張 蒙,王偉然,馮 晨,張 依,張 倩,穆 祥
(北京農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 獸醫(yī)學(xué)(中醫(yī)藥)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)
當(dāng)機(jī)體的凝血過程被異常觸發(fā)時(shí),心血管系統(tǒng)中流動(dòng)的血液發(fā)生凝集,形成血栓。血栓的形成會(huì)引起肺梗死、心肌梗死等各種血栓性疾病,造成機(jī)體各組織和器官的壞死。目前,臨床上經(jīng)常使用抗凝藥物來治療血栓性疾病,但是抗凝藥物或制劑使用過多可造成機(jī)體出血、凝血功能障礙等副作用。因此,尋找一種對(duì)凝血和抗凝血功能具有雙向調(diào)控作用的藥物有助于為獸醫(yī)臨床治療血栓和出血提供參考。微血管內(nèi)皮細(xì)胞(microvascular endothelial cells, MECs)作為微血管通透性的主要物理屏障,通過分泌血小板激活因子和黏附蛋白、血栓調(diào)節(jié)蛋白、纖溶酶原激活劑抑制物和蛋白聚糖等活性因子調(diào)控和維持正常血液狀態(tài),是一種具有多種功能的分泌細(xì)胞。
益母草歷有“經(jīng)產(chǎn)良藥”、“血家圣藥”之稱,不僅具有活血通經(jīng)的功效,還具有一定的止血和凝血作用。iTRAQ技術(shù)作為蛋白組學(xué)的核心技術(shù)之一,具有通量高、重復(fù)性好、定量準(zhǔn)確的優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用在中藥及中藥方劑、中醫(yī)證候、藥效評(píng)價(jià)和藥物安全性的研究中。本實(shí)驗(yàn)室前期研究證明,益母草水煎液可以提高人合谷穴微血管舒縮活動(dòng)振幅(數(shù)據(jù)未發(fā)表),所以本研究選取人真皮微血管內(nèi)皮細(xì)胞(human dermal microvascular endothelial cells, HDMECs)通過iTRAQ技術(shù)探究益母草水煎液對(duì)HDMECs凝血級(jí)聯(lián)通路相關(guān)活性因子的作用,有助于益母草對(duì)獸醫(yī)臨床血栓和出血相關(guān)病癥治療的深入研究。
永生化改造后的人真皮微血管內(nèi)皮細(xì)胞(HDMECs)由獸醫(yī)學(xué)(中醫(yī)藥)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室留存;益母草(北京同仁堂),ECM(美國Sciencell),MTT(美國Sigma),DMSO(美國Sigma),血漿去高豐度蛋白試劑盒(美國ThermoFisher),TiO(日本島津),反轉(zhuǎn)錄試劑盒(江蘇康為世紀(jì)),人抗凝血酶Ⅲ(AT-Ⅲ)試劑盒、人凝血酶原片段F2試劑盒購自江蘇雨桐生物科技有限公司,qPCR試劑盒(美國KAPA Biosystems),TRIzol(美國invitrogen),TMT標(biāo)記試劑盒、iTRAQ標(biāo)記試劑盒、TFA、TEAB、DTT均購自上海生工生物工程有限公司。
稱取200 g益母草,2 L蒸餾水浸泡30 min,武火煮沸后轉(zhuǎn)文火煮1 h,過濾倒出藥液;藥渣重復(fù)煎煮1次,合并2次藥液,過濾3次,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至相應(yīng)濃度(0.49、0.98、1.96、3.92、7.84、15.68、31.36、50.00、62.72、100.00、125.00、500.00和1 000.00 μg·mL)于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
取第10代HDMECs接種于96孔板中,待細(xì)胞融合后將細(xì)胞隨機(jī)分為12組:空白組(僅5%ECM)和各濃度益母草水煎液組(5%ECM+0.49、0.98、1.96、3.92、7.84、15.68、31.36、62.72、125.00、500.00和1 000.00 μg·mL益母草水煎液)。培養(yǎng)24 h后,每孔加入10 μL 5 mg·mLMTT,避光4 h,每孔加入100 μL DMSO,振蕩混勻,在吸光度為490 nm下檢測。
取第10代HDMECs細(xì)胞,分為空白組(僅5%ECM)、50 μg·mL益母草水煎液組(5%ECM+50 μg·mL益母草水煎液)、100 μg·mL益母草水煎液組(5%ECM+100 μg·mL益母草水煎液),處理24 h后提取蛋白并鑒定,每個(gè)樣品取100 μg的蛋白溶液,加入DTT,使其終濃度為5 mmol·L,55 ℃還原30 min。加入碘乙酰胺,使得終濃度為10 mmol·L,室溫避光孵育15 min。加入丙酮沉淀蛋白,-20 ℃放置4 h以上。離心收集沉淀,加入TEAB復(fù)溶沉淀,加入胰酶37 ℃消化過夜,隨后凍干,按TMT標(biāo)記試劑盒和iTRAQ標(biāo)記試劑盒說明書進(jìn)行肽段標(biāo)記反應(yīng)。
每份樣品用納升流速Easy-nLC 液相系統(tǒng)進(jìn)行分離,流動(dòng)相A相為ACN-HO(2∶98),流動(dòng)相B相為ACN-HO(90∶10),色譜柱為Agilent Zorbax Extend-C18窄徑柱,流速為300 μL·min。待后肽段結(jié)束色譜分離后,進(jìn)行Q Exactive質(zhì)譜分析。
取第10代HDMECs細(xì)胞,分為空白組(僅5%ECM)、50 μg·mL益母草水煎液組(5%ECM+50 μg·mL益母草水煎液)、100 μg·mL益母草水煎液組(5%ECM+100 μg·mL益母草水煎液),處理24 h后提取RNA并進(jìn)行質(zhì)檢,按照qPCR試劑盒說明書進(jìn)行相對(duì)定量分析。
將第10代HDMECs接種至6孔細(xì)胞培養(yǎng)板中,待細(xì)胞融合后,分為空白組(僅5%ECM)、50 μg·mL益母草水煎液組(5%ECM+50 μg·mL益母草水煎液)、100 μg·mL益母草水煎液組(5%ECM+100 μg·mL益母草水煎液),24 h后收取細(xì)胞上清液,根據(jù)AT-Ⅲ和人凝血酶原片段F2試劑盒說明書檢測F2和AT-Ⅲ因子水平。
對(duì)篩選得到的差異蛋白進(jìn)行GO分析和Pathway分析,使用2方法分析熒光定量PCR,其余均使用Graphpad Prism 8.2.0進(jìn)行兩組間檢驗(yàn)和多組間ANOVA (one-way analysis of variance) 分析,以*<0.05表示差異顯著,**<0.01表示差異極顯著。
如圖1所示,與空白組(Control)相比,不同濃度的益母草水煎液作用24 h后,細(xì)胞增殖能力未顯著降低,表明1 mg·mL以下益母草水煎液作用于HDMECs細(xì)胞無毒副作用,可以進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
*.P<0.05;**.P<0.01。下同*.P<0.05;**.P<0.01。The same as below圖1 益母草水煎液對(duì)HDMECs細(xì)胞活力的影響Fig.1 The effect of Leonurus artemisia decoction on HDMECs cell viability
共鑒定到37 915個(gè)肽段、5 792個(gè)蛋白。如圖2所示,藍(lán)色的點(diǎn)表示下調(diào)差異表達(dá)蛋白,紅色的點(diǎn)為上調(diào)差異表達(dá)蛋白,灰色的點(diǎn)為非顯著差異表達(dá)蛋白。與空白組相比,50 μg·mL益母草水煎液組的差異表達(dá)蛋白有67個(gè),其中上調(diào)蛋白27個(gè),下調(diào)蛋白40個(gè)(圖2A);100 μg·mL益母草水煎液組的差異蛋白有34個(gè),其中上調(diào)蛋白15個(gè),下調(diào)蛋白19個(gè)(圖2B)。50 μg·mL益母草水煎液組和100 μg·mL益母草水煎液組相比,差異蛋白有61個(gè),其中上調(diào)蛋白28個(gè),下調(diào)蛋白33個(gè)(圖2C)。
A. 50 μg·mL-1益母草水煎液組與空白組差異表達(dá)蛋白火山圖;B. 100 μg·mL-1益母草水煎液組與空白組差異表達(dá)蛋白火山圖;C. 50和100 μg·mL-1益母草水煎液組差異表達(dá)蛋白火山圖A. The differentially expressed protein volcano graph between the 50 μg·mL-1 Leonurus artemisia decoction group and control group; B. The differentially expressed protein volcano graph between the 100 μg·mL-1 Leonurus artemisia decoction group and control group; C. The differentially expressed protein volcano graph in 50 and 100 μg·mL-1 Leonurus artemisia decoction groups圖2 差異表達(dá)蛋白火山圖Fig.2 Differentially expressed protein volcano maps
如圖3A和表1所示,50 μg·mL益母草水煎液組與空白組差異表達(dá)蛋白主要富集到生物學(xué)過程、細(xì)胞組成、分子功能,參與調(diào)節(jié)細(xì)胞外泌體、血管生成、血小板α顆粒、血小板脫顆粒、肝素結(jié)合、血小板活化、血液凝固等過程;圖3B和表2所示,100 μg·mL益母草水煎液組與空白組差異蛋白主要富集到生物學(xué)功能和細(xì)胞組成,參與調(diào)節(jié)細(xì)胞外泌體、血管生成等過程;圖3C和表3所示,50和100 μg·mL益母草水煎液組差異表達(dá)蛋白主要富集到生物學(xué)過程、細(xì)胞組成、分子功能,參與調(diào)節(jié)細(xì)胞外泌體、血管生成、血小板α顆粒、血小板脫顆粒、肝素結(jié)合、血小板活化等過程。在上述多個(gè)過程中共同影響的蛋白主要為HRG(富含組氨酸的糖蛋白)。
如圖4所示,與空白組相比,50 μg·mL益母草水煎液組差異表達(dá)蛋白影響的通路主要有補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)(<0.01)、肌動(dòng)蛋白和細(xì)胞骨架的調(diào)節(jié)(<0.01)、非洲錐蟲病(<0.05)、瘧疾(<0.05)、膽固醇代謝(<0.05)、癌癥(<0.05)、金黃色葡萄球菌感染(<0.05)、黑色素瘤(<0.05)、EGFR酪氨酸激酶抑制劑耐藥(<0.05)等(圖4A);100 μg·mL益母草水煎液組差異表達(dá)蛋白影響的通路主要有心肌收縮(<0.01)、肥厚型心肌病(<0.01)、心肌細(xì)胞的腎上腺素信號(hào)傳導(dǎo)(<0.01)、擴(kuò)張型心肌病(<0.01)、IL-17信號(hào)通路(<0.05)、?;撬岷团;撬岬拇x(<0.05)、雌激素信號(hào)通路(<0.05)、金黃色葡萄球菌感染(<0.05)、類固醇生物合成(<0.05)、補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)(>0.05)等(圖4B)。與50 μg·mL益母草水煎液組相比,100 μg·mL益母草水煎液組差異表達(dá)蛋白影響的通路主要為癌癥(<0.01)、金黃色葡萄球菌感染(<0.01)、肌動(dòng)蛋白和細(xì)胞骨架的調(diào)節(jié)(<0.01)、雌激素信號(hào)通路(<0.01)、補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)通路(<0.01)等(圖4C)。各組兩兩對(duì)比差異蛋白影響的共同通路為金黃色葡萄球菌感染、補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)通路?;谝陨辖Y(jié)果,猜測益母草水煎液可以通過補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)通路同時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)體的凝血與抗凝血功能,且其調(diào)節(jié)作用與益母草水煎液的濃度相關(guān)。
A.50 μg·mL-1益母草水煎液組與空白組差異表達(dá)蛋白GO富集分析;B. 100 μg·mL-1益母草水煎液組與空白組差異表達(dá)蛋白GO富集分析;C. 50和100 μg·mL-1益母草水煎液組差異表達(dá)蛋白GO富集分析A. The GO analysis of differentially expressed proteins between Leonurus artemisia decoction group and control group. B. The GO analysis of differentially expressed proteins between Leonurus artemisia decoction group and control group. C. The GO analysis of differentially expressed proteins in 50 and 100 μg·mL-1 Leonurus artemisia decoction groups圖3 差異表達(dá)蛋白GO富集分析結(jié)果Fig.3 GO analysis results of differentially expressed proteins
表1 50 μg·mL-1益母草水煎液組與空白組的GO富集分析
表2 100 μg·mL-1益母草水煎液組與空白組的GO富集分析
表3 50和100 μg·mL-1益母草水煎液組的GO富集分析
(轉(zhuǎn)下頁 Carried forward)
A. 50 μg·mL-1益母草水煎液組與空白組差異表達(dá)蛋白KEGG富集分析;B. 100 μg·mL-1益母草水煎液組與空白組差異表達(dá)蛋白KEGG富集分析;C. 50和100 μg·mL-1益母草水煎液組差異表達(dá)蛋白KEGG富集分析A. KEGG analysis of differentially expressed proteins between the 50 μg·mL-1 Leonurus artemisia decoction group and control group. B. KEGG analysis of differentially expressed proteins between the 100 μg·mL-1 Leonurus artemisia decoction group and control group. C. KEGG analysis of differentially expressed proteins in 50 and 100 μg·mL-1 Leonurus artemisia decoction groups圖4 差異表達(dá)蛋白KEGG富集分析結(jié)果Fig.4 KEGG analysis results of differentially expressed proteins
對(duì)補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)通路篩選到的5種可信差異表達(dá)蛋白分析,結(jié)果如圖5所示,與空白組相比,50 μg·mL益母草水煎液組F2、AT-Ⅲ、t-PA和KNG的表達(dá)量均極顯著降低(<0.01),F(xiàn)5的表達(dá)量顯著降低(<0.05);100 μg·mL益母草水煎液組AT-Ⅲ和t-PA極顯著降低(<0.01),F(xiàn)2和KNG顯著降低(<0.05),F(xiàn)5沒有明顯變化。與50 μg·mL益母草水煎液組相比,100 μg·mL益母草水煎液組F2、AT-Ⅲ、t-PA、KNG的表達(dá)量極顯著升高(<0.01),F(xiàn)5的表達(dá)量顯著升高(<0.05)。
A. F2水平;B. AT-Ⅲ水平;C. t-PA水平;D. KNG水平;E. F5水平A. The level of F2. B. The level of AT-Ⅲ. C. The level of t-PA. D. The level of KNG. E. The level of F5圖5 益母草水煎液對(duì)可信差異表達(dá)因子的影響Fig.5 The effect of Leonurus artemisia decoction on credible differentially expressed factors
根據(jù)蛋白組學(xué)結(jié)果,選擇拮抗性因子F2、AT-Ⅲ在基因和蛋白水平進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。RT-PCR和ELISA結(jié)果表明:與空白組相比,50 μg·mL益母草水煎液組2和-Ⅲ的基因表達(dá)水平極顯著降低(<0.01)、蛋白表達(dá)水平顯著降低(<0.05)(圖6 A、B、C、D);100 μg·mL益母草水煎液組2基因表達(dá)水平差異不顯著(>0.05)、蛋白表達(dá)水平顯著降低(<0.01)(圖6 A、C),-Ⅲ基因表達(dá)水平顯著降低(<0.01)、蛋白表達(dá)水平差異不顯著(>0.05)(圖6 B、D)。與50 μg·mL益母草水煎液組相比,100 μg·mL益母草水煎液組2基因表達(dá)水平顯著升高(<0.05),蛋白表達(dá)水平差異不顯著(>0.05)(圖6 A、C),-Ⅲ基因表達(dá)水平差異不顯著(>0.05)、AT-Ⅲ蛋白表達(dá)水平顯著升高(<0.05)(圖6 B、D)。驗(yàn)證結(jié)果與蛋白組學(xué)結(jié)果趨勢一致。
A. F2基因水平;B. AT-Ⅲ基因水平;C. F2蛋白水平;D. AT-Ⅲ蛋白水平A. The level of F2 genes; B. The level of AT-Ⅲ genes; C. The level of F2 proteins; D. The level of AT-Ⅲ proteins.圖6 F2和AT-Ⅲ的基因和蛋白表達(dá)水平Fig.6 Genes and proteins expression level of F2 and AT-Ⅲ
本試驗(yàn)采用iTRAQ技術(shù)對(duì)益母草水煎液干預(yù)前后的HDMECs進(jìn)行蛋白組學(xué)分析,GO富集分析結(jié)果顯示,各組差異蛋白主要被富集到生物學(xué)過程、細(xì)胞組成和分子功能,參與調(diào)節(jié)血液凝固、血管生成、細(xì)胞外泌體、血小板α顆粒、血小板脫顆粒、肝素結(jié)合、血小板活化等過程。血液凝固和纖溶能夠影響血管生成,并且當(dāng)機(jī)體凝血功能受損時(shí),血管生成被激活,加速凝血。Bhakuni等發(fā)現(xiàn)抗凝劑如肝素和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖可以有效抑制血管生成,從而發(fā)揮抗凝血的作用。細(xì)胞外泌體是細(xì)胞釋放的一類細(xì)胞外囊泡,伴有脂質(zhì)雙層膜,包含核酸、脂質(zhì)和細(xì)胞特異的蛋白質(zhì),可以通過介導(dǎo)特定性細(xì)胞之間的通信方式,將與其相互作用或融合的信號(hào)通路激活,現(xiàn)有研究也表明,細(xì)胞外泌體能夠通過促進(jìn)血管生成,進(jìn)而加速凝血。本試驗(yàn)中益母草水煎液能夠調(diào)節(jié)血液凝固、細(xì)胞外泌體、血管生成中的蛋白,表明益母草水煎液可能通過調(diào)節(jié)血液凝固和細(xì)胞外泌體過程影響血管生成,進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)體的凝血與抗凝血功能。血小板α顆粒、脫顆粒、活化均與血小板發(fā)揮凝血功能相關(guān),當(dāng)血小板受致病因素誘發(fā)時(shí),會(huì)造成其異常黏附,形成血栓。肝素是機(jī)體主要的抗凝血物質(zhì),能夠加速凝血酶失活進(jìn)一步抑制血栓。有研究表明,HRG(富含氨基酸的糖蛋白)能夠結(jié)合肝素、纖溶酶、纖維蛋白原和活化的血小板等蛋白,并且當(dāng)其水平過高時(shí)會(huì)出現(xiàn)血栓性疾病。差異表達(dá)蛋白結(jié)果顯示,50 μg·mL益母草水煎液組的差異表達(dá)蛋白主要與血小板α顆粒、血小板脫顆粒、肝素結(jié)合和血小板活化等過程相關(guān),并且在這些過程中共同影響的蛋白主要是HRG,表明益母草水煎液可能通過調(diào)控HRG調(diào)節(jié)血小板α顆粒、血小板脫顆粒、肝素結(jié)合和血小板活化等過程進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)體凝血和抗凝血功能。
KEGG通路分析表明,益母草水煎液各組對(duì)多個(gè)通路均具有調(diào)控作用,各組兩兩對(duì)比差異表達(dá)蛋白影響的共同通路為金黃色葡萄球菌感染、補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)通路。本試驗(yàn)最終篩選出與補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)通路有關(guān)的5種可信差異表達(dá)蛋白,主要有F2、AT-Ⅲ、t-PA、F5和KNG。凝血級(jí)聯(lián)具有共同的途徑,該途徑連接內(nèi)在和外在凝血途徑,活化因子X和輔助因子F5能與鈣、組織、血小板磷脂結(jié)合,將F2轉(zhuǎn)化為凝血酶,從而激活因子XIII并將纖維蛋白原分解為纖維蛋白,使纖維蛋白交聯(lián)形成穩(wěn)定的血凝塊。AT-Ⅲ是肝內(nèi)合成的一種單鏈α球蛋白,是絲氨酸蛋白抑制家族,AT-Ⅲ作為抑制血栓形成的主要生理物質(zhì),在正常生理狀態(tài)下可以和肝素結(jié)合發(fā)揮抑制凝血酶等多種凝血因子活性的作用,其活性的降低促使凝血功能亢進(jìn),有利于形成血栓。t-PA是一種能將纖溶酶原轉(zhuǎn)化成纖溶酶,發(fā)揮溶解纖維蛋白原作用的絲氨酸蛋白酶,在預(yù)防血栓形成中起著重要作用。KNG能夠抑制血小板的黏附聚集,延緩血栓的形成。本試驗(yàn)蛋白組學(xué)結(jié)果表明,與空白組相比,益母草水煎液各組F2、AT-Ⅲ、t-PA和KNG的含量均顯著下調(diào),F(xiàn)2含量降低表明益母草水煎液抑制了凝血酶的生成途徑,發(fā)揮了其抗凝血的作用,而益母草水煎液同時(shí)抑制AT-Ⅲ和t-PA表明其一定程度上有促進(jìn)凝血作用。研究表明,凝血途徑的過度激活會(huì)降低AT-Ⅲ的水平,還會(huì)導(dǎo)致其他凝血因子的過度消耗,所以并不能排除益母草水煎液只是激活了凝血途徑。Fernandes等研究發(fā)現(xiàn),在鉤端螺旋體病患者血清樣本中F2和AT-Ⅲ水平同時(shí)降低,推測可能與該疾病期間的出血表現(xiàn)有關(guān),提示機(jī)體正處于過度活化凝血狀態(tài),此結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果一致。與50 μg·mL益母草水煎液組相比,100 μg·mL益母草水煎液組F2、AT-Ⅲ、t-PA、F5和KNG的含量升高提示當(dāng)機(jī)體處于過度凝血狀態(tài)時(shí),一定濃度的益母草水煎液又能改善這種過度凝血狀態(tài),發(fā)揮抗凝作用。因此,凝血與抗凝過程均是由上述因子介導(dǎo)的,兩種因子的平衡偏移決定了機(jī)體啟動(dòng)凝血或抗凝過程。本研究以HDMECs為研究對(duì)象探究了益母草水煎液對(duì)參與凝血和抗凝血過程相關(guān)因子的體外調(diào)節(jié)作用,雖不能完全模擬體內(nèi)過程,但根據(jù)蛋白組學(xué)研究和對(duì)具有拮抗性作用的因子的驗(yàn)證可推測益母草水煎液可能通過補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)通路對(duì)機(jī)體凝血和抗凝血過程發(fā)揮潛在的調(diào)節(jié)作用,這種調(diào)節(jié)作用和其濃度相關(guān)。
本試驗(yàn)通過iTRAQ技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)益母草水煎液可顯著改變HDMECs的蛋白表達(dá)譜,雙向調(diào)節(jié)機(jī)體的凝血與抗凝血功能,且這種雙向調(diào)節(jié)作用和濃度相關(guān)。調(diào)節(jié)補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)通路相關(guān)因子F2、AT-Ⅲ、t-PA、F5、KNG蛋白的表達(dá)可能是其發(fā)揮雙向調(diào)控作用的機(jī)制之一。