劉蓉芳 ,譚 雄 ,張 輝 ,毛湘屏 ,楊 柳 ,陳志成 ,毛以林 *
(1.湖南中醫藥大學,湖南 長沙 410208;2.湖南中醫藥大學第二附屬醫院,湖南 長沙 410005)
·基礎研究·
慢性心衰大鼠心肌miRNA-1、miRNA-133/Caspases表達差異研究
劉蓉芳1,譚 雄2,張 輝2,毛湘屏2,楊 柳2,陳志成2,毛以林2*
(1.湖南中醫藥大學,湖南 長沙 410208;2.湖南中醫藥大學第二附屬醫院,湖南 長沙 410005)
目的探討慢性心衰大鼠心肌miRNA-1、miRNA-133/Caspases表達差異。方法30只SD大鼠隨機分為正常組10只,模型組20只。正常組等容量生理鹽水腹腔注射,模型組予阿霉素腹腔注射造模;采用心臟彩超檢測心功能,采用生理記錄儀記錄血流動力學,心臟切片行Tunel染色檢測細胞凋亡,采用Real-time PCR法檢測miRNA-1、miRNA-133、Caspase-3mRNA、Caspase-9mRNA表達;采用Western blot及免疫組化法檢測心肌組織Caspase-3、Caspase-9蛋白表達水平。結果與正常組比,模型組大鼠左室舒張期內徑(LVIDd)、左室收縮末期內徑(LVESD)、左心室終末舒張壓(LVEDP)明顯增大(P<0.05),而左心室短軸縮短率(LVFS)、左室射血分數(LVEF)、心輸出量(CO)、左心室平均壓(LVAP)、左心室內壓最大上升速率(dp/dtmax)及左心室內壓最大下降速率(-dp/dtmax)下降(P<0.01),Tunel染色示心肌凋亡明顯。 miRNA-1、Caspase-3mRNA、Caspase-9mRNA、Caspase-3 蛋白、Caspase-9 蛋白表達增加(P<0.01),miRNA-133 表達下降(P<0.01)。結論miRNA-1、Caspase-3、Caspase-9 在心肌凋亡中表達增加,miRNA-133表達下降。
慢性心衰;心肌凋亡;miRNA-1;miRNA-133;Caspase-3;Caspase-9
心肌細胞凋亡是心力衰竭心臟重構主要表現形式之一,參與心肌梗死、心力衰竭、心房顫動及主動脈狹窄等心臟性疾病[1-3]的病理過程。微小RNA(microRNA,miRNA)是存在于真核生物中的非蛋白質編碼RNA分子,主要通過與靶基因mRNAs3’非編碼區結合,降低mRNA分子的穩定性,導致其降解,或抑制靶mRNA的轉錄后翻譯過程來實現調控靶基因表達[4-5]。 微小 RNA-1(microRNA-1,miRNA-1)和微小 RNA-133 (microRNA-133,miRNA-133)是肌肉組織特異性表達miRNA,在肌肉及心臟中具有重要作用,并均可通過調控半胱胺酸天冬氨酸酶(Caspases)家族蛋白表達,從而調控心肌細胞調亡[6]。在Caspase家族蛋白中,Caspase-9處于凋亡級聯反應上游,傳遞激活信號去下游,Caspase-3是凋亡級聯反應下游最關鍵的凋亡蛋白酶,主要執行凋亡程序。但目前國內關于慢性心衰心肌凋亡中miRNA-1、miRNA-133、 Caspase-3、Caspase-9表達及調控的研究報道較少,因此本研究通過制作慢性心衰大鼠模型,觀察心衰模型大鼠miRNA-1、miRNA-133/Caspase-3、Caspase-9差異表達,探討心肌凋亡與 miRNA-1、miRNA-133/Caspase-3、Caspase-9 表達關系,為研究心衰的發生機制提供新思路。
5周齡SPF級SD大鼠30只購于湖南斯克達實驗動物有限公司 (實驗動物合格證號:43004700025 096)。 飼養溫度20~25℃,濕度50%~70%,體質量(160±20) g,雌雄各半。
注射用鹽酸阿霉素(深圳萬樂藥業有限公司),引物(上海生工合成)。HRP goat anti-rabbit IgG(美國 Proteintech),miRNA引物 (上海生工合成),Western-blotting及免疫組化檢測一抗Caspase-3(美國 CST,Rabbit),Caspase-9 (美國 proteintech,Rabbit),actin(美國 proteintech,Mouse),二抗 HRP-conjugated Affinipure Goat Anti-Mouse IgG(H+L)(美國 proteintech),HRP-conjugated Affinipure Goat Anti-Rabbit IgG(H+L)(美國 proteintech),免疫組化二抗通用型二步法檢測試劑盒PV-9000(中杉金橋,北京),Tunel試劑盒(武漢博士德)。Motic B5顯微攝像圖像分析系統(麥克奧迪),BX43型雙目生物攝像顯微鏡(日本OLYMPUS),便攜式彩色多普勒超聲儀 (DW-PF522,徐州市大為電子設備有限公司)。BL-420F生理記錄儀,成都泰盟科技有限公司。
動物適應飼養1周后隨機取10只為正常組,余下20大鼠行阿霉素造模。造模方法參考文獻[7]。注射用鹽酸阿霉素按1.5 mg/kg注射,每周2次,共7周。超聲心動圖檢測左心室短軸縮短率 (LVFS)<30%,即為心衰造模成功[8]。
2.2.1 大鼠行為學觀察及死亡情況 8周后處死動物,處死前夜禁食。實驗全程觀察大鼠活動狀態、飲食情況、毛色變化、大小便等,同時統計大鼠死亡情況。
2.2.2 心臟超聲檢測大鼠心功能 大鼠用10%水合氯醛溶液按3 mL/kg麻醉后固定,前胸備皮涂搽脫毛膏及耦合劑,彩色多譜勒超聲診斷儀取大鼠左心室長軸切面后進行M超聲檢測,連續記錄10個心動周期,測量左室舒張期內徑(LVIDd mm)、左室收縮末期內徑(LVESD mm)、左室射血分數(LVEF)、左心室短軸縮短率(LVFS)、心輸出量(CO),所有數據均測量3次并取其平均值記錄。
2.2.3 生理記錄儀監測血流動力學指標 心臟彩超完畢后,分離出大鼠右側頸總動脈1.5~2 cm,結扎遠心端,夾閉近心端,動脈導管平行推進頸動脈后,以振幅高大、波寬較大心室內壓力波為標志,記錄心室壓力曲線,計算左心室平均壓(LVAP)、左心室終末舒張壓(LVEDP)、左心室內壓最大上升速率(dp/dtmax)、左心室內壓最大下降速率(-dp/dtmax)。
2.2.4 Tunel染色法檢測細胞凋亡 打開胸腔,剪下心臟,去掉心房及右室,余下左心室投入10%多聚甲醛溶液固定、石蠟包埋、切片,依次二甲苯透明、 梯度乙醇脫水、PBS漂洗,50 μL TdT+450 uL熒光素標記后反應l0 min。再加50 μL Tunel反應混合液,PBS漂洗、DAPI染色,封片。在熒光顯微鏡下計數凋亡細胞。隨機計數5個不同視野的凋亡細胞及細胞總數,計算凋亡細胞平均灰度值。
2.2.5 Real-time PCR 法檢測 miRNA-1、miRNA-133及 Caspase-3 mRNA、Caspase-9 mRNA 表達取大鼠左心室心尖部分適量,Trizol法提取大鼠心臟組織總RNA,行RNA瓊脂糖凝膠電泳。取2 μg以組織總mRNA為模板,逆轉錄cDNA,42℃孵育15 min,85℃孵育5 min,冰上冷卻,逆轉錄產物可直接用于熒光定量PCR反應。檢測miRNA者行miRNA反轉錄,根據所用RNA的量,合成修飾后的miRNA cDNA第一鏈,向冰浴中預冷的無RNase反應管中加入 Poly(A)反應液 4 μL+超純 dNTPs(10 mM each)1 μL+25 μM RT primer3 uL+5×RT Buffer 4 μL+SuperRT Reverse Transcriptase 0.5 μL+RNase-Free Water7.5 μL, 至終體積20 uL,反應終止后,合成的cDNA反應液可以直接進行熒光定量檢測實驗。以各檢測基因引物(引物序列見表1)進行實時定量PCR。定量PCR擴增條件:95 ℃ 10 min,95 ℃ 15 s,60 ℃ 60 s,40 個循環。收集每循環第3個步驟熒光信號量,以2-ΔΔCt反映各樣品相對于對照組樣品目的基因的表達水平,-ΔΔCt=對照組 ΔCt-各樣品 ΔCt,ΔCt=目的ΔCt-內參ΔCt。每個樣本重復3次,然后進行統計分析。在網址http://www.mirbase.org/cgi-bin/query.pl?terms=214中搜索 miRNA-1、miRNA-133序列,在 NCBI上搜索 Caspase-3、Caspase-9基因的序列,primer5軟件設計引物,由上海生工合成。引物資料見表1。

表1 引物名稱序列及產物長度
2.2.6 Western blot檢測心肌組織Caspase-3、Caspase-9蛋白含量 剪取0.25 g組織加入200 μLRIPA裂解液蛋白裂解,4℃,12 000 r/min離心15 min,取上清分裝離心管中;照BCA蛋白定量試劑盒(Wellbio)使用說明操作,測定蛋白濃度。然后電泳、轉膜、封閉、一抗孵育:用1×TBST將一抗按照一定比例稀釋[Caspase-3(1∶1 000),Caspase-9(1:200),actin(1∶4 000)],將膜與一抗一起孵育,4℃過夜。孵育結束,1×TBST洗3次,每次15 min,然后二抗孵育:用1×TBST 稀釋 HRP 標記的二抗(Proteintech),稀釋比例鼠抗(M)1∶4 000,兔抗(R)1∶6 000,將稀釋后的二抗與膜共同孵育45~60 min。孵育結束,1×TBST洗3次,每次15 min。最后顯色、曝光,使用ECL化學發光液(Thermo)與膜孵育3 min,用吸水紙吸盡液體,用保鮮膜將膜包裹雜交膜,在暗盒內與X膠片曝光數秒至數分鐘;顯影沖洗。將曝光后的底片掃描,并用quantity one專業灰度分析軟件進行分析。以目的蛋白與β-actin的光密度比值表示目的基因在蛋白水平的表達。
2.2.7 二步免疫組化法檢測心肌組織Caspase-3、Caspase-9蛋白含量 心肌切片經脫蠟、脫水后,3%雙氧水阻斷內源性過氧化物酶,入微波爐修復,冷卻,加 1∶100 一抗(Caspase-3、Caspase-9)4 ℃過夜;PBS洗3次;加二抗,PBS洗3次;每片滴二甲基聯苯胺(DAB)顯色液,水洗蘇木精復染;脫水、透明、封片。MOTIC圖像分析系統在×400倍光學顯微鏡下對Caspase-3、Caspase-9陽性結果進行半定量分析:每個標本隨機觀察6個視野,以陽性產物面積/視野面積表示該蛋白的相對含量,并取其平均值,重復3次。
所有數據應用SPSS 20.0統計軟件進行處理。全部計量資料用“±s”表示,先進行正態性檢驗,滿足正態性時,采用配對t檢驗,不滿足正態性時選擇秩和檢驗;以P<0.05為差異具有統計學意義。
正常組大鼠鼠毛光澤、貼順,眼睛有神,活潑,反應靈敏,飲食及二便正常,體質量增加明顯,大鼠無死亡;模型組大鼠鼠毛無光澤、脫落,喜靜倦怠,大鼠有腹水,體質量增長緩慢,多數大鼠大便稀,大鼠因嚴重腹水死亡5只。
與正常組比,模型組LVIDd、LVESD明顯增大而 LVFS、LVEF 及 CO 下降(P<0.05,P<0.01),見表 2。
表2 兩組大鼠心臟彩超數值比較 (±s)

表2 兩組大鼠心臟彩超數值比較 (±s)
注:與正常組相比,#P<0.05; ##P<0.01。
組別正常組模型組F值P值n 10 15 LVIDd/mm 4.02±0.81 6.56±1.31#4.610 0.040 LVESD/mm 2.68±0.43 8.95±2.34##9.125 0.000 LVEF/%90.17±2.20 31.04±4.13##58.65 0.000 LVFS/%55.85±10.08 27.32±2.32##26.64 0.000 CO/mL·min-1 76.96±5.06 46.28±2.90##41.017 0.000
與正常組相比,模型組LVAP、dp/dtmax、-dp/dtmax明顯降低(P<0.01),LVEDP 明顯增高(P<0.01),見表3。
表3 兩組大鼠心臟血流動力學 (±s)
注:與正常組相比,##P<0.01。
組別 n正常組模型組F值P值10 15 LVAP/mmHg 133.9±11.56 86.55±9.80##79.85 0.000 LVEDP/mmHg 3.94±0.75 15.29±2.20##50.12 0.000 dp/dtmax/mmHg·s-1 6 610±841.4 4 126±925.9##109.1 0.000-dp/dtmax/mmHg·s-1 6 454±700.1 2 367±1216##121.06 0.000
400×光鏡下觀察:Tunel染色示正常細胞核呈長梭形,藍色,排列規整,凋亡心肌細胞呈棕褐色。模型組與正常組相比,棕褐色壞死顆粒物質明顯增多,表明模型組心肌凋亡明顯,棕褐色顆粒物質平均灰度值較正常組明顯增高 (P<0.01);見表4,圖1。
表4 兩組大鼠心臟切片Tunel灰度值 (±s)

表4 兩組大鼠心臟切片Tunel灰度值 (±s)
注:與正常組相比,##P<0.01。
組別正常組模型組F值P值n 10 15灰度值72.65±4.37 129.5±6.84##77.79 0.000

圖1 兩組大鼠心肌切片光鏡圖(Tunel染色,×400)
與正常組相比,模型組miRNA-1、Caspase-3 mRNA、Caspase-9 mRNA 表達增加,miRNA-133表達下降(P<0.01),表明心肌凋亡組組織中,miRNA-1、Caspase-3 mRNA、Caspase-9 mRNA 表達增加 ;miRNA-133表達下降,見表5。
表5 兩組大鼠基因表達量比較 (±s)

表5 兩組大鼠基因表達量比較 (±s)
注:與正常組相比,##P<0.01。
組別正常組模型組F值P值n 10 15 miRNA-1 0.96±0.11 2.64±0.29##78.49 0.000 miRNA-133 1.11±0.12 0.25±0.09##109.9 0.000 Caspase-3 mRNA 1.00±0.05 1.49±0.13##9.618 0.000 Caspase-9 mRNA 0.99±0.55 2.79±0.20##142.6 0.000
免疫印跡法及免疫組化法顯示,與正常組相比,模型組 Caspase-3、Caspase-9 蛋白表達增加(P<0.01),免疫組化染色顯示心肌棕褐色顆粒陽性表達較多,表明在凋亡心肌組織中Caspase-3、Caspase-9蛋白表達亦升高,與Caspase-3、Caspase-9mRNA表達一致。 見表6、圖 2、圖3。
表6 兩組大鼠Caspase-3、Caspase-9蛋白質表達 (±s)

表6 兩組大鼠Caspase-3、Caspase-9蛋白質表達 (±s)
注:與正常組相比,##P<0.01。
組別 n Caspase-3 WB(15KD) WB(35KD) 免疫組化Caspase-9 WB 免疫組化正常組模型組F值P值10 15 0.21±0.03 0.37±0.05##10.69 0.000 0.17±0.03 0.40±0.07##5.508 0.000 86.1±6.77 163.2±15.80##14.85 0.000 0.18±0.038 0.49±0.12##48.82 0.000 35.6±6.75 132.8±10.52##30.98 0.000

圖2 兩組大鼠Caspase-3、Caspase-9蛋白表達電泳圖

圖3 兩組大鼠心肌切片光鏡圖(免疫組化,×400)
心肌細胞調亡是受相關基因嚴格控制的主動過程,在慢性心力衰竭(CHF)發生、發展過程中,由于許多病理因素(如腎上腺素、血管緊張素Ⅱ、氧化應激、致炎細胞因子、缺血、壓力或容量負荷過重、缺氧等)均可誘導心肌細胞凋亡[9]。心力衰竭心肌凋亡的途徑由外源性途徑(涉及細胞表面死亡受體)和內源性途徑(涉及線粒體和內質網)兩條通路介導。外源性途徑中,死亡配體結合死亡受體,通過Caspase-8激活下游的Caspase,觸發線粒體凋亡事件。內源性途徑被多種生物、化學和物理刺激所激活,傳遞到線粒體和內質網,觸發形成凋亡體,激活Caspase-9隨后剪切并激活下游的Caspase,并導致細胞凋亡。由此可知,兩條通路最終都要通過激活Caspases介導心肌細胞凋亡并參與慢性心衰的發生、發展,而其中Caspase-3,是Caspase家族中最重要的凋亡執行者之一,是凋亡級聯反應下游最關鍵的凋亡蛋白酶,它的激活是細胞凋亡的標志[10],上游的Caspase-9在細胞凋亡過程中被各種促凋亡因子形成的凋亡體所激活,從而對Caspase-3產生作用,使其執行凋亡程序。Caspase-3是經典凋亡通路后期的共同途徑。近年來的研究認為,在分子水平上,下調Caspase蛋白表達對于干預心室重構乃至心力衰竭具有重要意義。
微小RNA(microRNA)長約20~25個核苷酸,是存在于真核生物中的非蛋白質編碼RNA分子,幾乎參與調控人類生長發育的各個階段。研究發現,心肌中存在著大量調節心血管疾病的相關miRNAs,但MiRNA-1、miRNA-133是橫紋肌組織包括心肌中特異性表達的miRNA,廣泛參與心臟發育、心肌肥厚、心肌損傷、凋亡和心律失常等心臟生理和病理生理過程。miRNA可通過調控半胱胺酸天冬氨酸酶(Caspases)家族蛋白表達,從而調控心肌細胞調亡[6]。
本實驗研究結果表明,與正常組比,模型組大鼠出現死亡較多,LVIDd、LVESD、LVEDP 明顯增大而 LVFS、LVEF、CO、LVAP、dp/dtmax及-dp/dtmax 下降,Tunel染色棕褐色壞死顆粒物質明顯增多,表明模型組大鼠心衰心功能明顯下降,同時心肌凋亡明顯。進一步的基因表達研究表明凋亡心肌中miRNA-1、Caspase-3 mRNA、Caspase-9 mRNA 表達增加;miRNA-133表達下降;蛋白質表達方面,Caspase-3、Caspase-9蛋白表達亦升高,與 Caspase-3 mRNA、Caspase-9 mRNA表達一致。由此可知,miRNA-1與miRNA-133在心肌凋亡中作用可能相反,miRNA-1心肌凋亡中表達增加、miRNA-133表達下降;在miRNA與Caspase二者關系表達上,既往國外有研究報道miRNA-1通過正性調控Caspase-3促進細胞凋亡[11],miRNA-133可能是靶向抑制Caspase-9的表達從而抑制心肌細胞凋亡[12]。本研究中觀察到 miRNA-1與 Caspase-3、Caspase-9呈正相關,miRNA-133 與 Caspase-3、Caspase-9 呈負相關,而是否存在miRNA-1正性調控Caspase-3、miRNA-133靶向抑制Caspase-9的關系需要進一步研究證實。
miRNA及其調控的靶基因在心血管疾病的病理過程中扮演著非常重要的角色[13]。明確miRNA及其對靶基因的調控,尋找心血管系統重大疾病的藥物治療新靶點,是今后心血管藥物研發的新的發展方向。
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Differential Expression of miRNA-1,miRNA133/Caspases in Rats with Chronic Heart Failure
LIU Rongfang1,TAN Xiong2,ZHANG Hui2,MAO Xiangping2,YANG Liu2,CHEN Zhicheng2,MAO Yilin2*
(1.Hunan University of Chinese Medicine,Changsha,Hunan 410208,China;2.The Second Affiliated Hospital of Hunan University of Chinese Medicine,Changsha,Hunan 410005,China)
ObjectiveTo investigate the different expression of miRNA1,miRNA133/Caspases in rats with chronic heart failure.Methods30 SD rats were randomly divided into the normal control group (n=10),the model group (n=20).The normal group was injected intraperitoneally with equal volume normal saline,the model group was injected with doxorubicin intraperitoneally for modeling.The cardiac function was examed by color doppler ultrasound and hemodynamics was recorded.The cell apoptosis was determined by Tunnel staining method.The expression of miRNA-1,miRNA-133,Caspase-3mRNA,Caspase-9mRNA was determined by Real-time PCR,and the expression level of Caspase-3 and Caspase-9 in myocardial tissue of rats was detected by Western blot and immunohistochemistry.ResultsCompared with the normal group,the LVIDd,LVESD and LVEDP of rats in the model group increased significantly(P<0.05),while LVFS,LVEF,CO,LVAP,dp/dtmax and-dp/dtmax decreased(P<0.01).The myocardial apoptosis was obvious.The expression of miRNA-1,Caspase-3mRNA,Caspase-9mRNA,protein of Caspase-3 and Caspase-9 increased(P<0.01),and miRNA-133 decreased (P<0.01).ConclusionThe expression of miRNA-1,Caspase-3 and Caspase-9 increased and miRNA-133 decreased in myocardial apoptosis.
chronic heart failure;myocardial apoptosis;miRNA-1;miRNA-133;Caspase-3;Caspase-9
R541.6
A
10.3969/j.issn.1674-070X.2017.12.008
本文引用:劉蓉芳,譚 雄,張 輝,毛湘屏,楊 柳,陳志成,毛以林.慢性心衰大鼠心肌miRNA-1、miRNA-133/caspases表達差異研究[J].湖南中醫藥大學學報,2017,37(12):1326-1330.
2017-07-28
湖南省自然科學基金(2016JJ4068);湖南省中醫藥科研計劃(201610)。
劉蓉芳,女,在讀讀博士研究生,中醫內科專業。
*毛以林,男,博士研究生導師,E-mail:maoyilin8518@126.com。
(本文編輯 楊 瑛)