DOI:10.20047/j.issn1673-7210.25080148
中图分类号:R363.2
李晓洁1, 田维毅1, 王宇辉2, 周谊霞1
| 【作者机构】 | 1贵州中医药大学护理学院; 2北京大学基础医学院心血管病研究所 |
| 【分 类 号】 | R363.2 |
| 【基 金】 | 国家自然科学基金资助项目(82160099、81860089) 贵州省高层次创新型人才项目(黔科合平台人才-GCC[2023]085)。 |
心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)是全球导致死亡的主要原因[1-2]。CVD发病年龄逐渐年轻化,给社会和家庭带来沉重负担[3-5]。CVD主要由动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)引起[6]。AS是一个高度复杂、多步骤的过程,与炎症、血脂异常、肠道菌群失调和动脉平滑肌表型转换等有关[7-10]。单核细胞趋化蛋白诱导蛋白1(monocyte chemoattractant protein-induced protein 1,MCPIP1)作为转录因子,具有RNA内切酶和去泛素化酶活性[11-13]。MCPIP1在炎症反应、细胞增殖、脂类代谢等多种生物学过程中发挥重要作用[14-16]。研究表明,MCPIP1参与AS起始、进展等过程,但MCPIP1参与AS的机制目前尚不完全清楚[17]。细胞模型尤其是具有组织器官特异性和生物真实性的原代细胞模型,在生物学研究中发挥不可或缺的作用。动物疾病模型用于研究人类疾病,克服在多种疾病患者中进行实验的局限[18]。建立细胞和动物模型对研究MCPIP1在AS发生、发展中的作用至关重要。在本研究中,分别利用质粒介导法和Cre介导的基因敲除(knockout,KO)法建立原代细胞和动物模型。
1.1.1 原代人主动脉平滑肌细胞(human vascular smooth muscle cells,hVSMCs)
主动脉组织标本取自2020—2021年贵州中医药大学第二附属医院心血管科手术患者。通过直接贴壁法利用组织块培养获取原代hVSMCs。试验方案经贵州中医药大学第二附属医院伦理委员会审查并批准(KY2020046)。
1.1.2 实验动物
MCPIP1flox/flox小鼠,SPF级,雌、雄各3只,8周龄,体质量20~23 g;Cre-ERT2小鼠,SPF级,雌、雄各3只,8周龄,体质量20~22 g,均系卡尔加里大学卡明医学院郑熙隆教授所赠。实验动物生产许可证号:SCXK(京)2022-0009,实验动物合格证号:HLR1864,实验动物使用许可证号:XYXK(黔)2021-0005。饲养环境为SPF级:温度为22~24 ℃,湿度为60%~80%,昼夜节律为12/12 h。
CO2培养箱(型号:MCO-175)购于日本SANYO公司;垂直电泳槽(型号:AE-8800)购于美国Bio-Red公司;台式低温超高速离心机(型号:Fresco 17/21)购于美国Thermo Scientific公司;显微镜+数码摄像系统(型号:BX43FC)购于日本OLYMPUS公司;PCR仪(型号:9700)购于美国Applied Biosystems公司;凝胶呈相系统(型号:2500R)购于上海天能生命科学有限公司。
T载体(PMD 18-T simple vector,批号:K6801AB)购于日本TaKaRa公司;High Capacity cDNA Reverse Transcription Kit(Foster City,CA)、Lipofectamine3000试剂(货号:11668-019)购于美国Invitrogen公司;PVDF膜(货号:ISEQ00010)购于美国Millipore公司;FBS(货号:SH30070.03)购于美国Hyclone公司;BrdU检测试剂盒(货号:11499730001)购于美国Sigma公司;Myocardin抗体(货号:AF0023)购于美国Affinity公司;SM22抗体(货号:ab137453)、MCPIP1抗体(货号:ab97910)、羊抗兔IgG抗体/二抗(货号:ab6717)购于美国Abcam公司;Calponin抗体(货号:A27934)、α-SMA抗体(货号:A2235)购于武汉爱博泰克生物科技有限公司;β-actin抗体(货号:SA00001-2)购于武汉三鹰生物技术有限公司。
1.3.1 细胞模型的构建与验证
1.3.1.1 原代hVSMCs分离、培养及鉴定 将组织切成约1 mm×1 mm×1 mm小块,加入少量培养基,置于37 ℃、5%CO2培养箱中培养3~4 h后,加入0.5~1.0 ml培养基,使培养基水平与组织块的厚度一致;培养48 h后,更换为含10%胎牛血清的IMDM培养基。收集细胞进行免疫荧光染色以验证细胞类型。
1.3.1.2 质粒构建 根据GenBank数据库中MCPIP1 mRNA序列设计引物。引物序列如下:
AATGAGTGGCCCCT-3’(下划线部分为EcoRI的酶切位点),引物长度为20 bp;5’-
-TGGGGTGCTG-3’(下划线部分为HindⅢ的酶切位点),引物长度为25 bp。以人外周血单核细胞cDNA为模板扩增MCPIP1全长,反应条件:62 ℃退火30 s,72 ℃延伸10 min。使用DNA凝胶回收试剂盒回收PCR产物。利用EcoRI和HindⅢ内切酶将pCMV/tag2a质粒转为线性质粒,通过T4 DNA连接酶与PCR产物相连,并将其转入DH5a感受态细菌中,感受态细胞铺于LB培养基中培养过夜,次日挑取阳性单克隆细菌扩增,提取质粒酶切片断进行琼脂糖凝胶电泳验证,同时阳性克隆经全自动DNA测序仪测定cDNA序列。
1.3.1.3 细胞分组 将细胞分为对照组、转染携带绿色荧光pCMV空质粒组(pCMV-GFP组)、转染pCMV-MCPIP1质粒组(pCMV-MCPIP1组)。
1.3.1.4 细胞转染 细胞培养至密度为80%~90%时使用Lipofectamine3000试剂进行质粒转染,操作步骤按照说明书进行。MCPIP1质粒浓度为0.2、0.5、1.0 g/L,24 h后收集细胞用于后续分析。
1.3.1.5 Western blot法检测蛋白表达 转染24 h后收集细胞,加入1 ml RIPA裂解细胞液提取总蛋白。将50 μg蛋白100 ℃煮沸10 min,然后装载到12% SDS-PAGE凝胶上进行分离,并将蛋白转移至PVDF膜。5%脱脂牛奶TBST溶液室温封闭1 h,依次孵育MCPIP1抗体(1∶500)、Myocardin抗体(1∶800)、α-SMA抗体(1∶1 000)、SM22抗体(1∶1 000)、β-actin抗体(1∶3 000)、4 ℃孵育过夜。TBST洗涤3次后,将膜与二抗(1∶1 000)室温孵育1 h,吸干后ECL显影液曝光。采用Tanon Gis分析系统进行灰度值测定。
1.3.1.6 免疫荧光染色检测 室温下用0.3% Triton X-100和5% BSA在PBS中处理细胞1 h。Calponin抗体(1∶500)、α-SMA抗体(1∶300)、SM22抗体(1∶500)4 ℃孵育2 h,PBS洗3次,每次5 min。二抗为羊抗兔IgG(1∶500稀释),室温孵育2 h。PBS清洗3次,5 min/次,用含有DAPI的封闭剂固定细胞,并在荧光显微镜下观察。
1.3.1.7 细胞增殖 转染24 h后收集细胞,按分组要求处理后弃上清,加入4%多聚甲醛固定细胞,随后依次加入盐酸工作液孵育40 min、3%牛血清白蛋白封闭30 min、BrdU抗体(1∶250)孵育过夜,PBS缓冲液洗涤3次,加入与一抗相应种属的二抗(1∶1 000)孵育50 min,加入DAPI的抗荧光衰减封片剂室温孵育10 min,于不同通道下采集图像,计算细胞中BrdU阳性表达率。
1.3.2 动物模型的构建与验证
1.3.2.1 MCPIP1flox/flox动物模型 实验动物按照动物伦理使用准则进行饲养和实验,实验动物伦理由贵州医科大学动物伦理委员会批准(2001015)。Cre-ERT2小鼠作为Cre-loxP重组系统基因编辑动物。使用他莫昔芬实现基因KO的时间诱导调控。其原理如下:Cre最初定位于细胞质中,当突变的雌激素受体的配体结合区与Cre融合时,胞浆蛋白HSP90与Cre结合并保持在胞浆中。此时,Cre-ERT2处于无活性状态。给予他莫昔芬后,代谢物4-OHT与Cre-ERT2结合,HSP90解离,Cre-ERT2进入细胞核,发挥Cre重组酶活性,其可识别loxP位点并发生重组。见图1。
图1 Cre-ERT2小鼠模型构建示意图
构建hVSMCs特异性MCPIP1 KO小鼠的步骤:第一步,将在hVSMCs中特异性表达Cre酶的雄性小鼠(ACTA1-Cre)与携带MCPIP1flox/flox的雌性小鼠交配,筛选F1代MCPIP1(ACTA1-Cre,MCPIP1flox/+)的hVSMCs特异性KO杂合子。从小鼠尾尖提取DNA,琼脂糖凝胶电泳,进行基因型鉴定。第二步,雄性和雌性ACTA1-Cre;MCPIP1flox/+小鼠交配获得F2代3种基因型小鼠:ACTA1-Cre;MCPIP1+/+(WT)、ACTA1-Cre;MCPIP1flox/+(MCPIP1特异性KO杂合子)、ACTA1-Cre;MCPIP1 flox/flox(MCPIP1特异性KO纯合子)。见图2。
图2 MCPIP1基因小鼠构建流程图
1.3.2.2 RT-PCR法检测基因型 取小鼠尾部组织100 mg液氮下磨碎后加入1 ml Trizol提取RNA。冰上将RNA反转录为cDNA,取1 μl反应液进行RT-PCR分析。反应体系总体积20 μl:2×Universal SYBR Green Fast qPCR Mix 10 μl,模板cDNA 2 μl,正、反向引物各0.5 μl,ddH2O 7 μl。扩增条件:95 ℃预变性3 min;95 ℃变性5 s;MCPIP1退火温度59 ℃、退火时间30 s,WT退火温度60 ℃、退火时间30 s;72 ℃延伸30 s,循环35次。引物序列见表1。
表1 引物序列
基因名称引物序列(5’→3’)引物长度(bp)MCPIP1正向引物:CTTTGGAGCACAGGAAGCAG20反向引物:GAGAGCTGGACTGGGATGAA20 WT正向引物:GCCTTCCTGATCCTATTGGAG21反向引物:GCCTCTTGTCACTCCCTCCTCC22
注 MCPIP1:单核细胞趋化蛋白诱导蛋白1。
采用SPSS 25.0统计学软件进行数据分析。计量资料以均数±标准差(
)表示,组间比较采用t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
免疫荧光染色结果显示,所获细胞群体中高比例表达hVSMCs特异性标志物Calponin、α-SMA、SM22。见图3。
图3 免疫荧光染色鉴定hVSMCs标志物Calponin、α-SMA、SM22表达(×200)
pCMV-GFP组与对照组MCPIP1蛋白表达比较,差异无统计学意义(P>0.05);与pCMV-GFP组比较,pCMV-MCPIP1组MCPIP1蛋白表达升高(P<0.01)。与对照组比较,0.5 g/L的MCPIP1质粒转染hVSMCs时Myocardin、α-SMA、SM22蛋白表达升高(P<0.01)。后续实验选择0.5 g/L的MCPIP1质粒进行转染。光学显微镜显示,当MCPIP1过表达时,hVSMCs向合成型转化,形态发生明显改变,边缘锐利,有成环的趋势。见图4。
图4 MCPIP1过表达对标志蛋白及细胞形态的影响
对照组BrdU阳性率为38.90%,pCMV-GFP组BrdU阳性率为36.50%,pCMV-MCPIP1组BrdU阳性率为13.80%。pCMV-GFP组与对照组BrdU阳性率比较,差异无统计学意义(P>0.05);与pCMV-GFP组比较,pCMV-MCPIP1组BrdU阳性率降低(P<0.01)。见图5。
图5 MCPIP1过表达对BrdU阳性率的影响
Actal-Cre;MCPIP1+/+(WT)、Acta1-Cre;MCPIP1flox/flox(MCPIP1特异性KO纯合子)小鼠基因型见图6。
图6 MCPIP1基因KO小鼠基因型的鉴定
细胞模型广泛应用于探索疾病发生、发展的分子机制,以及筛选和评价药物疗效等生物学研究[19-20]。细胞模型可保持研究中样本的同质性,具有识别单一因素影响的优势。研究者们建立AS多种细胞模型,其可分为原代细胞和细胞系模型[21-22]。随着细胞系模型传代次数的增加,其固有的生理特性会发生改变,无法准确代表体内生理状态。与细胞系模型比较,原代细胞模型是直接从生物标本中分离并在体外培养的细胞,具有体内微环境的特征和生物学特性,能更好地模拟疾病情况。MCPIP1是一种转录因子和核糖核酸酶,参与脂质代谢、炎症反应调节等过程,是参与AS发生、发展过程的重要基因。使用谱系追踪和单细胞技术发现,hVSMCs是AS病变的主要细胞成分[23]。此外,hVSMCs也是决定斑块大小及其破裂和触发血栓形成倾向结构成分的来源,血栓形成是心脏病发作和脑卒中的直接原因[24]。建立MCPIP1的原代hVSMCs模型对研究AS具有重要意义。本研究通过组织块培养法从人主动脉组织中获取,构建MCPIP1高表达细胞模型,发现MCPIP1蛋白表达增加;心肌素及其下游因子,如分化标志物α-SMA和SM22表达量上调。转染0.5 g/L浓度的pCMV-MCPIP1质粒,心肌素及其下游因子的表达变化最为显著。hVSMCs过表达MCPIP1,抑制细胞增殖,促进分化。
动物模型相较细胞模型在研究基因表达、微环境等方面更具优势。将基因转入细胞系时,有内含子和没有内含子的相同基因具有相似的表达水平,然而转入小鼠体内时,含有内含子的基因表达水平比不含内含子的高几百倍[25]。这突出其在完整生物体或动物模型的背景下研究基因功能的重要性。因此,体外细胞模型结合体内动物模型更有利于复制人类疾病的潜在机制。低密度脂蛋白受体(low density lipoprotein receptor,LDLR)和载脂蛋白E胚系KO模型为脂质和AS的研究提供基本见解[26]。有学者发现,LDLR缺陷小鼠导致脂质代谢异常和AS,提示Exo LDLR治疗可以缩小和稳定AS斑块[27]。过表达MCPIP1可以减轻炎症反应,延缓AS发生。然而,Yu等[28]研究发现,骨髓MCPIP1基因KO小鼠引起全身器官炎症反应,减少AS发生。因此,在不同组织中建立MCPIP1基因KO小鼠对于AS的研究具有不同意义。小鼠因其体型小、成本低、繁殖快、易于操作、能够在合理的时间框架内监测AS斑块形成等优点,成为研究AS的优势物种。研究者利用基因工程技术建立ApoE-/-、LDLR-/-、PCSK9-AAV、d KO小鼠等小鼠模型,已被广泛用于研究AS的发生、发展。
本研究在探讨MCPIP1的功能时,重点关注蛋白质水平变化时平滑肌表型转换相关基因蛋白表达的变化及所引起的表型效应。实验设计缺乏对转录水平的直接监测。因此,无法确定所观察到的蛋白水平变化是源于转录调控,还是转录后调控。未来的研究将通过测量mRNA的动态变化,并结合染色质免疫共沉淀实验等手段,在转录水平上直接验证调控关系,从而完善本研究提示的调控网络模型。
综上所述,本研究建立原代hVSMCs的AS细胞模型,可调节AS相关的基因表达,扩展其在体外控制单因素条件下研究AS的可能性。MCPIP1基因KO小鼠模型的建立,使参与AS发生、发展的微环境得以重现,为今后的药物研发等研究提供可靠的动物模型。本研究为AS提供新的细胞和动物模型,可能为AS的研究提供新的资源。
利益冲突声明:本文所有作者均声明不存在利益冲突。
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Research on the role and mechanism of MCPIP1 in atherosclerosis by regulating vascular smooth muscle cell phenotypic switching
李晓洁(1981.4-),女,博士,主要从事血管源性相关疾病的研究工作。
[通讯作者] 周谊霞(1979.6-),女,博士,教授,博士生导师,贵州中医药大学护理学院副院长;研究方向:动脉粥样硬化的防治。
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