癥因子TNF-α的釋放,減少細(xì)胞凋亡[31]。本試驗結(jié)果顯示,缺氧組H9c2細(xì)胞上清液中TNF-α含量極顯著增高(P<0.01);牦牛血低聚肽3個劑量組均能劑量依耐性地降低缺氧H9c2細(xì)胞上清液中TNF-α含量,其中高劑量組效果最明顯(P<0.01)。結(jié)果提示,牦牛血低聚肽可通過死亡受體途徑減少TNF-α含量而發(fā)揮對心肌細(xì)胞缺氧損傷的保護(hù)作用。>
表2牦牛血低聚肽對細(xì)胞培養(yǎng)上清液中T-AOC、TNF-α的影響?
Table2EffectofyakbloodoligopeptideonT-AOCandTNF-alphaincellculturesupernatant
分組TNF-α/(pg·mL-1)T-AOC/(U·mL-1)正常對照組58.242±11.003 0.720±0.031 缺氧組 235.002±17.050##0.150±0.011##低劑量組 191.024±11.855##??0.180±0.008##?中劑量組 121.189±10.290##??0.504±0.016##??高劑量組 82.958±8.967#??0.571±0.016##??
? 與正常對照組相比,#P<0.05,##P<0.01;與缺氧組相比,* P<0.05,** P<0.01。
牦牛血低聚肽能夠劑量依賴性地提高缺氧(37 ℃,5% O2)條件下大鼠H9c2心肌細(xì)胞的存活率、降低其凋亡率以及LDH的釋放,表現(xiàn)出良好的缺氧細(xì)胞損傷防護(hù)功效。牦牛血低聚肽對缺氧H9c2大鼠心肌細(xì)胞的保護(hù)作用可能與其清除細(xì)胞氧自由基、抗細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化;抑制線粒體膜電位降低、抑制線粒體中細(xì)胞色素C的釋放、增加細(xì)胞中抗凋亡蛋白(Survivin)的表達(dá)、抑制凋亡蛋白(Caspase-3、Caspase-9)的表達(dá)、介導(dǎo)PI3K-Akt信號通路以及影響編碼上述蛋白的mRNA水平有關(guān)。在牦牛血低聚肽作用下抗缺氧相關(guān)蛋白之間的關(guān)聯(lián)和變化關(guān)系有待于在分子水平進(jìn)一步研究。