SIRT3在脫氧膽酸誘導(dǎo)人正常結(jié)腸上皮NCM460細胞能量代謝損傷中的作用*

王傳杰， 周 洋， 張 萌， 周 英， 徐佳琪， 朱敏航， 詹 琳， 周乾毅， 袁 瓊

(武漢科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系， 湖北 武漢 430065)

SIRT3在脫氧膽酸誘導(dǎo)人正常結(jié)腸上皮NCM460細胞能量代謝損傷中的作用*

王傳杰， 周 洋， 張 萌， 周 英， 徐佳琪， 朱敏航， 詹 琳， 周乾毅， 袁 瓊△

(武漢科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系， 湖北 武漢 430065)

目的： 探討脫氧膽酸(deoxycholic acid，DCA)對人結(jié)腸上皮NCM460細胞能量代謝損傷的影響及可能機制。方法: 培養(yǎng)人正常結(jié)腸上皮NCM460細胞，采用DCA(10 μmol/L、30 μmol/L和100 μmol/L)作用5 d，或DCA(100 μmol/L)作用3、5和7 d；DCA(100 μmol/L)處理3 d后，用去乙酰化酶sirtuin 3 (SIRT3)激動劑白藜蘆醇(resveratrol，REV)處理細胞后繼續(xù)培養(yǎng)至第7天。細胞腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)和乳酸生成量用試劑盒檢測，Western blot 檢測細胞的SIRT3表達。結(jié)果: DCA能濃度和時間依賴性地抑制NCM460細胞生成ATP并促進乳酸生成，抑制SIRT3蛋白表達；白藜蘆醇能逆轉(zhuǎn)DCA對NCM460細胞的作用。結(jié)論: DCA對人結(jié)腸上皮NCM460細胞的能量代謝具有損傷作用，其損傷作用與SIRT3相關(guān)。

脫氧膽酸； 能量代謝； 乳酸； 腺苷三磷酸； Sirtuin 3； 白藜蘆醇

膽汁排入腸腔后，初級膽汁酸在回腸和結(jié)腸上段經(jīng)細菌水解和脫羥基作用轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸，包括脫氧膽酸(deoxycholic acid，DCA)和石膽酸，其中DCA是次級膽汁酸中活性最強的成分[1]。有研究結(jié)果顯示DCA對正常的結(jié)腸上皮細胞具有損傷作用。DCA能誘導(dǎo)結(jié)腸上皮細胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平從而改變線粒體膜通透性[2-3]，釋放細胞色素C并激活凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis-inducing factor, AIF)等促進結(jié)腸上皮細胞的損傷[4-5]，然而，DCA是否能誘導(dǎo)結(jié)腸上皮細胞能量代謝障礙導(dǎo)致?lián)p傷尚未見文獻報道。

Sirtuin家族成員通過對組蛋白及多種非組蛋白的乙酰化修飾參與細胞分化、凋亡、衰老及腫瘤發(fā)生等多個生理病理過程[6]。其中依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的去乙酰化酶sirtuin 3 (SIRT3)的主要功能是催化線粒體應(yīng)激反應(yīng)蛋白去乙酰化[7]。近期質(zhì)譜實驗顯示至少65%的線粒體蛋白賴氨酸乙酰化，而SIRT3表達增高抑制了線粒體蛋白的乙酰化水平[8]。在SIRT3缺陷小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，SIRT3參與調(diào)節(jié)代謝、腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)生成和氧化應(yīng)激反應(yīng)等多種線粒體功能。研究證實SIRT3在有氧呼吸第二、三階段均能發(fā)揮作用，它通過對蛋白的去乙酰化從而催化三羧酸循環(huán)過程中的相關(guān)作用酶活性引起ATP生成增加[8]。細胞內(nèi)線粒體功能障礙從而對有氧氧化造成影響導(dǎo)致的能量代謝損傷是否與SIRT3對有氧呼吸的調(diào)節(jié)有關(guān)目前尚無定論。

本研究通過離體細胞實驗探討DCA誘導(dǎo)結(jié)腸上皮細胞能量代謝受損及SIRT3是否參與該過程。

材 料 和 方 法

1 試劑及藥物

脫氧膽酸(Sigma)；新生牛血清(浙江天杭生物科技有限公司)；RPMI-1640培養(yǎng)基(Thermo)；BCA試劑盒和細胞線粒體分離試劑盒(碧云天)；白藜蘆醇(同田生物)；兔抗人SIRT3及鼠抗人β-actin抗體(Santa Cruz)；乳酸測定試劑盒(南京建成公司)；ATP檢測試劑盒(南京建成公司)。

2 實驗方法

2.1 細胞實驗方案 細胞實驗分為3部分：(1)探討DCA誘導(dǎo)細胞能量代謝障礙的量效作用，采用DCA(10 μmol/L、30 μmol/L和100 μmol/L)干預(yù)5 d；(2)探討DCA對細胞能量代謝影響的時效性，DCA(100 μmol/L)處理 3 d、5 d和7 d；(3)探討SIRT3涉及DCA的損傷作用，采用sirtuin家族激動劑白藜蘆醇(resveratrol，REV)干預(yù)處理，實驗分為4組：正常組；REV組，REV(10 μmol/L)處理4 d; DCA 組，DCA(100 μmol/L)處理7 d; DCA+REV組，DCA(100 μmol/L)干預(yù)3 d后，REV (10 μmol/L)與DCA同時繼續(xù)干預(yù)4 d。

2.2 細胞培養(yǎng)及給藥處理 人正常結(jié)腸上皮細胞系NCM460購于廣州吉尼歐生物科技公司，常規(guī)復(fù)蘇，RPMI-1640培養(yǎng)基于恒溫培養(yǎng)箱中37 ℃、5% CO2培養(yǎng)。

2.3 乳酸及ATP測定 各組干預(yù)完成后收集細胞培養(yǎng)液上清，采用乳酸測定試劑盒測定細胞乳酸生成量，收集細胞采用細胞線粒體分離試劑盒分離線粒體，ATP檢測試劑盒測定細胞ATP生成量，實驗嚴格按照測定試劑盒說明書進行操作。

2.4 Western blot檢測SIRT3的蛋白表達 采用RIPA裂解液裂解細胞收集蛋白，BCA比色法測定總蛋白濃度，每孔40 μg蛋白上樣，蛋白凝膠電泳、轉(zhuǎn)膜，5%脫脂奶粉封閉，TBST洗膜3次，分別加入抗SIRT3的抗體(1∶1 000)和抗β-actin抗體(1∶1 000)4 ℃孵育過夜。TBST洗膜3次后孵育II抗(1∶1 000)1 h，ECL顯影。

3 統(tǒng)計學(xué)處理

所有數(shù)據(jù)均用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SEM)表示。組間差異采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Student-Newman-Keuls多重比較檢驗分析。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1 DCA干預(yù)對NCM460細胞線粒體ATP生成的影響

采用不同劑量的DCA處理正常的結(jié)腸上皮細胞NCM460，檢測線粒體生成ATP能力。結(jié)果顯示與對照組相比，DCA能劑量依賴性地抑制NCM460細胞線粒體生成ATP，并在DCA濃度為100 μmol/L時，線粒體合成ATP能力最低(P<0.01)。DCA(100 μmol/L)分別處理NCM460細胞3 d、5 d和7 d均能顯著抑制ATP生成的作用，且具有時間依賴性(P<0.01)，見圖1。

Figure 1.The effect of deoxycholic acid (DCA) on the ATP production in the mitochondria of NCM460 cells. DCA inhibited the ATP production in a dose-dependent manner (A) and a time-dependent manner (B). Mean±SEM.n=3.*P<0.05,**P<0.01vsDCA (0 μmol/L) group.

圖1 脫氧膽酸對NCM460細胞線粒體合成ATP的影響

2 DCA干預(yù)對NCM460細胞乳酸生成的影響

以不同劑量的DCA處理正常的結(jié)腸上皮細胞NCM460，檢測細胞乳酸的生成能力。結(jié)果顯示與對照組相比，DCA能劑量依賴性地促進NCM460細胞生成乳酸，并在DCA濃度為100 μmol/L時，合成乳酸能力最強(P<0.01)。DCA (100 μmol/L)分別處理NCM460細胞3 d、5 d和7 d均能顯著增加乳酸的合成，且具有時間依賴性(P<0.01)，見圖2。

Figure 2.The effect of daeoxycholic acid (DCA) on the lactic acid (LD) production of NCM460 cells. DCA inhibited the LD production in a dose-dependent manner (A) and a time-dependent manner (B). Mean±SEM.n=3.*P<0.05,**P<0.01vsDCA (0 μmol/L) group.

圖2 脫氧膽酸對NCM460細胞乳酸生成的影響

3 DCA干預(yù)對NCM460細胞SIRT3蛋白表達的影響

與對照組相比，DCA能劑量依賴性地抑制NCM460細胞SIRT3蛋白的表達，且當(dāng)DCA濃度達100 μmol/L時，SIRT3的蛋白表達水平最低(P<0.01)。DCA(100 μmol/L)分別處理NCM460細胞3 d、5 d和7 d，SIRT3的蛋白表達呈時間依賴性下降，且處理7 d時表達水平最低(P<0.01),見圖3。

Figure 3.The effect of deoxycholic acid (DCA) on the protein expression of SIRT3 in the NCM460 cells. DCA inhibited the protein expression of SIRT3 in a dose-dependent manner (A) and a time-dependent manner (B). Mean±SEM.n=3.*P<0.05,**P<0.01vsDCA (0 μmol/L) group.

圖3 脫氧膽酸對 NCM460細胞中SIRT3蛋白表達的影響

4 白藜蘆醇干預(yù)對DCA處理后的NCM460細胞能量代謝的影響

為了進一步探討SIRT3在DCA損傷中的作用，本實驗應(yīng)用sirtuin家族激動劑白藜蘆醇進行反證。如圖4所示，以DCA(100 μmol/L)處理NCM460細胞至第3天，白藜蘆醇(10 μmol/L)繼續(xù)處理4 d。DCA處理的NCM460經(jīng)白藜蘆醇干預(yù)后細胞的乳酸生成顯著降低(P<0.01)；DCA處理的NCM460細胞經(jīng)白藜蘆醇干預(yù)后細胞線粒體的ATP生成顯著升高(P<0.01)。

Figure 4.The effect of resveratrol on ATP and lactic acid (LD) production level induced by deoxycholic acid (DCA). Resveratrol (10 μmol/L， 4 d) reversed the effect of DCA on ATP (A) and LD (B) production. Mean±SEM.n=3.**P<0.01vsnormal group;##P<0.01vsDCA (100 μmol/L) group.

圖4 白藜蘆醇抑制脫氧膽酸對NCM460細胞ATP和乳酸生成的影響

討 論

腸黏膜屏障由物理屏障和生化屏障兩部分構(gòu)成，前者主要由腸道上皮細胞和側(cè)面的細胞緊密連接等組成，后者主要由各種消化酶、抗菌肽等化學(xué)物質(zhì)及免疫相關(guān)組織、細胞等組成，可阻止腸腔內(nèi)致病菌和毒素等進入血液循環(huán)，而腸黏膜屏障功能受損參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展[9-11]。施行膽囊切除的患者或長期進食高脂、高蛋白食物的人群腸腔內(nèi)次級膽汁酸(DCA和石膽酸)的含量增加[1]。然而，長期暴露于DCA會造成結(jié)腸上皮細胞的損傷。研究證實，DCA通過結(jié)合磷酸鞘氨醇受體2，促進組織蛋白酶B的釋放，可以劑量依賴性地激活NLRP3炎癥小體活性，并進一步促進IL-1β的生成從而介導(dǎo)結(jié)腸炎的發(fā)生[12]。此外，在DCA誘導(dǎo)的結(jié)腸損傷細胞中發(fā)現(xiàn)，ERK及P38的活性明顯提升，且上調(diào)ERK的表達可抑制細胞凋亡從而促進局部炎癥部位組織增生[13]。能量代謝損傷的產(chǎn)生主要原因之一是線粒體功能障礙[14]。近期研究人員通過增加細胞線粒體的質(zhì)量，能有效地逆轉(zhuǎn)乳酸生成的增多，增加ATP產(chǎn)生[15]。本研究結(jié)果顯示DCA能濃度及時間依賴性地抑制結(jié)腸上皮細胞線粒體ATP的生成、促進乳酸生成。該結(jié)果提示DCA能通過引起結(jié)腸上皮細胞線粒體能量障礙而導(dǎo)致結(jié)腸損傷。

SIRT3定位于線粒體，其主要功能是催化線粒體應(yīng)激反應(yīng)蛋白去乙酰化[7]，包括乙酰輔酶A合成酶2[16-17]、谷氨酸脫氫酶[18-19]、NADH脫氫酶[泛]1α-亞復(fù)合亞基9等在內(nèi)的有氧呼吸各階段關(guān)鍵酶活性均與SIRT3介導(dǎo)的去乙酰化調(diào)節(jié)有關(guān)。線粒體功能異常與其內(nèi)部多種酶的乙酰化水平增高有關(guān)[20]。SIRT3被證實能通過抑制線粒體DNA損傷阻斷心肌成纖維細胞分化和肺纖維化[21]。實驗首次證實，DCA能濃度和時間依賴性地抑制SIRT3表達；預(yù)先給予SIRT3激動劑白藜蘆醇能逆轉(zhuǎn)DCA對結(jié)腸上皮細胞ATP生成的抑制作用及其增加乳酸生成作用。該結(jié)果提示SIRT3表達下調(diào)介導(dǎo)了DCA誘導(dǎo)的結(jié)腸上皮細胞能量代謝障礙。

綜上所述，本研究首次發(fā)現(xiàn)DCA對結(jié)腸上皮細胞的線粒體能量代謝造成損傷作用，該作用可能與其抑制SIRT3表達下調(diào)引起線粒體功能障礙有關(guān)。然而，該機制還需進一步確證。

[1] Ignacio Barrasa J, Olmo N, Pérez-Ramos P, et al. Deoxycholic and chenodeoxycholic bile acids induce apoptosis via oxidative stress in human coloadenocarinoma cells[J]. Apoptosis, 2011, 16(10):1054-1067.

[2] Bernstein H, Bernstein C, Payne CM, et al. Bile acids as carcinogens in human gastrointestinal cancers[J]. Mutat Res, 2005, 589(1):47-65.

[3] Benedetti A, Alvaro D, Bassotti C, et al. Cytotoxicity of bile salts against biliary epithelium: a study in isolated bile ductule fragments and isolated perfused rat liver[J]. Hepatology, 1997, 26(1):9-21.

[4] Araki Y, Katoh T, Ogawa A, et al. Bile acid modulates transepithelial permeability via the generation of reactive oxygen species in the Caco-2 cell line[J]. Free Radic Biol Med, 2005,39(6):769-780.

[5] Sola S, Brito MA, Brites D, et al. Membrane structural changes support the involvement of mitochondria in the bile salt-induced apoptosis of rat hepatocytes[J]. Clin Sci (Lond), 2002, 103(5):475-485.

[6] 陶娜娜, 周洪鐘, 任吉華， 等. Sirtuin 6對肝癌細胞增殖的影響[J]. 中國病理生理雜志, 2016,32(6): 1031-1036.

[7] Frye RA. Characterization of five human cDNAs with homology to the yeast SIR2 gene:Sir2-like proteins (sirtuins) metabolize NAD and may have protein ADP-ribosyltrasferase activity[J]. Biochem Biophys Res Commun, 1999, 260(1):273-279.

[8] Ahn BH, Kim HS, Song S, et al. A role for the mitochondrial deacetylase Sirt3 in regulating energy homeostasis[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2008, 105(38):14447-14452.

[9] Turner HR. Intestinal mucosal barrier function in health and disease[J]. Nat Rev Immunol, 2009, 9(11):799-809.

[10]Grivennikov SI, Wang K, Mucida D, et al. Adenoma-linked barrier defects and microbial products drive IL-23/IL-17-mediated tumour growth[J]. Nature, 2012, 491(7423):254-258.

[11]董文逍, 曹海龍, 許夢雀， 等. 腸黏膜屏障損傷在脫氧膽酸誘導(dǎo)腸腺瘤癌變過程中的作用研究[J]. 中華腫瘤防治雜志, 2016, 23(14):918-923.

[12]Zhao S, Gong Z, Zhou J, et al. Deoxycholic acid triggers NLRP3 inflammasome activation and aggravates DSS-induced colitis in mice[J]. Front Immunol, 2016, 7:536.

[13]Qiao D, Stratagouleas ED, Martinez JD. Activation and role of mitogen-activated protein kinases in deoxycholic acid-induced apoptosis[J]. Carcinogenesis, 2001, 22(1):35-41.

[14]Upadhyay M, Samal J, Kandpal M, et al. The Warburg effect: insights from the past decade [J]. Pharmacol Ther, 2013, 137(3):318-330.

[15]Liu W, Beck BH, Vaidya KS, et al. Metastasis suppressor KISS1 seems to reverse the Warburg effect by enhancing mitochondrial biogenesis[J]. Cancer Res, 2014, 74(3): 954-963.

[16]Hallows WC, Lee S, Denu JM. Sirtuins deacetylate and activate mammalian acetyl-CoA synthetases[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006, 103(27):10230-10235.

[17]Schwer B, Bunkenborg J, Verdin RO, et al. Reversible lysine acetylation controls the activity of the mitochondrial enzyme acetyl-CoA synthetase 2[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006, 103(27):10224-10229.

[18]Lombard DB, Alt FW, Cheng HL, et al. Mammalian Sir2 homolog SIRT3 regulates global mitochondrial lysine acetylation[J]. Mol Cell Biol, 2007, 27(24):8807-8814.

[19]Schlicker C, Gertz M, Papatheodorou P, et al. Substrates and regulation mechanisms for the human mitochondrial sirtuins Sirt3 and Sirt5[J]. J Mol Biol, 2008, 382(3):790-801.

[20]Hebert AS, Dittenhafer-Reed KE, Yu W, et al. Calorie restriction and SIRT3 trigger global reprogramming of the mitochondrial protein acetylome[J]. Mol Cell, 2013, 49(1):186-199.

[21]Bindu S, Pillai VB, Kanwal A, et al. SIRT3 blocks myofibroblast differentiation and pulmonary fibrosis by preventing mitochondrial DNA damage[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2017, 312(1):L68-L78.

(責(zé)任編輯： 陳妙玲， 羅 森)

Role of SIRT3 in dysfunction of energy metabolism induced by deoxycho-lic acid in human colon NCM460 cells

WANG Chuan-jie, ZHOU Yang, ZHANG Meng, ZHOU Ying, XU Jia-qi， ZHU Min-hang, ZHAN Lin, ZHOU Qian-yi, YUAN Qiong

(DepartmentofPharmacology,MedicalCollege,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430065,China.E-mail:yuanqiong@wust.edu.cn)

AIM: To investigate the effect of deoxycholic acid (DCA) on the energy metabolism in human normal colon epithelial NCM460 cells. METHODS: NCM460 cells was treated with DCA at 10, 30 and 100 μmol/L for 5 d， or DCA at 100 μmol/L for 3, 5 and 7 d. After treated with DCA at 100 μmol/L for 3 d, the cells were treated with resveratrol, the activator of sirtuin 3 (SIRT3)， for the next 4 d. Adenosine triphosphate (ATP) production in the mitochondria and lactate acid level were detected. The protein expression of SIRT3 was determined by Western blot. RESULTS: DCA inhibited the ATP production, increased lactate acid level, and downregulated the protein expression of SIRT3 in a dose- and time-dependent manner. Resveratrol at 10 μmol/L reversed the effects of DCA on the NCM460 cells. CONCLUSION: DCA induces the dysfunction of energy metabolism in NCM460 cells, and the mechanism may be related with SIRT3.

Deoxycholic acid; Energy metabolism; Lactate acid; Adenosine triphosphate; Sirtuin 3; Resvertrol

1000- 4718(2017)08- 1494- 05

2016- 10- 31

2017- 05- 22

武漢科技大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金(No. 15ZRA167)

R363

A

10.3969/j.issn.1000- 4718.2017.08.024

雜志網(wǎng)址： http://www.cjpp.net

△通訊作者 Tel： 18627005258； E-mail： yuanqiong@wust.edu.cn