劉斌 李吉平 劉君
上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院耳鼻咽喉科(上海200120)
哺乳動物的耳蝸是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜精細(xì)、排列高度有序的聽覺感受器官。耳蝸外側(cè)壁的血管紋是維持內(nèi)耳內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定非常重要的結(jié)構(gòu),血管紋的緣細(xì)胞對于維持耳蝸內(nèi)淋巴液中高濃度的K+積聚及內(nèi)外淋巴液中K+的循環(huán)有著重要意義[1]。在耳蝸中,三磷酸腺苷(ATP)是對調(diào)節(jié)聲轉(zhuǎn)導(dǎo)、聽敏度、外毛細(xì)胞主動的機(jī)械放大、耳蝸內(nèi)電位、耳蝸內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、控制血管張力等具有關(guān)鍵作用的信號分子[2]。目前的研究認(rèn)為耳蝸中ATP的主要來源有三種:①血管紋的緣細(xì)胞;②未成熟的耳蝸大上皮嵴的支持細(xì)胞;③成熟耳蝸的支持細(xì)胞[3,4]。陳潔等[5]發(fā)現(xiàn)ATP以囊泡的形式儲存于新生大鼠耳蝸血管紋緣細(xì)胞中,并且可向胞外釋放ATP。在我們之前的實驗中[6],進(jìn)一步證實了ATP以囊泡的形式儲存在緣細(xì)胞的溶酶體中,ATP釋放的量可以被鈣離子依賴的拮抗劑所抑制,在單獨(dú)加入溶酶體膜裂解劑,即溶酶體肽鏈端解酶組織蛋白C(glycyl-L-phenylalanine-3-naphthylamide,GPN)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫耗竭劑-毒胡蘿卜素(TG)后,細(xì)胞外液中ATP的含量增加,而GPN不能使TG處理過的細(xì)胞外液中ATP含量增加,提示緣細(xì)胞胞外ATP釋放與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的鈣庫之間存在相互作用,但是未能闡明具體機(jī)制。有研究發(fā)現(xiàn)P2嘌呤受體廣泛表達(dá)于內(nèi)耳組織中,P2Y受體主要分布于內(nèi)外毛細(xì)胞、支持細(xì)胞和血管紋組織內(nèi)[7]。同時,1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)受體在大鼠耳蝸血管紋中均發(fā)現(xiàn)有表達(dá)[8]。在人類間充質(zhì)干細(xì)胞和分離的胰島細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),在細(xì)胞外液無鈣離子的環(huán)境中,ATP可以通過P2YR-PLC-IP3觸發(fā)鈣波的釋放[9,10]。國內(nèi)外近期研究發(fā)現(xiàn),在星形膠質(zhì)細(xì)胞中,ATP通過溶酶體胞吐作用釋放至細(xì)胞膜外,從而發(fā)揮生物學(xué)作用,單核細(xì)胞通過鈣依賴性的P2YR-PLC-IP3嘌呤信號系統(tǒng)觸發(fā)溶酶體胞吐作用釋放ATP[11,12]。在單核細(xì)胞中加入TG,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放的鈣離子可以觸發(fā)溶酶體胞吐作用,引起細(xì)胞外液中ATP釋放量增加[12]。在原代培養(yǎng)的緣細(xì)胞中,我們[6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入GPN后,標(biāo)記溶酶體胞吐作用的染料FM1-43熒光強(qiáng)度增強(qiáng),同時伴ATP濃度增高,未能闡述鈣離子與ATP釋放機(jī)制之間的關(guān)系。ATP通過作用于P2嘌呤受體參與調(diào)節(jié)耳蝸聽覺生理功能,因此研究ATP在血管紋緣細(xì)胞中的釋放和作用機(jī)制有重要意義。本研究將著重闡述新生大鼠耳蝸血管紋緣細(xì)胞中ATP與鈣依賴性的嘌呤信號系統(tǒng)及溶酶體胞吐機(jī)制之間的關(guān)系。
SD新生大鼠購自中科院上海實驗動物中心,研究方案得到上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)。鈣離子熒光探針Fluo-4AM(貨號S1060)、溶酶體熒光探針(貨號C1046)均購自江蘇碧云天生物有限公司。β-氨基己糖苷酶底物(貨號N9376)購自sigma公司。CellTiter-G10TM(貨號G7571)試劑盒購自promega公司。
采用出生1天的SD大鼠,在冰浴無菌DPBS溶液中打開尚未骨化的聽泡壁,完整剝開蝸殼后暴露蝸軸,從底回至頂回撕下整個膜迷路,分離血管紋。具體方案按照我們既往的實驗研究[6]。
取出培養(yǎng)的細(xì)胞,除去培養(yǎng)基,使用不含鈣離子的HBSS溶液洗滌細(xì)胞3次。先加入0.1μM lysotracker,37°C細(xì)胞培養(yǎng)箱孵育30分鐘,溶液量以覆蓋細(xì)胞為準(zhǔn)。再加入2.5μM Fluo 4-AM工作液,與Lysotracker在37°C細(xì)胞培養(yǎng)箱共同孵育30分鐘。除去Fluo 4-AM工作液,用HBSS溶液洗滌細(xì)胞3次,以充分去除殘留的Fluo 4-AM和Lysotracker工作液。然后加入HBSS溶液覆蓋細(xì)胞。37°C培養(yǎng)箱孵育約20-30分鐘。在激光共聚焦顯微鏡下觀察并攝影,做熒光染色分析。
采用CellTiter-G10TM試劑盒,將ATP標(biāo)準(zhǔn)物(Sigma-Aldrich,A6559,USA)10倍稀釋,用酶標(biāo)儀(SpectraMax M2e,Molecular Devices,USA))的LUM模式測定不同ATP濃度時的生物發(fā)光強(qiáng)度,將1×104細(xì)胞接種于96板中過夜,每孔100μl培養(yǎng)液,同時準(zhǔn)備對照孔,只加培養(yǎng)液,不含細(xì)胞;每孔中加入與培養(yǎng)液等體積的混合反應(yīng)液;在混勻器中混勻2 min;將96孔板放置于室溫中10 min,以獲取穩(wěn)定的熒光信號;檢測發(fā)光強(qiáng)度。再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線算出不同處理組中的ATP濃度。實驗重復(fù)3次,每次設(shè)立3個復(fù)孔。
1×104緣細(xì)胞接種于24孔細(xì)胞培養(yǎng)板中,吸去培養(yǎng)液并以孵育緩沖液淋洗3遍,每孔加入100μl孵育緩沖液37℃預(yù)孵育10min。分別加入不同濃度受試液100μl或等量的陰性對照(緩沖液),37℃孵育5 min,孵育結(jié)束后冰浴10min終止反應(yīng),取各孔上清液100μl轉(zhuǎn)入96孔培養(yǎng)板中,同時加入100μl底物(p-nitrophenyl-N-acetyl-β-D-glucosaminide(4 mmol/L),37℃孵育60min,最后加入200μl終止液(200 mmol/L)甘氨酸緩沖液(pH 10.7))終止反應(yīng),測定405nm各孔反應(yīng)液吸光度。移去24孔板中各孔剩余上清液,然后每孔加入200μl Triton X-100(0.5%)裂解細(xì)胞,裂解液3000rpm×1min離心,取上清100μl轉(zhuǎn)入96孔培養(yǎng)板中,同上操作測定細(xì)胞裂解液中β-氨基己糖苷酶含量。根據(jù)公式計算不同處理組β-氨基己糖苷酶釋放量。β-氨基己糖苷酶釋放量(%)=[上清液吸光度/(上清液吸光度+細(xì)胞裂解液吸光度)]×100%。每次獨(dú)立實驗重復(fù)三次。
本研究中的數(shù)據(jù)分析采用的是SPSS 26.0 software(IBM SPSS Inc.),圖像處理所用軟件為Graph-Pad Prism v5.0(GraphPad Software,Inc.);統(tǒng)計學(xué)方法為單因素方差分析。
在原代培養(yǎng)的緣細(xì)胞中,加入30μmol/L ATP后,鈣離子熒光強(qiáng)度增強(qiáng),2分鐘時熒光強(qiáng)度最大值(Fmax/F0)為2.379±0.639。在預(yù)先加入非選擇性P2Y嘌呤受體抑制劑100 μmol/L Suramin,再加入30μmol/L ATP后,鈣離子釋放幾乎完全被抑制(Fmax/F0=1.017±.063,P<0.05),說明ATP誘導(dǎo)的鈣離子依賴于P2Y受體的參與。當(dāng)預(yù)先加入100μmol/L IP3受體拮抗劑2-APB和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫拮抗劑TG后,2-APB組(Fmax/F0=1.01±0.082)和TG組(Fmax/F0=1.02±0.067)鈣離子熒光強(qiáng)度相較于ATP處理組顯著降低(P<0.05),而與Suramin組對比無明顯變化,說明在細(xì)胞外液無鈣離子的情況下ATP誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放完全依賴于P2YR-PLC-IP3信號系統(tǒng)作用內(nèi)質(zhì)網(wǎng),誘導(dǎo)鈣離子從中釋放。見圖1,圖4。
圖1 ATP誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放可以被P2YR-PLC-IP3通路拮抗劑所抑制Fig.1 ATP-evoked ER Ca2+responses can be blocked by P2YR-PLC-IP3 inhibitors.A.ATP誘導(dǎo)緣細(xì)胞內(nèi)鈣離子釋放;B-D ATP誘導(dǎo)的鈣離子釋放可以完全被P2YR-PLC-IP3嘌呤信號受體抑制劑拮抗。A.ATP can evoke Ca2+responses of marginal cells;B-DATP-evoked Ca2+responses can be completely blocked by P2YR-PLC-IP3 inhibitors.
在加入200 μmol/L GPN 3分鐘后,鈣離子熒光探針(綠色)強(qiáng)度增強(qiáng),同時溶酶體熒光探針(紅色)染色消失。在GPN的作用下,溶酶體裂解僅用了3分鐘,而鈣離子的反應(yīng)性升高持續(xù)了約15分鐘,說明溶酶體裂解后對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫釋放存在促進(jìn)作用。見圖2。
圖2 GPN誘導(dǎo)鈣離子熒光強(qiáng)度升高和溶酶體裂解Fig.2 GPN evoked Ca2+responses and lysosomes lysis.
在原代培養(yǎng)的緣細(xì)胞中加入200 μmol/L GPN后,鈣離子熒光強(qiáng)度逐漸升高且持續(xù)了約15分鐘,而溶酶體熒光探針染色在3分鐘內(nèi)消失(圖2)。而在預(yù)先分別加入P2YR和IP3受體抑制劑100 μmol/L Suramin和100 μmol/L 2-APB孵育15分鐘,再加入200 μmol/L GPN 3分鐘后,Suramin組(Fmax/F0=1.61±0.23)和2-APB(Fmax/F0=1.640.18)組鈣離子熒光強(qiáng)度相較于單獨(dú)加入GPN組(Fmax/F0=2.46±4.12)顯著降低(P<0.05),說明P2Y嘌呤受體在GPN誘導(dǎo)的鈣離子反應(yīng)中起作用,鈣離子反應(yīng)并未完全被抑制。在加入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫耗竭劑5μmol/L TG預(yù)先孵育15分鐘,再加入GPN 2分鐘后,鈣離子熒光強(qiáng)度相較于嘌呤受體抑制劑組顯著降低(Fmax/F0=1.32±0.14,P<0.05),說明在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫未被完全拮抗前,溶酶體內(nèi)鈣離子對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫釋放有促進(jìn)作用。見圖3,圖4。
圖3 P2YR-PLC-IP3通路拮抗劑可以抑制GPN誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放Fig.3 GPN-evoked ER Ca2+responses can be blocked by P2YR-PLC-IP3 inhibitors
圖4 P2YR-PLC-IP3通路抑制劑對于ATP和溶酶體膜裂解劑(GPN)誘導(dǎo)的鈣離子反應(yīng)的抑制作用。Fig.4 ATPandGPN-evokedERCa2+responsescanbeblocked by P2YR-PLC-IP3 inhibitors.A:P2YR-PLC-IP3通路抑制劑對于ATP誘導(dǎo)的鈣離子反應(yīng)的抑制作用,ATP組胞內(nèi)鈣離子釋放濃度顯著強(qiáng)于預(yù)先孵育P2YR-PLC-IP3通路抑制劑組,有統(tǒng)計學(xué)意義*P<0.05。B:P2YR-PLC-IP3通路抑制劑對于GPN誘導(dǎo)的鈣離子反應(yīng)的抑制作用,GPN組胞內(nèi)鈣離子釋放濃度顯著強(qiáng)于預(yù)先孵育P2YR-PLC-IP3通路抑制劑組,有統(tǒng)計學(xué)意義·*P<0.05。預(yù)先孵育Suramin和2-APB組胞內(nèi)鈣離子釋放濃度顯著高于預(yù)先孵育TG組,有統(tǒng)計學(xué)意義**P<0.05。C:BAPTA-AM對于細(xì)胞內(nèi)鈣離子反應(yīng)的抑制作用,BAPTA-AM組胞內(nèi)鈣離子釋放濃度顯著低于對照組,有統(tǒng)計學(xué)意義*P<0.05。A:ATP-evoked ER Ca2+responses can be blocked by P2YR-PLC-IP3 inhibitors,*P<0.05 compared with P2YP-PLC-IP3 inhibitors.B:GPN-evoked ER Ca2+responses can be blocked by P2YRPLC-IP3 inhibitors.*P<0.05 compared with P2YR-PLC withP2YR-PLC-IP3inhibitors.**P<0.05comparedwith pre-incubation with Suramin and 2-APB.C:ER Ca2+responses can be blocked by BAPTA-AM,**P<0.05 compared with control.
在加入鈣離子拮抗劑50 μmol/L BAPTA-AM后,細(xì)胞內(nèi)鈣離子熒光強(qiáng)度、ATP濃度均降低,說明緣細(xì)胞外ATP的釋放依賴于細(xì)胞內(nèi)的鈣離子。在加入5 μmol/L TG后和200 μmol/L GPN后,ATP釋放量較未處理組顯著升高,TG+GPN處理組(4.67±0.47μmol)較GPN處理組(7.00±0.63μmol)顯著降低(P<0.05),說明緣細(xì)胞中ATP的釋放量與鈣離子濃度呈正相關(guān)。同時,加入GPN和TG后,β-氨基己糖苷酶釋放率與ATP釋放增高的趨勢相同,說明細(xì)胞外ATP濃度與溶酶體胞吐作用呈正相關(guān),兩者又與細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度呈正相關(guān),ATP的釋放依賴于溶酶體的胞吐作用,溶酶體的胞吐作用又依賴于胞內(nèi)鈣離子濃度。見圖4,圖5。
圖5緣細(xì)胞中的ATP和β-氨基己糖苷酶釋放率是鈣依賴性的Fig.5 Release of ATP and β-hexosaminidase are Ca2+dependent in marginal cellsA.ATP在未處理組、TG+GPN組、GPN組和BAPTA-AM組中的釋放量(n=9)。TG+GPN組較未處理組顯著升高,有統(tǒng)計學(xué)意義*P<0.05;GPN組較未處理組和TG+GPN組顯著升高,有統(tǒng)計學(xué)意義**P<0.05;BAPTA-AM組較未處理組顯著降低,有統(tǒng)計學(xué)意義#P<0.05。B.β-氨基己糖苷酶在TG、GPN處理因素下的釋放量(n=3)。TG組較對照組顯著升高,有統(tǒng)計學(xué)意義*P<0.05;GPN組較TG組顯著升高,**P<0.05有統(tǒng)計學(xué)意義。A.Release of ATP of untreated、TG+GPN and BAPTA-AM(n=9).*P<0.05 compared with untreated;**P<0.05 compared with TG+GPN;#P<0.05 compared with untreated.B.Release of β-hexosaminidase under treatment with TG and GPN.*P<0.05 compared with control;**P<0.05 compared with GPN.
在哺乳動物耳蝸中,ATP作為一種神經(jīng)遞質(zhì)廣泛參與了聽覺的形成、蝸內(nèi)電位的產(chǎn)生以及內(nèi)耳中鉀離子的循環(huán)[13]。血管紋在維持耳蝸內(nèi)穩(wěn)態(tài)、產(chǎn)生耳蝸內(nèi)電位(EP)、參與內(nèi)淋巴液形成以及K+的分泌與循環(huán)等方面有著重要作用[14]。作為耳蝸內(nèi)ATP重要的來源之一,關(guān)于緣細(xì)胞的研究,最早由White等[15]用一種ATP特異性結(jié)合染料喹丫因?qū)壖?xì)胞處理后,發(fā)現(xiàn)ATP以囊泡的形式儲存在細(xì)胞中,但未具體闡述是何種細(xì)胞器。在我們之前的研究中[6]發(fā)現(xiàn),ATP以囊泡的形式儲存在溶酶體,并且在加入溶酶體膜裂解劑后,在電鏡下發(fā)現(xiàn)ATP以囊泡的形式胞吐出細(xì)胞膜,但未能闡明ATP是以何種機(jī)制釋放至細(xì)胞外。在單核細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞中,ATP被證實是通過鈣離子依賴性的溶酶體胞吐作用釋放至細(xì)胞外[11,12,16]。在哺乳動物耳蝸中,Zhao等[13]發(fā)現(xiàn)了一種表達(dá)于細(xì)胞膜的Pannexin1(Panx1)通道,可以作為一種非結(jié)合性的通道釋放ATP,廣泛表達(dá)于耳蝸外側(cè)壁,但在緣細(xì)胞上未發(fā)現(xiàn)其存在。在Zhao等[17]的研究中還發(fā)現(xiàn)耳蝸中存在一種縫隙連接(gap junction),連接于細(xì)胞間,通過在細(xì)胞間釋放IP3進(jìn)而促進(jìn)ATP的釋放,但未在緣細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)表達(dá)。ATP通過P2Y和P2X兩種受體發(fā)揮作用,P2Y和P2X受體在耳蝸中廣泛表達(dá)。在P2Y受體中,P2Y4和P2Y2受體在不同學(xué)者的研究中均認(rèn)為表達(dá)于耳蝸血管紋,尚不清楚是否表達(dá)于緣細(xì)胞[18,19]。在國內(nèi)Liu等[20]的研究中,IP3受體在新生大鼠耳蝸中主要表達(dá)于內(nèi)外毛細(xì)胞和血管紋。
在我們的研究中,當(dāng)加入非選擇性P2嘌呤受體抑制劑Suramin時,ATP誘導(dǎo)的鈣離子反應(yīng)可被抑制。據(jù)報道,Suramin主要抑制可被ATP和UTP激活的P2Y2受體,而不能抑制P2Y4受體[21]。同樣的現(xiàn)象在間充質(zhì)干細(xì)胞、分離的胰島細(xì)胞中也被發(fā)現(xiàn),說明ATP誘導(dǎo)的胞內(nèi)鈣離子釋放依賴于P2Y嘌呤受體的參與[10,22]。然而,國外學(xué)者發(fā)現(xiàn)ATP在平滑肌細(xì)胞中可以通過IP3受體抑制鈣離子從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放[23]。當(dāng)預(yù)先加入P2YR-PLC-IP3拮抗劑,再加入GPN后,鈣離子熒光強(qiáng)度顯著被抑制;在加入BAPTA-AM(鈣離子拮抗劑)后,鈣離子熒光強(qiáng)度降低的同時,ATP釋放量降低,說明ATP在緣細(xì)胞內(nèi)是以鈣離子依賴的方式釋放。在培養(yǎng)的緣細(xì)胞中預(yù)先加入TG,再加入GPN后,此時鈣離子熒光強(qiáng)度較加入Suramin和2-APB時顯著降低,即當(dāng)TG把內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫耗竭后,GPN不能使TG處理過的緣細(xì)胞外液中ATP含量增加,說明溶酶體在GPN作用后對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫釋放具有促進(jìn)作用。鈣離子在細(xì)胞內(nèi)外廣泛存在,在胞內(nèi)主要儲存在酸性細(xì)胞器中包括線粒體、溶酶體和高爾基體中[24]。在成纖維細(xì)胞中,發(fā)現(xiàn)溶酶體儲存的鈣離子在溶酶體裂解后可以通過IP3和蘭尼堿受體觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫進(jìn)一步釋放[25]。蘭尼堿受體廣泛表達(dá)于哺乳動物耳蝸中,在新生和成熟大鼠中,均發(fā)現(xiàn)表達(dá)于血管紋[26,27]。國外近期研究發(fā)現(xiàn)溶酶體作為非標(biāo)準(zhǔn)性鈣庫,通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3受體和蘭尼堿受體釋放鈣離子從而促進(jìn)鈣離子動員信使NAADP(Nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate)的產(chǎn)生,作用于溶酶體膜表面的TPCs(two-pore channels)促進(jìn)溶酶體中的鈣離子釋放,釋放至胞質(zhì)中的鈣離子通過作用于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3受體和蘭尼堿受體,從而達(dá)到鈣觸發(fā)鈣釋放(CICR)[28]。這與我們在ATP釋放實驗和β-氨基己糖苷酶釋放率實驗中,所觀察到的趨勢相一致,說明在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫衰竭后,GPN作用后釋放出的鈣離子不能再對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫起作用。ATP釋放量與溶酶體胞吐作用呈正相關(guān),前者與鈣離子的熒光強(qiáng)度呈正相關(guān),目前關(guān)于ATP如何在溶酶體中聚集的機(jī)制尚不明確,國外學(xué)者[29]認(rèn)為ATP可以通過結(jié)合于溶酶體膜上的ATP結(jié)合盒蛋白(ATP-binding-cassette proteins)在質(zhì)子泵的作用下進(jìn)入溶酶體,但具體的機(jī)制有待進(jìn)一步研究。Mu?oz等[30]發(fā)現(xiàn)當(dāng)血管紋緣細(xì)胞處于噪聲刺激時,釋放至內(nèi)淋巴的ATP含量增加。在缺氧的Hela細(xì)胞中,ATP儲存于自噬溶酶體中,并通過VAMP7結(jié)構(gòu)依懶性方式釋放至胞外[31]。在缺氧的成骨細(xì)胞中,當(dāng)加入自噬抑制劑6-氨基-3-甲基嘌呤后,胞外ATP的濃度顯著降低,同時激活Caspase3/7介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡通路[32]。目前在國內(nèi)外,尚無關(guān)于耳蝸血管紋緣細(xì)胞在病理狀態(tài)下ATP釋放機(jī)制的研究。
本研究結(jié)果提示:在新生大鼠耳蝸血管紋緣細(xì)胞中,細(xì)胞外ATP通過P2YR-IP3-PLC通路觸發(fā)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫釋放,可以促進(jìn)溶酶體的胞吐作用,從而將ATP以囊泡的形式釋放到胞膜外,從而發(fā)揮其生物學(xué)功能。